熔融石英的性能特点和使用Word格式.docx
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7
5
在热浓碱和氢酸条件下有良好的可溶性
白色
电熔刚玉
Al2O3
两性
2030
9
~
86
在热碱条件下反应很差
莫来石
3Al2O3·
2SiO2
6~7
54
在热碱条件下有轻微反应
灰色到棕黄色
高岭石
熟料
弱酸性
1700~1790
~5
50
-
锆砂
ZrSiO4
<
1948
7~8
46
在热碱条件下有中等反应
白色到棕黄色
氧化锆
ZriO2
碱性
2600
60
为0℃~1200℃间的膨胀系数平均值。
400℃的热导率。
1200℃热导率。
熔融石英及制品有三大特点：
在所有耐火材料中，线膨胀系数最小（在1000℃的热胀率）；
热导率最低，在1000℃热导率（m·
K）（cm·
s·
℃）；
抗热震性最好（在1200℃~水冷的抗震性），10次都不产生裂纹。
2、熔融石英涂料配制使用操作工艺
（1）本操作工艺适用于硅溶胶，制壳的表面层或过渡层。
（2）本工艺使用的硅溶胶同锆英粉涂料即SiO230%。
（3）本工艺操作中的润湿剂，消泡剂同锆英粉涂料。
（4）本操作中使用的流杯粘度计为詹氏（Zahn）5#杯，出口孔径为Φ。
（5）涂料配制：
1、熔融石英粉的配制，320目（网号：
）275目（网号：
）200目（网号：
）120目（网号：
）熔融石英粉中的SiO2的质量分数为%以上。
其中：
320目占50%，200目占25%，120目占25%，百分数的计算为质量分数，即重量比例。
2、涂料粘度为50~60秒，严格控制不得低于50秒，60秒时是最佳粘度。
它可获得最好的表面光洁度铸件；
用于生产碳钢或430系列时粘度可以降到40秒。
（6）挂砂：
1、用熔融石英砂80~100目（50~100目）50%，用刚玉砂80目，50%。
2、用熔融石英砂80~100目（50~100目）100%，（50~100目）
3、用刚玉砂80目100%。
以上3种挂砂都可以采用，只是铸件根据的不同，结合表面质量在生产现场机动操作。
（7）注意事项：
1、涂料配制严格控制比例，不得有随意性，严格现场的操作跟踪。
流杯粘度测量要准确，每次做面层前必须测量粘度。
2、需要做二层面层时，第二次即过渡层时，涂料粘度为28~36秒。
3、表面制壳技术是认真、细致的操作技术，要保证涂料厚度均匀一致，否则会生产出有渗透性或麻点的铸件。
挂砂重力相对一致均匀，面面俱到。
4、熔融石英湿膜情况下的面层在不同粘度下的厚度为：
50秒粘度为，40秒粘度为,30秒粘度为，20秒粘度为。
5、熔融石英砂：
50~100目为国家标准网号的~号，筛孔尺寸为ASTME11-70的~。
6、第二层的挂砂可同原锆英粉面层工艺时的操作一致，也可用30~50目（筛孔尺寸~）的熔融石英砂。
3、熔融石英——制壳耐火材料新秀
熔融石英在精铸中应用虽然已有相当长的历史，但以往主要用作陶瓷型芯，用作型壳则主要用于面层，背层很少使用。
这种状况近10年来在美、欧各国有很大改变。
2001年美国著名耐火材料生产厂商Minco公司，公布了对美国熔模铸造企业制壳耐火材料使用现状的调查统计数据，各种耐火材料消耗量所占比例（质量分数）大致如下：
铝-硅系耐火材料55%；
熔融石英30%；
刚玉9%，锆石6%。
可见在美国精铸业中，熔融石英异军突起，现已是仅次于铝-硅系材料，远远超过锆石等其他耐火材料，迅速成为制壳耐火材料的新秀。
1、熔融石英与铝-硅系材料的比较
2000年MincoInc.在美国第48届精铸年会和INCAST杂志2001年第3期上发表论文，对熔融石英和铝-硅系耐火材料进行了全面的分析对比。
型壳质量
熔融石英密度为cm3,铝-硅系材料为cm3,，故同样厚度型壳，前者质量明显小于后者，有利于减轻工人劳动强度和机械手操作。
热膨胀率
图1和图2所示分别为脱蜡和焙烧过程中，这2种材料热膨胀率的比较。
热膨胀系数小是熔融石英的一个很大的优点，有利于减小加热时型壳内外因温度差造成的热应力，因而有利于防止脱蜡和焙烧过程中型壳开裂和变形。
同时，对提高铸件尺寸精度也甚为有利。
所以，铸造尺寸公差要求严格的产品，就更适合采用熔融石英。
力学性能和透气性
表1所列为2种材料制得型壳的力学性能和透气性比较，结果显示，湿强度（抗弯强度）和断裂韧度，熔融石英型壳稍低于铝-硅系型壳，但透气性却远高于铝-硅系型壳。
表1熔融石英和铝硅系材料型壳性能比较
型壳材料
熔融石英粉+30#/50#熔融石英砂
莫莱卡特粉+16#/30#莫莱卡特砂
熔融石英粉+16#/30#莫莱卡特砂
试样厚度/mm
孔隙率/%
断裂载荷/N
室温抗弯强度/MPa
断裂韧度/MPa
5009
5299
4223
断裂指数
透气性/（10-10cm2）
高温抗蠕变能力
当采用熔融石英撒砂代替铝-硅系材料时型壳高温抗蠕变能力提高（见图3）熔融石英在高温下（约1200℃）结晶化转变可作为这种现象的一种解释（见图4）。
脱壳性
容易脱壳和清理是熔融石英迅速崛起的最重要原因。
不同材料型壳残留强度试验结果见表2。
可见熔融石英型壳残留强度大大低于铝-硅系材料。
这是因为熔融石英大约在1200℃高温下会转变为方石英。
实践证明，在浇注温度下，型壳中大约有70%熔融石英转变为方石英。
当型壳温度下降至300℃左右，方石英又由高温型转变为低温型，同时体积骤变（见图4）无数裂纹随之产生，型壳强度剧降，于是，脱壳性大为改善。
此外，对于全铝-硅系型壳来说，如采用碱煮、碱爆等化学清理方法，碱溶液只能溶解粘结剂中的二氧化硅，对耐火粉、粒料却无能为力。
但对熔融石英型壳来说，无论粘结剂还是耐火材料，碱都有强烈的腐蚀作用。
试验表明，在质量分数为50%的KOH熔液中沸腾碱煮，全熔融石英型壳经109min就大部分溶解，而铝-硅系耐火砂、粉则看不出有什么变化。
所以，采用熔融石英，有利于碱煮、碱爆等化学清理。
减少耗碱量，提高效率。
表2熔融石英和铝-硅系型壳残留强度对比
MPa
型壳系统
1037℃保温1h焙烧
1204℃保温1h焙烧
熔融石英料+30#/50#熔融石英砂
铝-硅料浆+16#/30#铝-硅砂
熔融石英料浆+16#/30#铝-硅砂
充型难易
当温度低于600℃时，熔融石英热导率较铝-硅系材料差（见图5），而比热容又只有锆石的一半，这些因素都有利于薄壁铸件的充型。
但温度高于600℃，由于熔融石英透明度高（夜间浇注时，甚至可透过型壳看见其中流动的钢液），因此辐射散热快，铸件冷却快，更容易获得健全致密的铸件，这对于铸造铝合金薄壁件甚为有利，但同时也会使铸件产生裂纹的趋向增加。
与铝-硅系耐火材料比较，尽管熔融石英有着上述诸多优点，但毕竟价格较贵，是否采用，各厂可自行权衡。
如何使用，是用于面层，还是用于背层；
是单独用，还是与其他材料混合用；
是用粉料，还是用作撒砂料；
都需要根据具体情况，才能获得最佳效果。
2、熔融石英和锆石的比较
JerryD.发表于2002年美国第50届精铸年会的论文，对用于精铸面层的2种主要耐火材料——熔融石英和锆石进行了全面的分析对比。
锆石的优缺点
2.1.1锆石的优点
（1）锆石粉粒度分布宽，一般无需级配，配制成的涂料浆流变性就很适合涂挂，涂料覆盖性、流平性均属一流。
此外，由于密度大，空料时涂料浆流淌快。
（2）锆石砂粒形好，多为球形（见图6），流动性好，容易充填蜡模上的孔洞、凹槽等不易充填的部位，很适合作为面层撒砂料。
2.1.2锆石的缺点
（1）经常发生周期性货源短缺，供应紧张，价格较贵。
（2）由于锆石是天然矿产，所以含有某些有机物和其他杂质在所难免。
其中有的（特别是Fe2O3、磷酸钙等）会和涂料中的粘结剂、添加剂或其他耐火材料反应，造成涂料浆PH改变而迅速老化变质，铸件表面也容易出现硅酸铁黑褐色斑疤或丘疹。
（3）由于环保法规越来越严格，近来，美、欧各国普遍更加关注锆石中放射性元素可能造成的环境问题，这又可能使其价格进一步攀升。
熔融石英的优缺点
2.2.1熔融石英的优点
（1）熔融石英的价格比锆石便宜，加上密度又比锆石低得多（前者cm3,后者~cm3）,所以，用熔融石英代替锆石，可降低制壳成本。
（2）熔融石英原材料经过精选，再经电弧重熔，并剔除方石英，因此杂质少，纯度高（见表3）。
所以涂料浆稳定性向来不成问题。
实践证明，熔融石英—硅溶胶涂料稳定性通常可长达1年以上。
表3美国Minco公司制壳用熔融石英粉的化学成分（%）
ωB
Fe2O3
TiO2
K2O
CaO
Na2O
>
（3）高温晶化，低温相变，使铸件表面容易清理干净。
2.2.2熔融石英的缺点
（1）粉料粒度分布范围窄，再加上密度小，不利于涂料流淌、滴落；
由于熔融石英涂料浆透明度高，使操作者难于识别涂料厚度和均匀程度。
（2）作为面层撒砂，熔融石英砂粒形为多角形（见图6），再加上密度小，容易架桥，形成浮砂。
应用熔融石英应注意的一些问题
采用熔融石英作面层耐火材料需要特别注意它的适用范围。
从热力学角度考虑，在高温条件下，某些金属和合金元素会和二氧化硅反应，例如，航空结构件的重要合金材料IN-718中，铌就会与二氧化硅起反应，置换出硅而污染合金。
许多高温合金中都含有的铝、钛等活性元素，或铪、锆和镧等强化元素，以及铝-锂合金中的锂等，在浇注温度下也都有和二氧化硅反应的可能性。
但从动力学角度考虑，还存在一个反应速度问题。
用熔融石英粉配制面层涂料，浇注普通碳钢和低合金钢最安全和保险。
也可以适当比例和锆石粉混合，浇注不锈钢。
但对于含有钛、铌等高活性元素的不锈钢应慎用。
一些精铸厂家认为，由于熔融石英的主要化学成分是SiO2,用它作为面层材料浇注不锈钢，可能会催生黑色硅酸铁麻点或斑疤。
铸件表面一旦出现此类缺陷，防止钢液和铸件氧化是有效地应对措施。
但值得一提的是，由于在浇注温度下，锆石也很容易分解成ZrO2和SiO2,所以，即使采用锆石作面层材料，此类缺陷也同样时有发生。
改用刚玉作面层材料才是较为彻底的解决办法。
三、国内推广应用熔融石英的迫切性和现实性
熔融石英的家和和性能优势
目前，由于种种原因，锆石正面临周期性货源短缺，供应紧张，价格一路飙升，令许多精铸厂家叫苦不迭。
采用硅溶胶粘结剂后，型壳残留强度偏高，脱壳性差，难清理，许多铸件不得不增加化学清理工序，又造成新的环境问题，令人头痛。
然而，国外早已相当流行的制壳材料熔融石英，国人却几乎无人问津，这不能不说是跟普遍存在的一个认识上的误区有关，这就是将制壳用和制芯用熔融石英（又称石英玻璃）混为一谈，总认为它的价格贵，无法承受。
其实不然，尽管二者之间无论化学成分和晶体结构无异，但由于对型芯的耐火度和化学稳定性的要求比型壳严格，所以，对杂质含量（特别是Bi、Ag、Sb、Sn、Pb、Zn等）的要求大不相同。
对照表3和见表4所列数据，就不难看出这点。
正因为如此，二者价格相去甚远。
目前，制壳用熔融石英，国内市场价为3000~4000元（人民币）/t，国外市场价也不过7000元（人民币）/t左右，比锆石低得多，加之其密度小，如能代替锆石，经济效益不言而喻。
如能换来铸件脱壳、清理的优质高效，用作背层材料也不失为一种选择。
况且为了改善脱壳性，也并不一定非要使用全熔融石英型壳。
表4制芯用熔融石英（石英玻璃）的化学成分
%
MgO
Bi、Ag、Sb
Sn、Pb、Zn
注：
表中数据适用于普通真空熔铸硅基陶瓷型芯。
熔融石英制壳工艺特点
近来国内某些精铸生产厂家的试验和实践证明，使用熔融石英型壳，脱壳性确实明显改善，容易清理，代替锆石经济效益显著。
此外，型壳容易充型，浇注碳钢铸件还有利于防止表面脱碳。
与此同时，也存在以下问题值得注意。
（1）由于粉粒粒形为多角形，密度小和其他一些原因，熔融石英配成涂料的流变行为不理想，流淌性、覆盖性等均不如锆石粉，粉液比也不易达到期望的水平。
由于熔融石英透明度高，涂挂模组过程中，操作者不易判断涂层厚薄和均匀程度。
这些问题可考虑通过以下途径解决：
①改变搅拌方法，先快搅，后慢搅。
合理级配粉料粒度。
对此，美、欧各国进行了大量试验研究，认为熔融石英粉与硅溶胶配制涂料时，较适合的粉料级配是270#或320#细粉50%，200#和120#粉料各占25%。
涂料浆中加入少量钛白粉，以降低涂层的透明度。
④采用聚合物增强硅溶胶，并添加少量改善流平性的附加物。
由此可见，推广应用熔融石英，还需要得到粘结剂生产厂商的大力支持和密切配合，国外也常有熔融石英与某种合适的粘结剂捆绑销售的做法。
（2）作为面层撒砂材料，由于熔融石英砂粒形为多角形（见图6），不利于蜡模上精细部位的充填，再加上密度小，砂粒容易架桥，形成浮砂，处置不当，浇注时容易造成钢液渗漏。
对此，可适当减小撒砂粒度，用70#/120#砂代替50#/100#砂；
目前国产熔融石英砂中，粉尘含量高（见图7），也是产生浮砂的重要原因。
不难看出，制订精铸用熔融石英砂/粉的产品质量标准也是当务之急。
采用聚合物增强硅溶胶，也有利于减少浮砂。
（3）温度/湿度变化对涂层干湿状态的影响，比其他耐火材料更为敏感。
因此，对上述工艺条件的控制要求更严格。
（4）由于熔融石英在1200℃附近转变为方石英，随后，冷却至300℃左右产生相变。
所以，型壳焙烧后应尽快浇注。
如果工艺要求必须二次焙烧，则焙烧温度务必低于1000℃。
（5）由于熔融石英热膨胀系数小，铸件尺寸可能会变小。
综上所述，熔融石英用在背层材料，在技术上难度较小，用作面层材料，则需要下点功夫。
熔融石英作为一种制壳材料，在我国推广应用，尚属新生事物，需审慎从事，一切通过试验，防止大起大落。
附件一、硅石的技术条件见表1
附件二、硅石的分类和特性见表2
表1硅石技术条件（YB2416-1981）
级别
化学成分/%
耐火度/℃
吸水率/%
备注
特级
≧98
≦
≧1750
耐火度和吸水率，如供方可保证达到标准要求，一般不作两项指标
一级
≧97
≧1730
二级
≧96
≧1710
表2硅石的分类和特性
工艺分类
岩石分类
主要产地
矿物组成
石英晶粒/mm
转化性能
制砖适应性
结晶硅石
脉石英
吉林江密峰
乳白色
石英为主，质地纯净，有的夹有红色或黄褐色水锈
SiO299%
很大，大于2
特慢转化
因难转化，制砖时废品率可能高
石英岩
河南铁门、辽宁石门
灰白、浅灰色
石英为主，有的含有黏土、云母、绿泥石、长石、金红石赤铁矿、褐铁矿等
SiO2大于98%
可制各种硅砖
我国各地的硅石多属此类型
胶结硅石
石英砂岩
淡黄、淡红色
石英为主，含量90%以上，少量长石、云母；
胶结物为硅质
SiO295%以上，混有一定杂质，Al2O31%~3%；
R2O1%~2%
粗粒（1~）到细粒（~）
制造一般砖
燧石岩
山西五台山
赤白、青白
基质为玉髓，其中含有脉石英晶粒，有的含有氧化铁、石灰石、绿泥石
SiO295%以上
快速转化
是硅质岩的一种
硅砂
石英砂
广东珠海
黄褐色
石英为主，含量95%左右；
长石等矿物5%左右
SiO290%以上，杂质Al2O3<
5%,
Fe2O3<
1%,纯度不定
较大~
大多数用作捣打料，制一般硅砖
我国沿海地区有产出，如山东荣成
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