熔融石英的性能特点和使用.docx
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熔融石英的性能特点和使用
熔融石英的性能特点和使用
一、熔融石英的性能特点和使用
熔融石英材料在精铸型壳的使用上国外发达国家如美国的使用量和日本的使用量不断地逐年增加，特别是在硅溶胶型壳的面层方面有了很有经验的效果，在同锆英材料的使用和价格比上有了较大突破，是目前较为理想的工程应用材料。
熔融石英是用天然高纯度二氧化硅经电炉在高于1760℃以上温度熔融，随后快速冷却而制得的。
此过程将晶型SiO2转变为非晶型的玻璃熔体。
熔融石英熔化温度约1713℃，导热系数低，热膨胀系数几乎是所有耐火材料中最小的，因而它具有极高的热震稳定性。
所以，在焙烧和浇注过程中熔融石英型壳很少因温度剧变而破裂，是理想的熔模铸造制型的耐火材料，可作为面层或背层涂料用的耐火材料，以及撒砂材料。
熔融石英会部分或全面提高型壳性能。
熔融石英热膨胀系数小，有利于防止型壳在脱蜡和焙烧过程中开裂、变形，利于确保铸件尺寸稳定。
熔融石英纯净度高，所配涂料稳定性好；型壳高温抗蠕变能力提高。
熔融石英温度较低时的导热性较差，热容量小，仅为锆砂的一半，大多数金属液对它的润湿性较差，使得金属凝固层与型壳内表面间易产生间隙，热导率进一步减小，有利于壁薄铸件充型。
在高温下熔融石英的透明度高，能通过辐射传热，使其导热能力超过硅酸铝类壳。
而使铸件冷却较快，更易获得健全铸件。
铸件冷却时方石英又从高温型转变为低温型，同时体积产生骤变，使型壳出现无数裂纹，强度剧降，有利于脱壳进行。
熔融石英为酸性，能采用碱煮、碱爆等化学清砂方法去除型壳。
熔模铸造用熔融石英，其中SiO2所占的质量分数应为99.5%，配涂料用的粉料最好是270目或320目细粉占50%（质量分数），200目和120目粉各占25%（质量分数）。
耐火材料
化学组成
化学性质
熔点/℃
莫氏硬度
密度/（g/cm3）
膨胀系数①/×10-71/℃
热导率/[W/（m2.k）]
浸出性比较
颜色
熔融石英
SiO2
酸性
1713
7
2.2
5
1.951②
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
3.99~4.0
86
12.560②
在热碱条件下反应很差
白色
莫来石
3Al2O3·2SiO2
两性
2030
6~7
2.7~2.9
54
1.214②
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
2.4~2.6
50
-
在热碱条件下有轻微反应
灰色到棕黄色
锆砂
ZrSiO4
弱酸性
<1948
7~8
4.5~4.9
46
2.094③
在热碱条件下有中等反应
白色到棕黄色
氧化锆
ZriO2
碱性
2600
7~8
5.7
60
-
①为0℃~1200℃间的膨胀系数平均值。
②400℃的热导率。
③1200℃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0.05）；热导率最低，在1000℃热导率0.836W/（m·K）（0.02cal/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Φ5.28mm。
（5）涂料配制：
1、熔融石英粉的配制，320目（网号：
0.044）275目（网号：
0.052）200目（网号：
0.076）120目（网号：
0.125）熔融石英粉中的SiO2的质量分数为99.5%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0.2mm，40秒粘度为0.18mm,30秒粘度为0.15mm，20秒粘度为0.12mm。
5、熔融石英砂：
50~100目为国家标准网号的0.325~0.15号，筛孔尺寸为ASTME11-70的0.3~0.15mm。
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0.6~0.3mm）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。
1.1型壳质量
熔融石英密度为2.2g/cm3,铝-硅系材料为2.7g/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。
1.2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。
1.3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
7.40
7.24
7.90
孔隙率/%
24.6
23.2
24.0
断裂载荷/N
23.0
20.9
20.3
室温抗弯强度/MPa
3.98
4.11
3.37
断裂韧度/MPa
5009
5299
4223
断裂指数
0.0167
0.0166
0.0155
透气性/（10-10cm2）
18.3
8.6
18.2
1.4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）。
1.5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
11.8
13.6
铝-硅料浆+16#/30#铝-硅砂
42.6
65.2
熔融石英料浆+16#/30#铝-硅砂
31.4
34.6
1.6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。
2.1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。
2.2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2.2g/cm3,后者4.7~4.9g/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
SiO2
Al2O3
Fe2O3
TiO2
K2O
CaO
Na2O
>99.7
<0.17
<0.035
<0.025
<0.012
<0.0075
<0.005
（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。
2.3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
3.1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
%
ωB
SiO2
Al2O3
TiO2
MgO
CaO
Fe2O3
K2O
Na2O
Bi、Ag、Sb
Sn、Pb、Zn
>99.8
<0.25
<0.25
<0.5
<0.06
<0.05
<0.02
<0.01
<0.001
<0.015
注：
表中数据适用于普通真空熔铸硅基陶瓷型芯。
3.2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
SiO2
Al2O3
CaO
特级
≧98
≦0.5
≦0.4
≧1750
≦3.0
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
≦1.0
≦0.5
≧1730
≦4.0
二级
≧96
≦1.3
≦1.0
≧1710
≦4.0
表2硅石的分类和特性
工艺分类
岩石分类
主要产地
颜色
矿物组成
化学组成
石英晶粒/mm
转化性能
制砖适应性
备注
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%
0.15~
0.25
特慢转化
可制各种硅砖
我国各地的硅石多属此类型
工艺分类
岩石分类
主要产地
颜色
矿物组成
化学组成
石英晶粒/mm
转化性能
制砖适应性
备注
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（1~0.5）到细粒（0.25~0.1）
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
0.005~
0.01
快速转化
可制各种硅砖
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0.5~
0.15
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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