15型壳制造

§1.5型壳的制造主要内容1.5.1概述1.5.2制壳耐火材料1.5.3制壳粘结剂1.5.4硅溶胶及其型壳1.5.5水玻璃及其型壳1.5.6硅酸乙酯及其型壳1.5.7型壳脱蜡及焙烧1.5.1型壳概述型壳—熔模铸造采用的铸型常称为型壳，其作用是保证获得优质铸件。优质型壳应满足强度、透气性、热膨胀性、热震稳定性、热化学稳定性、脱壳性等性能要求。型壳制备的主要工序包括涂挂涂料、撒砂、干燥和硬化、脱蜡与焙烧等。制壳时，每涂挂和撒砂一层后，必须进行充分的干燥和硬化。1.5.2制壳用耐火材料耐火材料是组成型壳的基本材料，对型壳的性能及铸件的表面质量有着重要影响。熔模铸造生产中的耐火材料按用途分为：型壳面层用耐火材料型壳加固层用耐火材料陶瓷型芯用耐火材料SiO2)常用耐火材料的线膨胀率1、硅石2、氧化镁3、电熔刚玉4、硅线石5、耐火粘土6、锆石7、熔融石英1、硅砂（石英）石英（SiO2）是架状结构的硅酸盐，基本结构单位是硅氧四面体[SiO4]4-，每个硅离子Si4+均与四个氧离子O2+相连，四个氧离子位于四面体的顶端，硅离子处于四面体的中心，每个四面体又和周围的四个四面体共用顶端的氧离子。(a)α方石英(b)α鳞石英(c)β石英石英硅氧四面体结构示意图根据[SiO4]4-的连接方式，二氧化硅有三种晶型：石英（870℃以下）鳞石英（1470℃以下）方石英（1713℃以下）每种晶型又有高低温转化的变体（七种变体）：α-石英、β-石英α-鳞石英、β-鳞石英、γ-鳞石英α-方石英、β-方石英还有一种非晶型的石英玻璃不同温度下，石英晶型的转化分为两类：1）位移相变，如同种晶型中α、β、γ之间的转变：β石英α石英γ鳞石英β鳞石英α鳞石英β方石英α方石英这类相变不发生键的断裂及原子的重新组合，仅发生原子的位移及键角转动，所需活化能小，因而速度快，体积变化小，在一定温度下可迅速完成。转变后结构不发生特殊变化。2）重建相变，如SiO2三种不同晶型间的变化：α石英α鳞石英α方石英此类相变过程将发生键的断裂和原子的重新组合，所需活化能较大，相变速度缓慢，体积变化大，通常只有在矿化剂存在时才能进行。转变后发生结构变化。SiO2系统状态图石英同质异晶转变简图在自然界中出现的硅砂大多是低温型的β石英。因此，用硅砂制得的型壳，在加热到573℃时由于β石英转变为α石英，体积将聚然膨胀，其线膨胀率为1.4％，对型壳性能影响很大。硅砂性能特点（1）熔化温度1713℃；（2）酸性，化学稳定性差（容易与金属液中的氧化物和碱性氧化物起化学反应）；（3）大而不均匀的热膨胀系数，12.5×10-6/℃（在常用耐火材料中，石英的热膨胀系数最大）石英的多晶转变导致体积变化的不均匀性，影响型壳尺寸的线量变化不稳定。用石英型壳制造的铸件尺寸精度较低。石英砂（粉）的应用石英砂（粉）适用于碳钢、低合金钢、铸铁及铜合金铸件。对于高锰钢和高合金钢铸件，由于铬、镍、钛、锰、铝等合金元素在高温下易与酸性SiO2发生化学作用，造成铸件表面麻点及粘砂缺陷，故不宜应用石英材料。石英型壳的残留强度低，脱壳性好，且石英的资源丰富、价格低廉，故至今仍是国内熔模铸造生产中应用的主要制壳材料之一。石英粉尘对人体健康有害，会造成矽肺病。2、熔融石英（石英玻璃）熔融石英（石英玻璃）是用天然高纯度SiO2经电炉在高于1760℃以上温度熔融，随后快速冷却而制成的。透明石英不透明石英性能特点（1）熔化温度1713℃；（2）酸性；（3）热膨胀系数小，(0.51～0.63)×10-6/℃（几乎是所有耐火材料中最小的）；（4）优良的热震稳定性和化学稳定性。应用：熔融石英是理想的熔模铸造制型、芯的耐火材料，已被广泛用于陶瓷型芯及型壳的面层或背层用耐火材料。熔融石英型壳性能较好，但价格昂贵，在生产精密昂贵铸件时适合作为型壳。3、电熔刚玉Al2O3有许多同质异晶体，报道过的变体有10多种，但主要有3种：γ-Al2O3β-Al2O3α-Al2O31300℃以上高温几乎完全转变为α-Al2O3。自然界只存在α-Al2O3，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石。α-Al2O3为三方晶系，单位晶胞是一个尖的菱面体。结构中O2-近似于六方最紧密堆积，Al3+充填在六个O2-形成的八面体中。a）单元晶胞b）晶型结构c）[Al2O3]八面体间结合情况α-Al2O3晶体结构图天然γ-Al2O3很少有，人造γ-Al2O3是由三水铝矿（Al2O33H2O）加热至500～900℃脱水而成，称为工业氧化铝；继续加热至950～1200℃，则由脱水γ-Al2O3转变为α-Al2O3，此即为人造刚玉。电熔刚玉用工业氧化铝加碳在电弧炉内于2000～2400℃熔融后制得的结晶α-Al2O3，则称为电熔刚玉。电熔刚玉特点：（1）熔点2050℃；（2）线膨胀系数小（8.6×10-6/℃）且均匀（3）中性；（4）化学稳定性高。应用用电熔刚玉制得的型壳，其尺寸稳定性、热稳定性及高温化学稳定性均优于石英，是熔模铸造良好的耐火材料。电熔刚玉价格昂贵（约为石英砂的数十倍）、资源短缺，目前仅应用于耐热高合金钢、不锈钢和镁合金等铸件的制壳耐火材料，也可以用于制作陶瓷型芯。4、锆砂锆砂又称硅酸锆或锆英石，是天然存在的矿物材料，其分子式为ZrO2·SiO2或ZrSiO4，理论组成（质量分数）为ZrO267.3%，SiO232.77%，常含有w(HfO2)0.5%～3.0%、w(TiO2)0%～2%和微量稀土氧化物。锆英石是具有岛状结构的硅酸盐矿物，结构中的硅氧四面体[SiO4]4-孤立存在，它们之间通过Zr4+而联系起来。每一个Zr4+填塞在8个O2-之间。[SiO4]4-孤立的硅氧四面体锆英石的结构ZrO2·SiO2二元相图锆砂是ZrO2-SiO2二元系中唯一的化合物。硅酸锆在低于液相线温度下分解为ZrO2和SiO2。纯硅酸锆在1540℃开始缓慢分解，随温度升至1760℃而快速分解。其分解是可逆反应，即分解产物可重新形成硅酸锆。性能特点：（1）熔点2430℃（2）弱酸性（3）热膨胀较小而均匀（4.6×10-6/℃）（4）导热系数较大（5）热震稳定性好应用锆砂作为面层材料具有细化晶粒的作用，常用作配面层涂料及撒砂材料，多用于不锈钢等熔模铸件的生产，有利于提高铸件的表面质量及尺寸精度。锆砂较贵，目前仅用于除高合金钢外的其他高精度熔模铸件的型壳面层。5、铝-硅系耐火材料铝-硅系耐火材料是熔模铸造中应用的重要耐火材料,是以Al2O3和SiO2为基本化学组成的铝硅酸盐，在自然界蕴藏量很大。随着Al2O3含量不同可依次分为：半硅质（Al2O315%～30%，方石英＋少量莫来石）粘土质（Al2O330%～46%，方石英＋莫来石）高铝质（Al2O3＞46%，硅线石＋莫来石＋铝矾土）铝-硅系耐火材料的特点：（1）耐火度高（2）线膨胀系数比较小（3）热震稳定性和热化学稳定性都比较好（4）价格便宜Al2O3-SiO2二元相图6、莫来石莫来石亦称高铝红柱石。自然界中天然的莫来石比较罕见,主要产于苏格兰莫尔岛上。莫来石通常是人工制得的。莫来石分子式：3Al2O3·2SiO2。莫来石是具有岛状结构的硅酸盐，是SiO2-Al2O3系中唯一的稳定化合物。理论组成(质量分数)：Al2O371.8%，SiO228.2%莫来石的性能密度为3.16g/cm3；膨胀系数约为5.4×10-6/℃；熔点为1810℃；热化学稳定性好,高温抗变形能力强。莫来石是一种优良的制壳耐火材料。7、高岭石类生料高岭石是组成高岭土的主要矿物。高岭石分子式为：Al2O32SiO22H2O理论组成(质量分数)Al2O339.48％，SiO246.6％及H2O13.92％。高岭石晶体为层状构造,其单位晶胞由一层Si-O四面体和一层Al-OH-O八面体组合而成。Si-O四面体的顶端指向Al-OH-O八面体，二者依靠共用氧进行连接，整个晶胞沿a、b轴无限扩展，沿c轴重叠成层，层与层之间以氢键或分子键联系，所以结合力较弱。高岭石晶体结构示意图高岭石类生料性能特点：（1）熔融温度1750～1785℃；（2）弱酸性；（3）有较大的热膨胀系数，有相变和化学反应。高岭石在煅烧过程中的物理化学变化高岭石生料所制型壳在焙烧和浇注过程中会发生以上物理和化学反应，使型壳体积不断发生变化，造成型壳开裂，强度大幅度下降，无法生产出高精度的铸件来。一般不使用它制型壳。8、高岭石类熟料高岭石类熟料是将高岭石类生料经高温煅烧，完成上述物理化学反应，再经破碎而成的。其主要相组成为莫来石和玻璃相或有少量的方石英。相组成与原材料中的Al2O3含量、煅烧工艺等有关。高岭石熟料性能特点：（1）耐火度约1800℃（2）弱酸性（3）热膨胀系数6～8×10-61/℃（4）高温下化学稳定性良好高岭石熟料应用高岭石熟料是一种性能良好、适用于熔模铸造型壳背层的耐火材料，在国内外应用广泛。此类耐火材料有英国的莫洛卡特Molochite，美国的马来粉砂以及我国的仿M合成料、上店土等，9、铝矾土类熟料铝矾土是指Al2O3≥48％的铝-硅系耐火材料。矿物组成：高岭石和水铝石(Al2O33H2O)我国铝矾土产地分布广，以河南、贵州的质量为佳。铝矾土煅烧过程中的物理化学变化煅烧铝矾土熟料的相组成为刚玉、莫来石和玻璃相。各级铝矾土煅烧后的矿物组成性能特点：（1）耐火度约1800℃（2）弱酸性（3）热膨胀系数较小6～8×10-6/℃（4）高温下化学稳定性良好应用生料在加工过程中有一系列物理化学变化，体积变化大，因此不能作为制壳耐火材料，只有熟料被用来作为背层制壳耐火材料。用于制造浇注不锈钢和高温合金的型壳，也可取代石英砂用于制造高强度水玻璃型壳。耐火材料名称化学性能熔点（℃）密度（g/cm3）热膨胀系数（×10-7℃-1）应用硅砂酸性17132.6125精度低的碳钢、铜合金等件的型壳石英玻璃酸性17132.25陶瓷型芯，高质量（高合金钢外铸件型壳电熔刚玉两性20503.99～4.0286高精度高合金钢件型壳，面层锆砂弱酸性＜19484.5～4.946高精度（除高合金钢外）铸件型壳，面层高岭石熟料弱酸性1700～17902.4～2.650高精度件背层铝矾土（熟）弱酸性18003.1～3.550～58高精度件背层常用制壳耐火材料性能及应用1.5.3制壳粘结剂熔模铸造使用的粘结剂有三种：水基：硅溶胶和水玻璃醇基：硅酸乙酯1、硅酸胶体分散体系：是指由一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的体系。其中，被分散的物质叫分散相，分散相所处的介质叫分散介质。胶体（colloid）是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～1000nm之间。凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。硅溶胶、水玻璃是以水为载体的碱性硅酸胶体溶液，硅酸乙酯水解液是以乙醇为载体的酸性硅酸胶体溶液，它们本质上都属硅酸胶体溶液（简称硅酸溶胶）。组成它们的物质主要为硅酸（H2SiO3）和溶剂，有时也有稳定剂。1）硅酸溶胶的胶团结构硅酸胶团的胶核是由m个SiO2分子聚合而成，因胶核很小故表面积很大，具有很强的吸附性，它选择吸附SiO32-离子，在其表面形成吸附层，从而带负电，因而吸引水溶液中带相反电荷的反离子如H+离子。反离子H+分布并不集中在胶核表面。它们一方面受带电胶核的吸引有靠近胶核的趋势（形成吸附层）；另一方面由于本身的热运动有远离胶核的趋势（形成扩散层）。吸附层常与胶核是一起运动，而扩散层不随胶核运动。胶核吸附层扩散层胶粒胶团胶团结构硅酸胶团结构示意图扩散双电层由于胶粒带有电荷，分散介质带有相反电荷，在固-液界面处形成扩散双电层。电动电位ρ—表面电荷密度；Δ—双电层厚度；π—液体介电常数。4D二氧化硅粒子表面的扩散双电层及电位2、溶胶的稳定性热力学溶胶含有大量微小的固相粒子，表面自由能巨大，根