硅溶胶粘结剂与制壳工艺

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1-1,硅溶胶粘结剂及制壳工艺,中国铸造协会精密铸造分会,1-2,硅溶胶（,Colloid Silica),硅溶胶是熔模铸造常用的一种粘结剂，外观清淡乳白色或稍带乳光。它是二氧化硅胶体（溶胶），由无定形二氧化硅的微小颗粒分散在水中而形成的稳定胶体溶液，在电子显微镜下可看到胶体颗粒。参看图（一）,1-3,图（一） 硅溶胶电子显微镜照片,1-4,图（二） 二氧化硅胶粒表面的扩散双电层及电位,1-5,熔模铸造制壳用硅溶胶技术指标,熔模铸造用硅溶胶技术要求,（,HB5346-1986,）,SiO,2,%,Na,2,O%,密度,g/cm,3,PH,运动粘度,mm,2,/S,GRJ-26 24-28,0.3,1.15,1.19,9,9.5,6,GRJ-30 29-31,0.5,1.20,1.22,9,10,8,SiO,2,胶粒直径,nm,外 观,保存期,7,15,乳白色或淡青色,一年,9,20,无外来杂物,一年,1-6,硅溶胶物化参数与其性能 及涂料、型壳性能的关系,1-7,SiO,2,含量,硅溶胶中胶体含量的多少，即粘结力的强弱与型壳高温强度关系,密度,/g/Cm,3,1.16,1.31,25,40,1.16,25,1.21,30,1.27,35,1.31,40,1-8,Na,2,O,含量,PH,值,1-9,运动粘度,1-10,胶体粒子直径,2-1,硅溶胶涂料,硅溶胶涂料种类：,面层涂料,影响铸件表面质量,过渡层涂料,将面层润湿和背层粘结好,背涂料,影响型壳强度和铸件精度,2-2,硅溶胶涂料组成,面层涂料： 由耐火材料、粘结剂、润湿剂、,消泡剂等组成。,过渡层涂料：由耐火材料、粘结剂组成。,背层 涂料：由耐火材料、粘结剂、选择性,改性材料（石墨粉等）组成。,2-3,润湿剂的作用,润湿剂是一种表面活性剂，其分子一般由两种性质不同的原子基因组成：一种是非极性的亲油基因，另一种是极性的亲水基因。如聚氧乙烯烷基醇醚（,J F C,）,憎水 亲水,图（七）,2-4,润湿剂作用示意图,表面活性剂（润湿剂）有一薄层即可，用量为硅溶胶的千分之一左右。参看图（八）,表面活性剂亲油基因在熔模表面的定向排列,2-5,国内使用最多的润湿剂（表面活性剂）为,JFC,，又称渗透,EA,，全名聚氧乙稀烷基醇醚。同时还有润湿剂,TX-10,（,OP-10,）、农乳,130,、农乳,100,、还有烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等。,2-6,消泡剂,加入润湿剂后，涂料的表面强力下降了，搅拌过程中易将空气卷入形成气泡，为此，需加入消泡剂来消泡，消泡剂一般为有机添加剂，如硅树脂、醇类。,2-7,消泡剂作用使气泡表面膜被拉伸变薄而使气泡破灭（图九）,2-8,硅溶胶涂料配方,几种国内硅溶胶涂料配方,序,加,入 号,量,名 称,1,2,3,4,5,涂,料,组,成,硅溶胶,(SiO,2,)=30%/kg,12.1,12.1,10,10,10,电熔刚玉,/kg,32,36,熔融石英,/kg,17,18,锆英粉,/kg,36,40,高岭石类熟料,/kg,16,17,14,15,润湿剂,/,mL,24,24,16,消泡剂,/,mL,16,16,12,涂料密度,/(g/cm,3,),2.3,2.5,1.7,1.8,2.7,2.8,1.82,1.85,1.81,1.83,涂料粘度,/s,33,37,22,26,321,191,131,用 途,表面层,表面层,表面层,过渡层,背层,2-9,粉液比,配方中耐火材料和粘结剂（硅溶胶）的重量比称之为粉液比。它直接影响涂料及型壳的性能。应加以严格控制。,涂料粉液比高，所制型壳内表面致密，铸件表面质量好。,涂料粉液比高，所制型壳强度高，铸件精度高。,2-10,粉液比高低，取决于硅溶胶的粘度和耐火粉料的粒度及粒度级配。,图（十）,2-11,硅溶胶涂料的配制,加料顺序：,1,）硅溶胶,2,）润湿剂,3,）耐火粉料,4,）消泡剂,搅拌时间：,面层,全部新料,24h,部分新料,12h,背层,全部新料,10h,部分新料,5h,2-12,涂料配制需长时间均匀搅拌，特别新配涂料，严格控制搅拌时间，到时方可测定涂料流杯度和涂片厚度。,2-13,涂料的质量控制,流杯粘度：一定容积的涂料流尽的秒数。,国内外常用的流杯是美国的,Zahn,流杯,4,#,（,#,004,）和,5,#,（,#,005,）号杯。容积为,44ml,，出口孔径分别为：,4,#,（,#,004,）,4.27,、,5,#,（,#,005,）,5.28,，大部分采用,4,#,（,#,004,）居多。,2-14,流杯粘度测定终点的确定,2-15,涂挂试片的测试,涂料层厚度可用涂挂试片测定其重量。涂片重是采用,40mm,40mm,2mm,的不锈钢涂挂试片来测试，涂片重越大，表明涂层越厚。流杯粘度与涂片重配合使用，可以更好的反映硅溶胶涂料性能。,2-16,硅溶胶制壳工艺,清洗蜡模,硅溶胶型壳采用干燥硬化的胶凝法，其过程如下,上涂料,撒砂,干燥,2-17,模组清洗,模组清洗的目的：去除熔模上的油污,、,灰尘、蜡屑。对模组轻度刻蚀，以增加涂挂性。现在用环保型水基清洗剂如,ZF-301,、,YQA01,代替有机清洗剂：三氯乙烷、乙醇、丁酮等。,2-18,面层涂挂,面层涂挂是制壳工艺中的关键，只有面层涂挂均匀、完整、没有漏涂或涂料堆积才能获得内表面光洁、坚实的型壳内表面，并撒砂一定均匀，即使在全自制壳流水线中机械手只完成后,2,5,层，面层依然由人工控制手工涂挂。,2-19,手工浸涂,面层涂料一般流杯粘度控制在,32,45s,之间，将清洗好的模组吹干后以,30,左右角度缓慢地浸入面层涂料浆中稍作旋转，注意蜡模上的文字、凹槽、转角、小孔和盲孔，一定吹掉气泡，涂挂要均匀，必要时可用压缩空气轻轻吹拂，同时可用笔刷涂料，最好浸涂两次，一定采用淋砂机撒砂，在撒砂时一定不停的转动在模组上形成完整均匀的面层。若不能获得均匀完整的涂层要重新沾浆涂挂。,2-20,两次沾浆,两次沾浆是指模组分两次分别在不同流杯粘度的面层浆桶中沾浆。,第一次是在流杯粘度小的浆桶中沾浆，大约流杯粘度在,15,20s,。,第二次在流杯粘度在,35,40s,的大粘度桶中再次沾浆后撒砂。,2-21,喷涂加浸涂,先用喷枪把稀涂料喷在模组上，不撒砂，然后马上浸涂在正常涂料中，达到消除气泡的目的。,2-22,真空沾浆,在真空条件下进行涂挂，以达到消泡的目的。操作比较麻烦，但效果比较好。,总之，面层涂挂是制壳的关键，要根据不同结构的铸件，进行适当的调整。,2-23,对于深孔及盲孔的面层涂挂,1,、预制陶瓷型芯。,2,、涂两层涂料（撒砂）后，用砂灌满 后堵孔作假芯。,2-24,过渡层涂挂,把面层干燥好的模组吹去浮砂，浸入预湿剂中，停留不超过,2,秒取出，滴净预湿剂在约,3,5,秒，以,30,浸入过渡层涂料桶中进行沾浆，也建议采用淋砂机，过渡层也一定均匀，特别是槽、孔、凹字和转角涂料易堆积部分，一定吹均匀，滴净多余涂料后迅速淋砂。,2-25,背层涂挂,把过渡层干燥好的模组吹去浮砂，浸入背层浆桶中，浸涂时间以消泡为限，拿出来滴去多余涂料，模组表面基本上没有气泡了，说明浸渍比较好，可以用压缩空气吹去多余涂料，斜放入沸砂桶中，待浇口杯散上砂后可以取出。,3,5,层均可重复涂挂。,2-26,半层涂挂,把干燥好的涂层达到工艺要求的模组，浸入半层浆桶中,5,秒钟，然后挂在涂料桶上方，滴尽多余涂料不撒砂叫半层涂挂，主要提高型强度，防止掉砂。,2-27,型壳涂挂后干燥,硅溶胶型壳是利用水分蒸发，使,SiO,2,胶体胶凝，随着水分蒸发,SiO,2,浓度增加，最终形成陈化凝胶，这是利用电介质、,PH,、,SiO,2,胶体浓度、温度、蒸发速度等因素使,SiO,2,胶体胶凝完成制壳工序。,2-28,制壳工艺参数,包括：,涂料种类、撒砂种类、砂子粒度；,制壳间的温度、湿度和风速；,每层干燥时间。,2-29,层数,参数,面层,二层,背层,封浆,涂料种类,面层,涂料,过渡层,涂料,背层,涂料,背层,涂料,撒砂（目）,100/120,锆砂,30/60,高岭土砂,16/30,高,岭土砂,温度,(),2226,湿度,(%),6070,4060,风速,(m/s),-,68,干燥时间,(h),46,8,12,预湿剂,浸预湿剂,-,2-30,模组涂挂过程的质量分析,三种涂料的作用：,面层涂料及撒砂保证型壳内表面质量直接影响铸件表面质量。,过渡层涂料是将面层和背层牢固的粘结好避免分层，提高型壳强度。,背层涂料制壳是保证型壳的高低温度强度，保证铸件不变形和尺寸精度。,2-31,型壳的结构,涂料的流杯粘度是由高到低,撒砂是由细到粗，是逐层渐粗,一般用三种砂,100/120,、,30/60,、,16/30,要求型壳是嵌锒结构，使型壳成为一个整体。如图,两种不同结构的型壳,2-32,影响干燥的因素：,T,、,湿度和风力,T,不变以保证铸件精度,湿度很重要,面层湿度,60,70,背层湿度,40,60,2-33,因面层的主要的矛盾是干得过快，面层型壳易开裂，造成毛刺缺陷，为防止干得过快，面层湿度要高些，,60,70%,。,背层的主要矛盾是干得过慢，生产效率低，为提高生产效率，背层湿度要低些，,40,60%,2-34,a,）,b,）,风速对型壳干燥和硅溶胶中水的蒸发影响,a,）,风速对型壳干燥的影响,b,）,风速对硅溶胶中水的蒸发影响,3-35,图介绍美国制壳间,2-36,内部,2-34,机械手,2-37,搅拌桶,3-1,快干硅溶胶,为了防止面层干燥时产生的裂纹和提高型壳整体干燥速度。研制一类新型快干硅溶胶,。如国产的,FS-1,、,FS-111,、,ZF-801,、,SKP-27,等，快干胶已成功的用在硅溶制壳工艺中，取得良好效果。福斯科中国公司研制出快干剂，加入在普通硅溶胶中，大大缩短了制壳干燥时间，同时降低了成本，使层间干燥时间缩短为,2h,左右。,3-2,快干原理,快干胶中加入高分子有机物，它本身就是一种强粘结剂，如乳胶和,PVA,等高聚物增强材料，高聚物改性硅溶胶会更早达到胶凝浓度、早期建立湿强度。,3-3,离子改性硅溶胶是用金属离子通过以碱性金属化物的形式加入碱性硅溶胶溶液中，通常用铝、锡、铅，但是多数用铝，铝,Al3,+,离子加入会发生水解反应生成,Al(OH)3,胶体,该胶体会增强硅溶胶的粘结力，有利于使型壳在下一层挂浆前建立足够的强度。,3-4,纤维增强剂,纤维增强快干硅溶胶与一般的高聚物改性硅溶胶不同，它不是靠加入聚合物，而是靠中加入不溶于的有机纤维（尼龙丝）来增强的，在涂料中加入直径约,20um,，长约,1mm,的尼龙纤维。,3-5,一种乳胶增强型快干硅溶胶,乳胶增强型快干硅溶胶是新推出的一种快干硅溶胶，常温强度优于,FS1,，与,A,相当；高温强度和残留强度均高于,A,，但是略低于,FS1,残留强度相对于,FS1,有一定改善。,乳胶增强型快干硅溶胶在高温下的烧失，被烧失的乳胶成分在型壳中留下微观孔隙，进而降低了型壳的残留强度并增加型壳的透气性。,3-6,硅溶胶对型壳尺寸的影响,宇达新型乳胶增强硅溶胶与目前得到批量使用的,FS1,型硅溶胶工艺参数相同的条件下，高温性能相当，常温强度得到提高，有利于获得优质型壳。,为满足熔模铸造的发展要求，采用快干增强型硅溶胶成为发展的必然趋势。,4-1,熔模铸造件常见缺陷和型壳的关系,一、气孔,型壳培烧温度低，保温时间不足，型壳过厚透气性不好。,二、皮下气孔,型壳内表面与金属液发生反应。,4-2,三、渣气孔,型壳焙烧不足,四、缩松,型壳温度过低，冷却速度过快,4-3,五、热裂,型壳温度低，冷却速度过快，型壳强度过高，退让性差，阻碍收缩。,六、金属刺,面层涂料粉液比低，流杯粘度低，涂料与蜡模表面润湿性差，面层砂过粗。,4-4,七、粘砂,面层涂料用耐火材料和撒砂材料杂质含量高，耐火材料及耐结剂选用不当。,4-5,八、表面麻坑,耐火材料中杂质含量过高,4-6,九、夹杂物,型壳面层干燥硬化不良，型壳涂层结合不良、面层剥落。,型壳强度低，承受不了金属液冲击。,型壳脱蜡后放置时间过短，水分多升温过快，浇口杯掉砂。,4-7,十、型壳膨胀（铸件变形）,型壳耐火材料杂质含量过高，耐火材料煅烧温度低，粘结剂高温性能差。,4-8,十一、铸件表面凹陷,型壳分层，型壳面层向内膨胀,4-9,十二、铸瘤,面层涂料中气泡未被排除，涂挂时蜡模拐角处、沟槽处、铸字处有气体夹杂在涂料中。,4-10,十三、鼠尾,面层热膨胀系数大，而背层热膨胀系数小，在焙烧加热过程中面层翘起。面层和背层结合不牢。,4-11,十四、变形,型壳在高温浇注时，高温强度低而导致铸件变形。,对熔模铸造型壳的性能基本要求,5-1,型壳强度,强度是型壳最主要、最基本的要求,1,）常温强度；,2,）高温强度；,3,）残留强度,性能良好的优质型壳应具有较高的常温强度，适当的高温强度和较低的残留强度。,5-2,型壳的高温透气性,型壳的热膨胀性，是型壳的重要指标，热膨胀要小。,5-3,导热性,型壳的导热性要好，有利补缩、晶粒细化。,热振稳定性好、抗高温钢水冲击。,5-4,热化学稳定性好,脱壳性好,6-1,硅溶胶型壳小结,硅溶胶是一种典型的硅溶胶体溶液；,硅溶胶的性能指标：,SiO,2,%,、,Na,2,O%,、,PH,、密度、运动粘度、胶体粒径；,硅溶胶涂料分三种：面层、过渡层、背层；,面层涂料中必须加润湿剂、消泡剂。,6-2,硅溶胶型壳小结,硅溶胶制壳工艺简单，每层为：上涂料、撒砂、干燥；,硅溶胶型壳通过水分蒸发，,SiO,2,溶胶浓度增加、而胶凝。因此，干燥是影响型壳质量的重要环节；,影响硅溶胶型壳干燥的因素有：温度、湿度、风力，需严格控制。,6-3,硅溶胶型壳小结,现在国内对温度控制严格，对风力影响尚重视不够。,快干硅溶胶可以防止面层型壳开裂，避免铸件产生毛刺：可加快制壳速度。,硅溶胶型壳制壳工艺为绿色型壳制壳工艺应加以推广。,7-1,历届精密铸造年会关于硅溶胶工艺方面的文章,7-2,第七届年会,1),硅溶胶粘度性能初探,上虞市宇达化工有限公司 章浩龙等,2),硅溶胶在熔模铸造中的应用,北京航空材料研究院 肖 先,3),熔模铸造硅溶胶特性及制壳品质控制,4),浅谈硅溶胶在精密铸造中的应用,北京航空材料研究院 宋晓辉,7-3,第八届年会,5),对硅溶胶型壳的几点认识,如何制作优质硅溶胶型壳,许云祥 鲁 蕊 李 磊,6,）新型快干硅溶胶及其制壳工艺研究,吕志刚 闫双景 姜不居 章浩龙 赵雅琴,7,）,SKP-27,型快干硅溶胶在高精密熔模铸造中的应用,宋建伟 徐忠礼 王国顺,7-4,第九届年会,8,）,FS,系列增强快干硅溶胶,吕志刚 闫双景 章浩龙,9,）铸件毛刺缺陷和快干硅溶胶,10,）,ZF-801,型增强快干硅溶胶 吴仁智,7-5,第十届年会,11,）精铸硅溶胶型壳耐火材料合理选用,籍君豪 彦 宏,12,）快干增强硅溶胶的研究进展,田培风 吕志刚 章浩龙,13,）硅溶胶涂料的管理,张 平 苏 健 蔺海峰,14,）精铸硅溶胶型壳质量的生产现场控制,籍君豪,