硅溶膠粘結(jié)劑與制殼工藝【研究特選】

1、1-1 硅溶膠粘結(jié)劑及制殼工藝,中國鑄造協(xié)會精密鑄造分會,1,行業(yè)實(shí)操,1-2 硅溶膠（Colloid Silica),硅溶膠是熔模鑄造常用的一種粘結(jié)劑，外觀清淡乳白色或稍帶乳光。它是二氧化硅膠體（溶膠），由無定形二氧化硅的微小顆粒分散在水中而形成的穩(wěn)定膠體溶液，在電子顯微鏡下可看到膠體顆粒。參看圖（一）,2,行業(yè)實(shí)操,1-3 圖（一） 硅溶膠電子顯微鏡照片,3,行業(yè)實(shí)操,1-4 圖（二） 二氧化硅膠粒表面的擴(kuò)散雙電層及電位,4,行業(yè)實(shí)操,1-5 熔模鑄造制殼用硅溶膠技術(shù)指標(biāo),熔模鑄造用硅溶膠技術(shù)要求（HB5346-1986）,5,行業(yè)實(shí)操,1-6 硅溶膠物化參數(shù)與其性能 及涂料、型殼性能的關(guān)

2、系,6,行業(yè)實(shí)操,1-7 SiO2含量,硅溶膠中膠體含量的多少，即粘結(jié)力的強(qiáng)弱與型殼高溫強(qiáng)度關(guān)系,密度/g/Cm3 1.161.31 2540,1.1625 1.2130 1.2735 1.3140,7,行業(yè)實(shí)操,1-8 Na2O含量 PH值,8,行業(yè)實(shí)操,1-9 運(yùn)動粘度,9,行業(yè)實(shí)操,1-10 膠體粒子直徑,10,行業(yè)實(shí)操,2-1 硅溶膠涂料,硅溶膠涂料種類： 面層涂料影響鑄件表面質(zhì)量 過渡層涂料將面層潤濕和背層粘結(jié)好 背涂料影響型殼強(qiáng)度和鑄件精度,11,行業(yè)實(shí)操,2-2 硅溶膠涂料組成,面層涂料： 由耐火材料、粘結(jié)劑、潤濕劑、 消泡劑等組成。 過渡層涂料：由耐火材料、粘結(jié)劑組成。 背層

3、涂料：由耐火材料、粘結(jié)劑、選擇性 改性材料（石墨粉等）組成。,12,行業(yè)實(shí)操,2-3 潤濕劑的作用,潤濕劑是一種表面活性劑，其分子一般由兩種性質(zhì)不同的原子基因組成：一種是非極性的親油基因，另一種是極性的親水基因。如聚氧乙烯烷基醇醚（J F C） 憎水 親水 圖（七）,13,行業(yè)實(shí)操,2-4 潤濕劑作用示意圖,表面活性劑（潤濕劑）有一薄層即可，用量為硅溶膠的千分之一左右。參看圖（八） 表面活性劑親油基因在熔模表面的定向排列,14,行業(yè)實(shí)操,2-5,國內(nèi)使用最多的潤濕劑（表面活性劑）為JFC，又稱滲透EA，全名聚氧乙稀烷基醇醚。同時(shí)還有潤濕劑TX-10（OP-10）、農(nóng)乳130、農(nóng)乳100、還有烷

4、基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉等。,15,行業(yè)實(shí)操,2-6 消泡劑,加入潤濕劑后，涂料的表面強(qiáng)力下降了，攪拌過程中易將空氣卷入形成氣泡，為此，需加入消泡劑來消泡，消泡劑一般為有機(jī)添加劑，如硅樹脂、醇類。,16,行業(yè)實(shí)操,2-7,消泡劑作用使氣泡表面膜被拉伸變薄而使氣泡破滅（圖九）,17,行業(yè)實(shí)操,2-8 硅溶膠涂料配方,幾種國內(nèi)硅溶膠涂料配方,18,行業(yè)實(shí)操,2-9 粉液比,配方中耐火材料和粘結(jié)劑（硅溶膠）的重量比稱之為粉液比。它直接影響涂料及型殼的性能。應(yīng)加以嚴(yán)格控制。 涂料粉液比高，所制型殼內(nèi)表面致密，鑄件表面質(zhì)量好。 涂料粉液比高，所制型殼強(qiáng)度高，鑄件精度高。,19,行業(yè)實(shí)操,2-10 粉液

5、比高低，取決于硅溶膠的粘度和耐火粉料的粒度及粒度級配。,圖（十）,20,行業(yè)實(shí)操,2-11 硅溶膠涂料的配制,加料順序：1）硅溶膠2）潤濕劑3）耐火粉料4）消泡劑 攪拌時(shí)間： 面層 全部新料24h 部分新料12h 背層 全部新料10h 部分新料5h,21,行業(yè)實(shí)操,2-12 涂料配制需長時(shí)間均勻攪拌，特別新配涂料，嚴(yán)格控制攪拌時(shí)間，到時(shí)方可測定涂料流杯度和涂片厚度。,22,行業(yè)實(shí)操,2-13 涂料的質(zhì)量控制,流杯粘度：一定容積的涂料流盡的秒數(shù)。 國內(nèi)外常用的流杯是美國的Zahn流杯4#（#004）和5#（#005）號杯。容積為44ml，出口孔徑分別為： 4#（#004）4.27、 5#（#00

6、5）5.28，大部分采用4#（#004）居多。,23,行業(yè)實(shí)操,2-14 流杯粘度測定終點(diǎn)的確定,24,行業(yè)實(shí)操,2-15 涂掛試片的測試,涂料層厚度可用涂掛試片測定其重量。涂片重是采用40mm40mm2mm的不銹鋼涂掛試片來測試，涂片重越大，表明涂層越厚。流杯粘度與涂片重配合使用，可以更好的反映硅溶膠涂料性能。,25,行業(yè)實(shí)操,2-16 硅溶膠制殼工藝,清洗蠟?zāi)?硅溶膠型殼采用干燥硬化的膠凝法，其過程如下,上涂料,撒砂,干燥,26,行業(yè)實(shí)操,2-17 模組清洗,模組清洗的目的：去除熔模上的油污、灰塵、蠟屑。對模組輕度刻蝕，以增加涂掛性?，F(xiàn)在用環(huán)保型水基清洗劑如ZF-301、YQA01代替有機(jī)

7、清洗劑：三氯乙烷、乙醇、丁酮等。,27,行業(yè)實(shí)操,2-18 面層涂掛,面層涂掛是制殼工藝中的關(guān)鍵，只有面層涂掛均勻、完整、沒有漏涂或涂料堆積才能獲得內(nèi)表面光潔、堅(jiān)實(shí)的型殼內(nèi)表面，并撒砂一定均勻，即使在全自制殼流水線中機(jī)械手只完成后25層，面層依然由人工控制手工涂掛。,28,行業(yè)實(shí)操,2-19 手工浸涂,面層涂料一般流杯粘度控制在3245s之間，將清洗好的模組吹干后以30左右角度緩慢地浸入面層涂料漿中稍作旋轉(zhuǎn)，注意蠟?zāi)Ｉ系奈淖?、凹槽、轉(zhuǎn)角、小孔和盲孔，一定吹掉氣泡，涂掛要均勻，必要時(shí)可用壓縮空氣輕輕吹拂，同時(shí)可用筆刷涂料，最好浸涂兩次，一定采用淋砂機(jī)撒砂，在撒砂時(shí)一定不停的轉(zhuǎn)動在模組上形成完整均

8、勻的面層。若不能獲得均勻完整的涂層要重新沾漿涂掛。,29,行業(yè)實(shí)操,2-20 兩次沾漿,兩次沾漿是指模組分兩次分別在不同流杯粘度的面層漿桶中沾漿。 第一次是在流杯粘度小的漿桶中沾漿，大約流杯粘度在1520s。 第二次在流杯粘度在3540s的大粘度桶中再次沾漿后撒砂。,30,行業(yè)實(shí)操,2-21 噴涂加浸涂,先用噴槍把稀涂料噴在模組上，不撒砂，然后馬上浸涂在正常涂料中，達(dá)到消除氣泡的目的。,31,行業(yè)實(shí)操,2-22 真空沾漿,在真空條件下進(jìn)行涂掛，以達(dá)到消泡的目的。操作比較麻煩，但效果比較好。 總之，面層涂掛是制殼的關(guān)鍵，要根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的鑄件，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。,32,行業(yè)實(shí)操,2-23 對于深孔及

9、盲孔的面層涂掛,1、預(yù)制陶瓷型芯。 2、涂兩層涂料（撒砂）后，用砂灌滿 后堵孔作假芯。,33,行業(yè)實(shí)操,2-24 過渡層涂掛,把面層干燥好的模組吹去浮砂，浸入預(yù)濕劑中，停留不超過2秒取出，滴凈預(yù)濕劑在約35秒，以30浸入過渡層涂料桶中進(jìn)行沾漿，也建議采用淋砂機(jī)，過渡層也一定均勻，特別是槽、孔、凹字和轉(zhuǎn)角涂料易堆積部分，一定吹均勻，滴凈多余涂料后迅速淋砂。,34,行業(yè)實(shí)操,2-25 背層涂掛,把過渡層干燥好的模組吹去浮砂，浸入背層漿桶中，浸涂時(shí)間以消泡為限，拿出來滴去多余涂料，模組表面基本上沒有氣泡了，說明浸漬比較好，可以用壓縮空氣吹去多余涂料，斜放入沸砂桶中，待澆口杯散上砂后可以取出。35層均

10、可重復(fù)涂掛。,35,行業(yè)實(shí)操,2-26 半層涂掛,把干燥好的涂層達(dá)到工藝要求的模組，浸入半層漿桶中5秒鐘，然后掛在涂料桶上方，滴盡多余涂料不撒砂叫半層涂掛，主要提高型強(qiáng)度，防止掉砂。,36,行業(yè)實(shí)操,2-27 型殼涂掛后干燥,硅溶膠型殼是利用水分蒸發(fā)，使SiO2膠體膠凝，隨著水分蒸發(fā)SiO2濃度增加，最終形成陳化凝膠，這是利用電介質(zhì)、PH、 SiO2膠體濃度、溫度、蒸發(fā)速度等因素使SiO2膠體膠凝完成制殼工序。,37,行業(yè)實(shí)操,2-28 制殼工藝參數(shù),包括：涂料種類、撒砂種類、砂子粒度； 制殼間的溫度、濕度和風(fēng)速； 每層干燥時(shí)間。,38,行業(yè)實(shí)操,2-29,39,行業(yè)實(shí)操,2-30 模組涂掛過

11、程的質(zhì)量分析,三種涂料的作用： 面層涂料及撒砂保證型殼內(nèi)表面質(zhì)量直接影響鑄件表面質(zhì)量。 過渡層涂料是將面層和背層牢固的粘結(jié)好避免分層，提高型殼強(qiáng)度。 背層涂料制殼是保證型殼的高低溫度強(qiáng)度，保證鑄件不變形和尺寸精度。,40,行業(yè)實(shí)操,2-31 型殼的結(jié)構(gòu),涂料的流杯粘度是由高到低 撒砂是由細(xì)到粗，是逐層漸粗 一般用三種砂100/120、30/60、16/30 要求型殼是嵌鋃結(jié)構(gòu)，使型殼成為一個(gè)整體。如圖,兩種不同結(jié)構(gòu)的型殼,41,行業(yè)實(shí)操,2-32, 影響干燥的因素：T、濕度和風(fēng)力,T不變以保證鑄件精度 濕度很重要 面層濕度 6070 背層濕度 4060,42,行業(yè)實(shí)操,2-33,因面層的主要的

12、矛盾是干得過快，面層型殼易開裂，造成毛刺缺陷，為防止干得過快，面層濕度要高些，6070%。 背層的主要矛盾是干得過慢，生產(chǎn)效率低，為提高生產(chǎn)效率，背層濕度要低些，4060%,43,行業(yè)實(shí)操,2-34,a ） b） 風(fēng)速對型殼干燥和硅溶膠中水的蒸發(fā)影響a ）風(fēng)速對型殼干燥的影響 b）風(fēng)速對硅溶膠中水的蒸發(fā)影響,44,行業(yè)實(shí)操,3-35 圖介紹美國制殼間,45,行業(yè)實(shí)操,46,行業(yè)實(shí)操,47,行業(yè)實(shí)操,2-36 內(nèi)部,48,行業(yè)實(shí)操,49,行業(yè)實(shí)操,50,行業(yè)實(shí)操,51,行業(yè)實(shí)操,2-34 機(jī)械手,52,行業(yè)實(shí)操,2-37 攪拌桶,53,行業(yè)實(shí)操,3-1 快干硅溶膠,為了防止面層干燥時(shí)產(chǎn)生的裂紋和

13、提高型殼整體干燥速度。研制一類新型快干硅溶膠。如國產(chǎn)的FS-1、FS-111、ZF-801、SKP-27等，快干膠已成功的用在硅溶制殼工藝中，取得良好效果。福斯科中國公司研制出快干劑，加入在普通硅溶膠中，大大縮短了制殼干燥時(shí)間，同時(shí)降低了成本，使層間干燥時(shí)間縮短為2h左右。,54,行業(yè)實(shí)操,3-2 快干原理,快干膠中加入高分子有機(jī)物，它本身就是一種強(qiáng)粘結(jié)劑，如乳膠和PVA等高聚物增強(qiáng)材料，高聚物改性硅溶膠會更早達(dá)到膠凝濃度、早期建立濕強(qiáng)度。,55,行業(yè)實(shí)操,3-3,離子改性硅溶膠是用金屬離子通過以堿性金屬化物的形式加入堿性硅溶膠溶液中，通常用鋁、錫、鉛，但是多數(shù)用鋁，鋁Al3+離子加入會發(fā)生水

14、解反應(yīng)生成Al(OH)3膠體,該膠體會增強(qiáng)硅溶膠的粘結(jié)力，有利于使型殼在下一層掛漿前建立足夠的強(qiáng)度。,56,行業(yè)實(shí)操,3-4 纖維增強(qiáng)劑,纖維增強(qiáng)快干硅溶膠與一般的高聚物改性硅溶膠不同，它不是靠加入聚合物，而是靠中加入不溶于的有機(jī)纖維（尼龍絲）來增強(qiáng)的，在涂料中加入直徑約20um，長約1mm的尼龍纖維。,57,行業(yè)實(shí)操,3-5 一種乳膠增強(qiáng)型快干硅溶膠,乳膠增強(qiáng)型快干硅溶膠是新推出的一種快干硅溶膠，常溫強(qiáng)度優(yōu)于FS1，與A相當(dāng)；高溫強(qiáng)度和殘留強(qiáng)度均高于A，但是略低于FS1殘留強(qiáng)度相對于FS1有一定改善。 乳膠增強(qiáng)型快干硅溶膠在高溫下的燒失，被燒失的乳膠成分在型殼中留下微觀孔隙，進(jìn)而降低了型殼的

15、殘留強(qiáng)度并增加型殼的透氣性。,58,行業(yè)實(shí)操,3-6 硅溶膠對型殼尺寸的影響,宇達(dá)新型乳膠增強(qiáng)硅溶膠與目前得到批量使用的FS1型硅溶膠工藝參數(shù)相同的條件下，高溫性能相當(dāng)，常溫強(qiáng)度得到提高，有利于獲得優(yōu)質(zhì)型殼。 為滿足熔模鑄造的發(fā)展要求，采用快干增強(qiáng)型硅溶膠成為發(fā)展的必然趨勢。,59,行業(yè)實(shí)操,4-1 熔模鑄造件常見缺陷和型殼的關(guān)系,一、氣孔 型殼培燒溫度低，保溫時(shí)間不足，型殼過厚透氣性不好。 二、皮下氣孔 型殼內(nèi)表面與金屬液發(fā)生反應(yīng)。,60,行業(yè)實(shí)操,4-2,三、渣氣孔 型殼焙燒不足 四、縮松 型殼溫度過低，冷卻速度過快,61,行業(yè)實(shí)操,4-3,五、熱裂 型殼溫度低，冷卻速度過快，型殼強(qiáng)度過高

16、，退讓性差，阻礙收縮。 六、金屬刺 面層涂料粉液比低，流杯粘度低，涂料與蠟?zāi)１砻鏉櫇裥圆?，面層砂過粗。,62,行業(yè)實(shí)操,4-4,七、粘砂 面層涂料用耐火材料和撒砂材料雜質(zhì)含量高，耐火材料及耐結(jié)劑選用不當(dāng)。,63,行業(yè)實(shí)操,4-5,八、表面麻坑 耐火材料中雜質(zhì)含量過高,64,行業(yè)實(shí)操,4-6,九、夾雜物 型殼面層干燥硬化不良，型殼涂層結(jié)合不良、面層剝落。 型殼強(qiáng)度低，承受不了金屬液沖擊。 型殼脫蠟后放置時(shí)間過短，水分多升溫過快，澆口杯掉砂。,65,行業(yè)實(shí)操,4-7,十、型殼膨脹（鑄件變形） 型殼耐火材料雜質(zhì)含量過高，耐火材料煅燒溫度低，粘結(jié)劑高溫性能差。,66,行業(yè)實(shí)操,4-8,十一、鑄件表面凹

17、陷 型殼分層，型殼面層向內(nèi)膨脹,67,行業(yè)實(shí)操,4-9,十二、鑄瘤 面層涂料中氣泡未被排除，涂掛時(shí)蠟?zāi)９战翘?、溝槽處、鑄字處有氣體夾雜在涂料中。,68,行業(yè)實(shí)操,4-10,十三、鼠尾 面層熱膨脹系數(shù)大，而背層熱膨脹系數(shù)小，在焙燒加熱過程中面層翹起。面層和背層結(jié)合不牢。,69,行業(yè)實(shí)操,4-11,十四、變形 型殼在高溫澆注時(shí)，高溫強(qiáng)度低而導(dǎo)致鑄件變形。,70,行業(yè)實(shí)操,對熔模鑄造型殼的性能基本要求,71,行業(yè)實(shí)操,5-1,型殼強(qiáng)度 強(qiáng)度是型殼最主要、最基本的要求 1）常溫強(qiáng)度；2）高溫強(qiáng)度；3）殘留強(qiáng)度 性能良好的優(yōu)質(zhì)型殼應(yīng)具有較高的常溫強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)母邷貜?qiáng)度和較低的殘留強(qiáng)度。,72,行業(yè)實(shí)操,5

18、-2,型殼的高溫透氣性 型殼的熱膨脹性，是型殼的重要指標(biāo)，熱膨脹要小。,73,行業(yè)實(shí)操,5-3,導(dǎo)熱性 型殼的導(dǎo)熱性要好，有利補(bǔ)縮、晶粒細(xì)化。 熱振穩(wěn)定性好、抗高溫鋼水沖擊。,74,行業(yè)實(shí)操,5-4,熱化學(xué)穩(wěn)定性好 脫殼性好,75,行業(yè)實(shí)操,6-1 硅溶膠型殼小結(jié),硅溶膠是一種典型的硅溶膠體溶液； 硅溶膠的性能指標(biāo)：SiO2%、Na2O%、PH、密度、運(yùn)動粘度、膠體粒徑； 硅溶膠涂料分三種：面層、過渡層、背層； 面層涂料中必須加潤濕劑、消泡劑。,76,行業(yè)實(shí)操,6-2 硅溶膠型殼小結(jié),硅溶膠制殼工藝簡單，每層為：上涂料、撒砂、干燥； 硅溶膠型殼通過水分蒸發(fā)， SiO2溶膠濃度增加、而膠凝。因此，干燥是影響型殼質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)； 影響硅溶膠型殼干燥的因素有：溫度、濕度、風(fēng)力，需嚴(yán)格控制。