制殼用原材料及粘結(jié)劑

1、職業(yè)教育材料成型與控制技術(shù)專業(yè)教學資源庫職業(yè)教育材料成型與控制技術(shù)專業(yè)教學資源庫銅合金鑄件鑄造技術(shù)課程教案制殼用原材料及粘結(jié)劑制作人：楊兵兵陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院制殼用原材料及粘結(jié)劑一、制殼用原材料1.原材料分類熔模精鑄在型殼制造過程中所用的原材料有耐火材料、黏結(jié)劑、添加劑以及硬化劑等。2.耐火材料耐火材料的作用有三個：一是粉狀耐火材料，它與黏結(jié)劑混合配制成耐火涂料；二是粒狀耐火材料，僅供撒砂用，以增加型殼的強度、厚度和透氣性；三是用作制造陶瓷型芯或水玻璃型芯的原材料。目前熔模鑄造中所用的耐火材料主要為石英和剛玉，以及由二氧化硅（SiO2）和三氧化二鋁（Al2O3）不同含量所組成的硅酸鋁耐火材料

2、，如耐火粘土、鋁礬土、焦寶石、匣缽砂等，有時也用鋯英石（ZrO2SiO2）、鎂砂等。3.粘結(jié)劑粘結(jié)劑的作用主要是將粉狀和粒狀耐火材料牢固地粘接在一起，使型殼具有足夠的強度。常用的粘結(jié)劑分3類, 第一類酸性粘結(jié)劑,這類粘結(jié)劑有水玻璃、硅溶膠和硅酸已酯水解液。他們的共同特點是最終生成酸性氧化物二氧化硅（SiO2），即硅酸溶膠。而這種硅酸溶膠經(jīng)過脫水能變成硅酸凝膠，再經(jīng)高溫焙燒后，凝膠進一步脫水凝聚而生成能耐高溫的硅氧鍵結(jié)構(gòu)，使型殼具有高溫強度。第二類,中性粘結(jié)劑, 這類粘結(jié)劑主要指鋁、鉻、鋯等金屬鹽類，如堿式硝酸鋁Al(OH)2NO3、堿式氯化鋁Al(OH)2Cl、堿式硝酸鉻Cr（OH)2NO3等

3、。其特點是，這些鹽在高溫下最后將生成中性氧化物，如三氧化二鋁（Al2O3）、三氧化二鉻（Cr2O3）、氧化鋯（Zr2O3）等，適于用來配涂料生產(chǎn)鈦合金鑄件。第三類,堿性粘結(jié)劑，如硝酸鈣Ca(NO3)2、磷酸鈣Ca3（PO4)2、磷酸鎂Mg3(PO4)2等，它們在高溫下最后生成堿性氧化物如氧化鎂MgO、氧化鈣CaO等。4.添加劑及硬化劑添加劑的作用是為了提高涂料的涂掛性以及硬化時的滲透性。如表面活性劑、消泡劑等。硬化劑的作用，對水玻璃黏結(jié)劑型殼而言，主要是使硅酸溶膠在它的作用下轉(zhuǎn)變成凝膠，將涂料層中耐火材料顆粒粘接起來，使型殼具有一定的強度。常用的硬化劑有氯化銨、結(jié)晶氯化鋁、聚合氯化鋁、氯化鎂、

4、氯化鈣等。二、制殼用粘結(jié)劑分類用于制殼的粘結(jié)劑,按其最后生成氧化物的化學性質(zhì)可分為三類。1.酸性的這類粘結(jié)劑有水玻璃、硅溶膠和硅酸已酯水解液。他們的共同特點是最終生成酸性氧化物SiO2，即硅酸溶膠。而這種硅酸溶膠經(jīng)過脫水能變成硅酸凝膠，再經(jīng)高溫焙燒后，凝膠進一步脫水凝聚而生成能耐高溫的硅氧鍵結(jié)構(gòu)，使型殼具有高溫強度。但這類粘結(jié)劑主要用于碳素鋼、銅和鋁合金鑄件，如果澆注鈦鉻合金及高合金的鉻鋼，錳鋼時，就會在鑄件上形成化學粘砂和“麻點”。2.中性的這類粘結(jié)劑主要指鋁、鉻、鋯等金屬鹽類，如堿式硝酸鋁Al(OH)2NO3、堿式氯化鋁Al(OH)2Cl、堿式硝酸鉻Cr（OH)2NO3等。其特點是，這些鹽

5、在高溫下最后將生成中性氧化物，如Al2O3、Cr2O3、Zr2O3等，適于用來配涂料生產(chǎn)鈦合金鑄件。3.堿性粘結(jié)劑如Ca(NO3)2、Ca3（PO4)2、Mg3(PO4)2等，它們在高溫下最后生成堿性氧化物MgO、CaO等。上述氧化物，都能形成膠體，起粘結(jié)作用。中性、堿性粘結(jié)劑所生成的氧化物，耐熱性比酸性的高，但是，堿性和中性粘結(jié)劑由于原材料及工藝等方面的困難，故目前尚未普遍使用。三、常用粘結(jié)劑1.常用的三種粘結(jié)劑 酒精基：硅酸乙酯水基：硅溶膠、水玻璃 這三種粘結(jié)劑起粘結(jié)作用的實質(zhì)上都是SiO2膠體，因此它們都屬于硅酸膠體。利用歷史最長的是硅酸乙酯，上世紀六十年代開始使用水基硅溶膠 ，硅酸乙酯

6、和硅溶膠都是優(yōu)質(zhì)的粘結(jié)劑。此外在我國和俄國使用水玻璃做粘結(jié)劑，其質(zhì)量較差。2發(fā)展趨勢 國際上一般都使用硅酸乙酯和硅溶膠，很少使用水玻璃，在環(huán)保要求越來越嚴格的今天，硅酸乙酯由于其酒精的揮發(fā)對環(huán)境造成污染使用也在下降，水基的硅溶膠是環(huán)保型粘結(jié)劑應用越來越多。3硅酸膠體的三種狀態(tài)（見圖1）圖1 凍膠強度低，凝膠中溶膠揮發(fā)強度高（1）由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z的過程被稱為膠凝的過程。（2）涂料中粘結(jié)劑為溶膠狀態(tài)。（3）制殼過程為膠體膠凝的過程，是一個復雜的物化轉(zhuǎn)變的過程。（4）為得到優(yōu)質(zhì)的型殼，并希望它有很高的生產(chǎn)力，就需要了解膠體膠凝過程，以及其影響因素。4.膠體結(jié)構(gòu)（1）膠體顆粒是一個個很小的小圓球，每一

7、顆膠粒的核心都是由N個SiO2分子組成（見圖2）。（2）由于核很小它具有很好的吸附性，它首先吸附和它結(jié)構(gòu)相同的硅酸根粒子從而膠核帶上了負電，于是就能吸附正粒子，在膠核的外面組成了雙電層結(jié)構(gòu)（見圖3）。（3）吸附比較牢固的是離核近的正離子，當膠核運動的時候他們就跟核一起運動，我們稱這一層為固定層。（4）離膠核比較遠的正離子，由于吸附力比較弱，它們不跟核一起運動，我們稱這一層為擴散層。 （5）膠凝過程實質(zhì)上是膠體顆粒合并的過程。膠粒合并：動力分子運動、顆粒碰撞合并，從小分子變成大分子。阻力膠粒都帶負電，同電相斥。圖2 膠體電子顯微鏡放大十萬被照片 圖3 二氧化硅粒子表面的擴散雙電層及電位 四、石英材料對制殼工藝的要求1.石英在熔模鑄造中的應用石英，即二氧化硅(Si02)，是耐火氧化物中產(chǎn)量最大的礦物，也是現(xiàn)今熔模精鑄生產(chǎn)中應用廣泛的耐火材料。因天然石英砂中含有較多的雜質(zhì)，熔模鑄造時不宜用它作耐火材料，故只能用人造石英。2.石英的結(jié)構(gòu)石英(Si02)是兼有離子鍵和共價鍵結(jié)合的氧化物，所以它是一種具有復雜同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)化的物質(zhì)；在自然界中出現(xiàn)的石英大多是低溫型的，主要以石英存在。因此，當用它制型殼而加熱至573時，則由石英轉(zhuǎn)變?yōu)閍石英，將隨多晶轉(zhuǎn)化而引起體積劇烈膨脹，線膨脹量可達1.4。3.熔模鑄造對石英的工藝要求在熔模鑄造生產(chǎn)中，用作配制涂料