熔融石英的性能特點(diǎn)和使用1

1、熔融石英的性能特點(diǎn)和使用一、熔融石英的性能特點(diǎn)和使用熔融石英材料在精鑄型殼的使用上國外發(fā)達(dá)國家如美國的使用量和日本的使用量不斷地逐年增加，特別是在硅溶膠型殼的面層方面有了很有經(jīng)驗(yàn)的效果，在同培英材料的使用和價(jià)格比上有了較大突破，是目前較為理想的工程應(yīng)用材料。熔融石英是用天然高純度二氧化硅經(jīng)電爐在高于1760c以上溫度熔融，隨后快速冷卻而制得的。此過程將晶型SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷偷牟Ａ垠w。熔融石英熔化溫度約1713C,導(dǎo)熱系數(shù)低，熱膨脹系數(shù)幾乎是所有耐火材料中最小的，因而它具有極高的熱震穩(wěn)定性。所以，在焙燒和澆注過程中熔融石英型殼很少因溫度劇變而破裂，是理想的熔模鑄造制型的耐火材料，可作為面層或

2、背層涂料用的耐火材料，以及撒砂材料。熔融石英會(huì)部分或全面提高型殼性能。熔融石英熱膨脹系數(shù)小，有利于防止型殼在脫蠟和焙燒過程中開裂、變形，利于確保鑄件尺寸穩(wěn)定。熔融石英純凈度高，所配涂料穩(wěn)定性好；型殼高溫抗蠕變能力提高。熔融石英溫度較低時(shí)的導(dǎo)熱性較差，熱容量小，僅為培砂的一半，大多數(shù)金屬液對(duì)它的潤濕性較差，使得金屬凝固層與型殼內(nèi)表面間易產(chǎn)生間隙，熱導(dǎo)率進(jìn)一步減小，有利于壁薄鑄件充型。在高溫下熔融石英的透明度高，能通過輻射傳熱，使其導(dǎo)熱能力超過硅酸鋁類殼。而使鑄件冷卻較快，更易獲得健全鑄件。鑄件冷卻時(shí)方石英又從高溫型轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏匦?，同時(shí)體積產(chǎn)生驟變，使型殼由現(xiàn)無數(shù)裂紋，強(qiáng)度劇降，有利于脫殼進(jìn)行。熔融

3、石英為酸性，能采用堿煮、堿爆等化學(xué)清砂方法去除型殼。熔模鑄造用熔融石英，其中SiO2所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)為99.5%,配涂料用的粉料最好是270目或320目細(xì)粉占50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）,200目和120目粉各占25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。耐火材料化學(xué)組成化學(xué)性質(zhì)熔點(diǎn)/C莫氏硬度密度/(g/cm3)膨脹系數(shù)/X10-71/C熱導(dǎo)率/W/(m2.k)浸出性比較顏色熔融石英SiO2酸性171372.251.951在熱濃堿和氨酸條件下有良好的可溶性白色電熔剛玉AI2Q兩性203093.994.08612.560在熱堿條件下反應(yīng)很差白色莫來石3AI2Q-2SiO2兩性2030672.72.9541.214在熱堿條件下有

4、輕微反應(yīng)灰色到棕黃色高嶺石熟料弱酸性1700179052.42.650-在熱堿條件下有輕微反應(yīng)灰色到棕黃色錯(cuò)砂ZrSiO4弱酸性<1948784.54.9462.094在熱堿條件卜有中等反應(yīng)白色到棕黃色氧化錯(cuò)ZriO2堿性2600785.760-為0c1200C間的膨脹系數(shù)平均值。400c的熱導(dǎo)率1200c熱導(dǎo)率。熔融石英及制品有三大特點(diǎn)：在所有耐火材料中，線膨脹系數(shù)最?。ㄔ?000c的熱脹率0.05）;熱導(dǎo)率最低，在1000c熱導(dǎo)率0.836W/（mK）（0.02cal/cmsC）;抗熱震性最好（在1200c水冷的抗震性），10次都不產(chǎn)生裂紋。二、熔融石英涂料配制使用操作工藝（一）本操

5、作工藝適用于硅溶膠，制殼的表面層或過渡層。（二）本工藝使用的硅溶膠同培英粉涂料即SQ230%（三）本工藝操作中的潤濕劑，消泡劑同培英粉涂料。（四）本操作中使用的流杯粘度計(jì)為詹氏（Zahn）5#杯，出口孔徑為5.28mmi（五）涂料配制：1、熔融石英粉的配制，320目（網(wǎng)號(hào)：0.044）275目（網(wǎng)號(hào)：0.052）200目（網(wǎng)號(hào)：0.076）120目（網(wǎng)號(hào)：0.125）熔融石英粉中的SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%以上。其中：320目占50%200目占25%120目占25%百分?jǐn)?shù)的計(jì)算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即重量比例。2、涂料粘度為5060秒，嚴(yán)格控制不得低于50秒，60秒時(shí)是最佳粘度。它可獲得最好的表面光

6、潔度鑄件；用于生產(chǎn)碳鋼或430系列時(shí)粘度可以降到40秒。（六）桂砂：1、用熔融石英砂80100目（50100目）50%用剛玉砂80目，50%2、用熔融石英砂80100目（50100目）100%（50100目）3、用剛玉砂80目100%以上3種桂砂都可以采用，只是鑄件根據(jù)的不同，結(jié)合表面質(zhì)量在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)操作。（七）注意事項(xiàng)：1、涂料配制嚴(yán)格控制比例，不得有隨意性，嚴(yán)格現(xiàn)場(chǎng)的操作跟蹤。流杯粘度測(cè)量要準(zhǔn)確，每次做面層前必須測(cè)量粘度。2、需要做二層面層時(shí)，第二次即過渡層時(shí)，涂料粘度為2836秒。3、表面制殼技術(shù)是認(rèn)真、細(xì)致的操作技術(shù)，要保證涂料厚度均勻一致，否則會(huì)生產(chǎn)由有滲透性或麻點(diǎn)的鑄件。桂砂重力

7、相對(duì)一致均勻，面面俱到。4、熔融石英濕膜情況下的面層在不同粘度下的厚度為：50秒粘度為0.2mm,40秒粘度為0.18mm,30秒粘度為0.15mm,20秒粘度為0.12mni5、熔融石英砂：50100目為國家標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)號(hào)的0.3250.15號(hào)，篩孔尺寸為ASTME11-70的0.30.15mni6、第二層的桂砂可同原皓英粉面層工藝時(shí)的操作一致，也可用3050目（篩孔尺寸0.60.3mm）的熔融石英砂三、熔融石英制殼耐火材料新秀熔融石英在精鑄中應(yīng)用雖然已有相當(dāng)長的歷史，但以往主要用作陶瓷型芯，用作型殼則主要用于面層，背層很少使用。這種狀況近10年來在美、歐各國有很大改變。2001年美國著名耐火材料

8、生產(chǎn)廠商Minco公司，公布了對(duì)美國熔模鑄造企業(yè)制殼耐火材料使用現(xiàn)狀的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，各種耐火材料消耗量所占比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）大致如下：鋁-硅系耐火材料55%熔融石英30%剛玉9%結(jié)石6%可見在美國精鑄業(yè)中，熔融石英異軍突起，現(xiàn)已是僅次于鋁-硅系材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過結(jié)石等其他耐火材料，迅速成為制殼耐火材料的新秀。1、熔融石英與鋁-硅系材料的比較2000年MincoInc.在美國第48屆精鑄年會(huì)和INCAST雜志2001年第3期上發(fā)表論文，對(duì)熔融石英和鋁-硅系耐火材料進(jìn)行了全面的分析對(duì)比。1.1 型殼質(zhì)量熔融石英密度為2.2g/cm3,鋁-硅系材料為2.7g/cm故同樣厚度型殼，前者質(zhì)量明顯小于后者，有利

9、于減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和機(jī)械手操作。1.2 熱膨脹率圖1和圖2所示分別為脫蠟和焙燒過程中，這2種材料熱膨脹率的比較。熱膨脹系數(shù)小是熔融石英的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，有利于減小加熱時(shí)型殼內(nèi)外因溫度差造成的熱應(yīng)力，因而有利于防止脫蠟和焙燒過程中型殼開裂和變形。同時(shí)，對(duì)提高鑄件尺寸精度也甚為有利。所以，鑄造尺寸公差要求嚴(yán)格的產(chǎn)品，就更適合采用熔融石英。03876114152190228溫度a5O11O.O.5支葬髭B郭-0.640060080010001200溫度（保ifl2h）圖1.脫帽過程中2種材料熱膨脹率的比較642024t+*oooO0TT<喬鎏就姿圖2焙燒過程中2種材料熱膨脹率的比較1.3 力學(xué)

10、性能和透氣性表1所列為2種材料制得型殼的力學(xué)性能和透氣性比較，結(jié)果顯示，濕強(qiáng)度（抗彎強(qiáng)度）和斷裂韌度，熔融石英型殼稍低于鋁-硅系型殼，但透氣性卻遠(yuǎn)高于鋁-硅系型殼表1熔融石英和鋁硅系材料型殼性能比較型殼材料熔融石英粉+30#/50#熔融石英砂莫萊卡特粉+16#/30#莫萊卡特砂熔融石英粉+16#/30#莫萊卡特砂試樣厚度/mm7.407.247.90孔隙率/%24.623.224.0斷裂載荷/N23.020.920.3室溫抗彎強(qiáng)度/MPa3.984.113.37斷裂韌度/MPa500952994223斷裂指數(shù)0.01670.01660.0155透氣性/(10-10cn2)18.38.618.2

11、1.4高溫抗蠕變能力o石英T. 2T -2.54 1/,' Y當(dāng)采用熔融石英撒砂代替鋁-硅系材料時(shí)型殼高溫抗蠕變能力提高（見圖3）熔融石英在高溫下（約1200C）結(jié)晶化轉(zhuǎn)變可作為這種現(xiàn)象的一種解釋（見圖4）o7. 81-/-5.08：/伯-磴系材諭、1.二溫度(英菜卡特)-6.35卜-7.62Lj024時(shí)間/h圖3不同M料在高溫下變形量的比較6 4 2 0o.o.ao.800 I 000 1 200湛度/C （保溫2 h）圖4熔融石英型殼在加熱過程中的相變1.5脫殼性容易脫殼和清理是熔融石英迅速崛起的最重要原因。不同材料型殼殘留強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢娙廴谑⑿蜌埩魪?qiáng)度大大低于鋁-硅

12、系材料。這是因?yàn)槿廴谑⒋蠹s在1200c高溫下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?。?shí)踐證明，在澆注溫度下，型殼中大約有70%§融石英轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?。?dāng)型殼溫度下降至300c左右，方石英又由高溫型轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏匦?，同時(shí)體積驟變（見圖4）無數(shù)裂紋隨之產(chǎn)生，型殼強(qiáng)度劇降，于是，脫殼性大為改善。止匕外，對(duì)于全鋁-硅系型殼來說，如采用堿煮、堿爆等化學(xué)清理方法，堿溶液只能溶解粘結(jié)劑中的二氧化硅，對(duì)耐火粉、粒料卻無能為力。但對(duì)熔融石英型殼來說，無論粘結(jié)劑還是耐火材料，堿都有強(qiáng)烈的腐蝕作用。試驗(yàn)表明，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%勺KOHS液中沸騰堿煮，全熔融石英型殼經(jīng)109min就大部分溶解，而鋁-硅系耐火砂、粉則看不由有什么變化。所

13、以，采用熔融石英，有利于堿煮、堿爆等化學(xué)清理。減少耗堿量，提高效率表2熔融石英和鋁-硅系型殼殘留強(qiáng)度對(duì)比MPa型殼系統(tǒng)1037c保溫1h焙燒1204c保溫1h焙燒熔融石英料+30#/50#熔融石英砂11.813.6鋁-硅料漿+16#/30#鋁-硅砂42.665.2熔融石英料漿+16#/30#鋁-硅砂31.434.61.6充型難易當(dāng)溫度低于600c時(shí)，熔融石英熱導(dǎo)率較鋁-硅系材料差（見圖5）,而比熱容又只有結(jié)石的一半，這些因素都有利于薄壁鑄件的充型。但溫度高于600C,由于熔融石英透明度高（夜間澆注時(shí)，甚至可透過型殼看見其中流動(dòng)的鋼液），因此輻射散熱快，鑄件冷卻快，更容易獲得健全致密的鑄件，這對(duì)

14、于鑄造鋁合金薄壁件甚為有利，但同時(shí)也會(huì)使鑄件產(chǎn)生裂紋的趨向增加。8 64208642II 1 L L a 6o.o.-。15、*岱羲困5 2種材料的熱導(dǎo)率比較與鋁-硅系耐火材料比較，盡管熔融石英有著上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但畢竟價(jià)格較貴，是否采用，各廠可自行權(quán)衡。如何使用，是用于面層，還是用于背層；是單獨(dú)用，還是與其他材料混合用；是用粉料，還是用作撒砂料；都需要根據(jù)具體情況，才能獲得最佳效果。2、熔融石英和結(jié)石的比較JerryD.發(fā)表于2002年美國第50屆精鑄年會(huì)的論文，對(duì)用于精鑄面層的2種主要耐火材料熔融石英和結(jié)石進(jìn)行了全面的分析對(duì)比。2.1 結(jié)石的優(yōu)缺點(diǎn)2.1.1 結(jié)石的優(yōu)點(diǎn)(1)結(jié)石粉粒度分布寬

15、，一般無需級(jí)配，配制成的涂料漿流變性就很適合涂桂，涂料覆蓋性、流平性均屬一流。此外，由于密度大，空料時(shí)涂料漿流淌快。(2)結(jié)石砂粒形好，多為球形(見圖6),流動(dòng)性好,容易充填蠟?zāi)Ｉ系目锥?、凹槽等不易充填的部位，很適合作為面層撒砂料。圖6熔融石英沙和柿石珍的粒形對(duì)比2.1.2結(jié)石的缺點(diǎn)(1)經(jīng)常發(fā)生周期性貨源短缺，供應(yīng)緊張，價(jià)格較貴。(2)由于結(jié)石是天然礦產(chǎn)，所以含有某些有機(jī)物和其他雜質(zhì)在所難免。其中有的(特別是FeQ、磷酸鈣等)會(huì)和涂料中的粘結(jié)劑、添加劑或其他耐火材料反應(yīng)，造成涂料漿PH改變而迅速老化變質(zhì)，鑄件表面也容易由現(xiàn)硅酸鐵黑褐色斑疤或丘疹。(3)由于環(huán)保法規(guī)越來越嚴(yán)格，近來，美、歐各國

16、普遍更加關(guān)注結(jié)石中放射性元素可能造成的環(huán)境問題，這又可能使其價(jià)格進(jìn)一步攀升。2.2 熔融石英的優(yōu)缺點(diǎn)2.2.1 熔融石英的優(yōu)點(diǎn)(1)熔融石英的價(jià)格比結(jié)石便宜，加上密度又比結(jié)石低得多(前者2.2g/cm3,后者4.74.9g/cm3),所以，用熔融石英代替皓石，可降低制殼成本。(2)熔融石英原材料經(jīng)過精選，再經(jīng)電弧重熔，并剔除方石英，因此雜質(zhì)少，純度高(見表3)。所以涂料漿穩(wěn)定性向來不成問題。實(shí)踐證明，熔融石英一硅溶膠涂料穩(wěn)定性通?？砷L達(dá)1年以上。表3美國Minco公司制殼用熔融石英粉的化學(xué)成分(%3BSiO2Al2QFeQTiO2K2OCaONaO>99.7<0.17<0.0

17、35<0.025<0.012<0.0075<0.005(3)高溫晶化，低溫相變，使鑄件表面容易清理干凈。2.2.2 熔融石英的缺點(diǎn)(1)粉料粒度分布范圍窄，再加上密度小，不利于涂料流淌、滴落；由于熔融石英涂料漿透明度高，使操作者難于識(shí)別涂料厚度和均勻程度。(2)作為面層撒砂，熔融石英砂粒形為多角形(見圖6),再加上密度小，容易架橋，形成浮砂。2.3 應(yīng)用熔融石英應(yīng)注意的一些問題采用熔融石英作面層耐火材料需要特別注意它的適用范圍。從熱力學(xué)角度考慮，在高溫條件下，莫些金屬和合金元素會(huì)和二氧化硅反應(yīng)，例如，航空結(jié)構(gòu)件的重要合金材料IN-718中，鋰就會(huì)與二氧化硅起反應(yīng)，珞換由

18、硅而污染合金。許多高溫合金中都含有的鋁、鈦等活性元素，或鉛、結(jié)和翎等強(qiáng)化元素，以及鋁-鋰合金中的鋰等，在澆注溫度下也都有和二氧化硅反應(yīng)的可能性。但從動(dòng)力學(xué)角度考慮，還存在一個(gè)反應(yīng)速度問題。用熔融石英粉配制面層涂料，澆注普通碳鋼和低合金鋼最安全和保險(xiǎn)。也可以適當(dāng)比例和結(jié)石粉混合，澆注不銹鋼。但對(duì)于含有鈦、鋰等高活性元素的不銹鋼應(yīng)慎用。一些精鑄廠家認(rèn)為，由于熔融石英的主要化學(xué)成分是SiO2,用它作為面層材料澆注不銹鋼，可能會(huì)催生黑色硅酸鐵麻點(diǎn)或斑疤。鑄件表面一旦由現(xiàn)此類缺陷，防止鋼液和鑄件氧化是有效地應(yīng)對(duì)措施。但值得一提的是，由于在澆注溫度下，結(jié)石也很容易分解成ZrO2和SiO2,所以，即使采用結(jié)

19、石作面層材料，此類缺陷也同樣時(shí)有發(fā)生。改用剛玉作面層材料才是較為徹底的解決辦法。三、國內(nèi)推廣應(yīng)用熔融石英的迫切性和現(xiàn)實(shí)性3.1 熔融石英的家和和性能優(yōu)勢(shì)目前，由于種種原因，結(jié)石正面臨周期性貨源短缺，供應(yīng)緊張，價(jià)格一路飆升，令許多精鑄廠家叫苦不迭。采用硅溶膠粘結(jié)劑后，型殼殘留強(qiáng)度偏高，脫殼性差，難清理，許多鑄件不得不增加化學(xué)清理工序，又造成新的環(huán)境問題，令人頭痛。然而，國外早已相當(dāng)流行的制殼材料熔融石英，國人卻幾乎無人問津，這不能不說是跟普遍存在的一個(gè)認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)有關(guān)，這就是將制殼用和制芯用熔融石英（又稱石英玻璃）混為一談，總認(rèn)為它的價(jià)格貴，無法承受。其實(shí)不然，盡管二者之間無論化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)

20、無異，但由于對(duì)型芯的耐火度和化學(xué)穩(wěn)定性的要求比型殼嚴(yán)格，所以，對(duì)雜質(zhì)含量（特別是Bi、Ag、Sb、Sn、Pb、Zn等）的要求大不相同。對(duì)照表3和見表4所列數(shù)據(jù)，就不難看由這點(diǎn)。正因?yàn)槿绱耍邇r(jià)格相去甚遠(yuǎn)。目前，制殼用熔融石英，國內(nèi)市場(chǎng)價(jià)為30004000元（人民幣）/t,國外市場(chǎng)價(jià)也不過7000元（人民幣）/t左右，比結(jié)石低得多，加之其密度小，如能代替培石，經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。如能換來鑄件脫殼、清理的優(yōu)質(zhì)高效，用作背層材料也不失為一種選擇。況且為了改善脫殼性,也并不一定非要使用全熔融石英型殼O表4制芯用熔融石英(石英玻璃)的化學(xué)成分%3BSiO2Al203TiO2MgOCaOFe2O3KONa

21、OBi、Ag、SbSn、Pb、Zn>99.8<0.25<0.25<0.5<0.06<0.05<0.02<0.01<0.001<0.015注：表中數(shù)據(jù)適用于普通真空熔鑄硅基陶瓷型芯。3.2 熔融石英制殼工藝特點(diǎn)近來國內(nèi)某些精鑄生產(chǎn)廠家的試驗(yàn)和實(shí)踐證明，使用熔融石英型殼，脫殼性確實(shí)明顯改善，容易清理，代替結(jié)石經(jīng)濟(jì)效益顯著。止匕外，型殼容易充型，澆注碳鋼鑄件還有利于防止表面脫碳。與此同時(shí)，也存在以下問題值得注意。(1)由于粉粒粒形為多角形，密度小和其他一些原因，熔融石英配成涂料的流變行為不理想，流淌性、覆蓋性等均不如結(jié)石粉，粉液比也不易達(dá)到

22、期望的水平。由于熔融石英透明度高，涂桂模組過程中，操作者不易判斷涂層厚薄和均勻程度。這些問題可考慮通過以下途徑解決：改變攪拌方法，先快攪，后慢攪。合理級(jí)配粉料粒度。對(duì)此，美、歐各國進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，認(rèn)為熔融石英粉與硅溶膠配制涂料時(shí)，較適合的粉料級(jí)配是270#或320#細(xì)粉50%,200#和120#粉料各占25%涂料漿中加入少量鈦白粉，以降低涂層的透明度。采用聚合物增強(qiáng)硅溶膠，并添加少量改善流平性的附加物。由此可見，推廣應(yīng)用熔融石英，還需要得到粘結(jié)劑生產(chǎn)廠商的大力支持和密切配合，國外也常有熔融石英與某種合適的粘結(jié)劑捆綁銷售的做法。（2）作為面層撒砂材料，由于熔融石英砂粒形為多角形（見圖6）,不

23、利于蠟?zāi)Ｉ暇?xì)部位的充填，再加上密度小，砂粒容易架橋，形成浮砂，處珞不當(dāng)，澆注時(shí)容易造成鋼液滲漏。對(duì)此，可適當(dāng)減小撒砂粒度，用70#/120#砂代替50#/100#砂；目前國產(chǎn)熔融石英砂中，粉塵含量高（見圖7）,也是產(chǎn)生浮砂的重要原因。不難看生，制訂精鑄用熔融石英砂/粉的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也是當(dāng)務(wù)之急。采用聚合物增強(qiáng)硅溶膠，也有利于減少浮砂。圖7進(jìn)口（左）和國產(chǎn)熔觸石英號(hào)（右）粉塵含量對(duì)比（3）溫度/濕度變化對(duì)涂層干濕狀態(tài)的影響，比其他耐火材料更為敏感。因此，對(duì)上述工藝條件的控制要求更嚴(yán)格。(4)由于熔融石英在1200c附近轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?，隨后,冷卻至300c左右產(chǎn)生相變。所以，型殼焙燒后應(yīng)盡快澆注。如果工藝要求必須二次焙燒，則焙燒溫度務(wù)必低于1000Co(5)由于熔融石英熱膨脹系數(shù)小，鑄件尺寸可能會(huì)變小。綜上所述，熔融石英用在背層材