熔融石英的性能特點和使用

1、熔融石英的性能特點和使用一、熔融石英的性能特點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)驗的效果，在同鋯英材料的使用和價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1760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1713，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，可作為面層或背層

2、涂料用的耐火材料，以及撒砂材料。熔融石英會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的導(dǎo)熱性較差，熱容量小，僅為鋯砂的一半，大多數(shù)金屬液對它的潤濕性較差，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。鑄件冷卻時方石英又從高溫型轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏匦?，同時體積產(chǎn)生驟變，使型殼出現(xiàn)無數(shù)裂紋，強度劇降，有利于脫殼進(jìn)行。熔融石英

3、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/莫氏硬度密度/（g/cm3)膨脹系數(shù)/×10-71/熱導(dǎo)率/W/(m2.k)浸出性比較顏色熔融石英SiO2酸性171372.251.951在熱濃堿和氫酸條件下有良好的可溶性白色電熔剛玉Al2O3兩性203093.994.08612.560在熱堿條件下反應(yīng)很差白色莫來石3Al2O3·2SiO2兩性2030672.72.9541.21

4、4在熱堿條件下有輕微反應(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)灰色到棕黃色鋯砂ZrSiO4弱酸性<1948784.54.9462.094在熱堿條件下有中等反應(yīng)白色到棕黃色氧化鋯ZriO2堿性2600785.760-為01200間的膨脹系數(shù)平均值。400的熱導(dǎo)率。1200熱導(dǎo)率。熔融石英及制品有三大特點：在所有耐火材料中，線膨脹系數(shù)最小（在1000的熱脹率0.05）；熱導(dǎo)率最低，在1000熱導(dǎo)率0.836W/（m·K）（0.02cal/cm·s·）；抗熱震性最好（在1200水冷的抗震性），10次都不產(chǎn)生裂紋。2、

5、 熔融石英涂料配制使用操作工藝（1） 本操作工藝適用于硅溶膠，制殼的表面層或過渡層。（2） 本工藝使用的硅溶膠同鋯英粉涂料即SiO230%。（3） 本工藝操作中的潤濕劑，消泡劑同鋯英粉涂料。（4） 本操作中使用的流杯粘度計為詹氏（Zahn)5#杯，出口孔徑為5.28mm。（5） 涂料配制：1、 熔融石英粉的配制，320目（網(wǎng)號：0.044）275目（網(wǎng)號：0.052）200目（網(wǎng)號：0.076）120目（網(wǎng)號：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)的計算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即重量比例。2、 涂料粘度為5060秒，

6、嚴(yán)格控制不得低于50秒，60秒時是最佳粘度。它可獲得最好的表面光潔度鑄件；用于生產(chǎn)碳鋼或430系列時粘度可以降到40秒。（6） 掛砂：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種掛砂都可以采用，只是鑄件根據(jù)的不同，結(jié)合表面質(zhì)量在生產(chǎn)現(xiàn)場機動操作。（7） 注意事項：1、 涂料配制嚴(yán)格控制比例，不得有隨意性，嚴(yán)格現(xiàn)場的操作跟蹤。流杯粘度測量要準(zhǔn)確，每次做面層前必須測量粘度。2、 需要做二層面層時，第二次即過渡層時，涂料粘度為2836秒。3、 表面制殼技術(shù)是

7、認(rèn)真、細(xì)致的操作技術(shù)，要保證涂料厚度均勻一致，否則會生產(chǎn)出有滲透性或麻點的鑄件。掛砂重力相對一致均勻，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0.12mm。5、 熔融石英砂：50100目為國家標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)號的0.3250.15號，篩孔尺寸為ASTME11-70的0.30.15mm。6、 第二層的掛砂可同原鋯英粉面層工藝時的操作一致，也可用3050目（篩孔尺寸0.60.3mm）的熔融石英砂。3、 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

8、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生產(chǎn)廠商Minco公司，公布了對美國熔模鑄造企業(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%，鋯石6%?？梢娫诿绹T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)超過鋯石等其他耐火材料，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屆精鑄年會和INCAST雜志2001年第3期上發(fā)表論文，對熔融石英和鋁-硅系耐火材料進(jìn)行了全面的分析對比。1.1型殼

9、質(zhì)量熔融石英密度為2.2g/cm3,鋁-硅系材料為2.7g/cm3,，故同樣厚度型殼，前者質(zhì)量明顯小于后者，有利于減輕工人勞動強度和機械手操作。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很大的優(yōu)點，有利于減小加熱時型殼內(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，對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。1.3力學(xué)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，濕強度（抗彎強度）和斷裂韌度，熔融石英型殼稍低于鋁-硅系型殼，但透氣性卻

10、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室溫抗彎強度/MPa3.984.113.37斷裂韌度/MPa5 0095 2994 223斷裂指數(shù)0.01670.01660.0155透氣性/（10-10cm2)18.38.618.21.4高溫抗蠕變能力當(dāng)采用熔融石英撒砂代替鋁-硅系材料時型殼高溫抗蠕變能力提高（見圖3）熔融石英在高溫下（約1200）結(jié)晶化轉(zhuǎn)變可作為這

11、種現(xiàn)象的一種解釋（見圖4）。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度試驗結(jié)果見表2?？梢娙廴谑⑿蜌埩魪姸却蟠蟮陀阡X-硅系材料。這是因為熔融石英大約在1200高溫下會轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?。實踐證明，在澆注溫度下，型殼中大約有70%熔融石英轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?。?dāng)型殼溫度下降至300左右，方石英又由高溫型轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏匦?，同時體積驟變（見圖4）無數(shù)裂紋隨之產(chǎn)生，型殼強度劇降，于是，脫殼性大為改善。此外，對于全鋁-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，對耐火粉、粒料卻無能為力。但對熔融石英型殼來說，無論粘結(jié)劑還是耐火材料，堿都有強烈的腐

12、蝕作用。試驗表明，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的KOH熔液中沸騰堿煮，全熔融石英型殼經(jīng)109min就大部分溶解，而鋁-硅系耐火砂、粉則看不出有什么變化。所以，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-硅系型殼殘留強度對比MPa型殼系統(tǒng)1037保溫1h焙燒1204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600時，熔融石英熱導(dǎo)率較鋁-硅系材料差（見圖5），而比熱容又只有鋯石的一半，這些因素都有利于薄壁鑄件的充型。但溫度高

13、于600，由于熔融石英透明度高（夜間澆注時，甚至可透過型殼看見其中流動的鋼液），因此輻射散熱快，鑄件冷卻快，更容易獲得健全致密的鑄件，這對于鑄造鋁合金薄壁件甚為有利，但同時也會使鑄件產(chǎn)生裂紋的趨向增加。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，但畢竟價格較貴，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、熔融石英和鋯石的比較Jerry D.發(fā)表于2002年美國第50屆精鑄年會的論文，對用于精鑄面層的2種主要耐火材料熔融石英和鋯石進(jìn)行了全面的分析對比。2.1鋯石的優(yōu)缺點

14、鋯石的優(yōu)點（1） 鋯石粉粒度分布寬，一般無需級配，配制成的涂料漿流變性就很適合涂掛，涂料覆蓋性、流平性均屬一流。此外，由于密度大，空料時涂料漿流淌快。（2） 鋯石砂粒形好，多為球形 （見圖6），流動性好，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。鋯石的缺點（1） 經(jīng)常發(fā)生周期性貨源短缺，供應(yīng)緊張，價格較貴。（2） 由于鋯石是天然礦產(chǎn)，所以含有某些有機物和其他雜質(zhì)在所難免。其中有的（特別是Fe2O3、磷酸鈣等)會和涂料中的粘結(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)，鑄件表面也容易出現(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、

15、歐各國普遍更加關(guān)注鋯石中放射性元素可能造成的環(huán)境問題，這又可能使其價格進(jìn)一步攀升。2.2熔融石英的優(yōu)缺點熔融石英的優(yōu)點（1） 熔融石英的價格比鋯石便宜，加上密度又比鋯石低得多（前者2.2g/cm3,后者4.74.9g/cm3),所以，用熔融石英代替鋯石，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。實踐證明，熔融石英硅溶膠涂料穩(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（%）BSiO2Al2O3Fe2O3TiO2K2OCaONa2O>99.7<0.17<0.

16、035<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。熔融石英的缺點（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，某些金屬和合金元素會和二氧化硅反應(yīng)，例如，航空結(jié)構(gòu)件的重要合金材料IN-718中，鈮就會與二氧化硅起反應(yīng)，置換出硅而污染

17、合金。許多高溫合金中都含有的鋁、鈦等活性元素，或鉿、鋯和鑭等強化元素，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。但從動力學(xué)角度考慮，還存在一個反應(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。也可以適當(dāng)比例和鋯石粉混合，澆注不銹鋼。但對于含有鈦、鈮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，可能會催生黑色硅酸鐵麻點或斑疤。鑄件表面一旦出現(xiàn)此類缺陷，防止鋼液和鑄件氧化是有效地應(yīng)對措施。但值得一提的是，由于在澆注溫度下，鋯石也很容易分解成ZrO2和SiO2 ,所以，即使采用鋯石作面

18、層材料，此類缺陷也同樣時有發(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)實性3.1熔融石英的家和和性能優(yōu)勢目前，由于種種原因，鋯石正面臨周期性貨源短缺，供應(yīng)緊張，價格一路飆升，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認(rèn)識上的誤區(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)為它的價格貴，無法承受。其實不然，盡管二者之間無論化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)無異，但

19、由于對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，對雜質(zhì)含量（特別是Bi、Ag、Sb、Sn、Pb、Zn等）的要求大不相同。對照表3和見表4所列數(shù)據(jù)，就不難看出這點。正因為如此，二者價格相去甚遠(yuǎn)。目前，制殼用熔融石英，國內(nèi)市場價為30004000元（人民幣）/t，國外市場價也不過7000元（人民幣）/t左右，比鋯石低得多，加之其密度小，如能代替鋯石，經(jīng)濟效益不言而喻。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。表4制芯用熔融石英（石英玻璃）的化學(xué)成分%BSiO2Al2O3TiO2MgOCaOFe2O3K2ONa2OBi

20、、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近來國內(nèi)某些精鑄生產(chǎn)廠家的試驗和實踐證明，使用熔融石英型殼，脫殼性確實明顯改善，容易清理，代替鋯石經(jīng)濟效益顯著。此外，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，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、覆蓋性等均不如鋯石粉，粉液比也不易達(dá)到期望的水

21、平。由于熔融石英透明度高，涂掛模組過程中，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。合理級配粉料粒度。對此，美、歐各國進(jìn)行了大量試驗研究，認(rèn)為熔融石英粉與硅溶膠配制涂料時，較適合的粉料級配是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），不利于

22、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，處置不當(dāng)，澆注時容易造成鋼液滲漏。對此，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。不難看出，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。采用聚合物增強硅溶膠，也有利于減少浮砂。（3） 溫度/濕度變化對涂層干濕狀態(tài)的影響，比其他耐火材料更為敏感。因此，對上述工藝條件的控制要求更嚴(yán)格。（4） 由于熔融石英在1200附近轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?，隨后，冷卻至300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1000。（5） 由于熔融石英熱膨脹系數(shù)小，鑄件尺寸可能會變小。綜上所述，熔融石英用在背層材料，在技術(shù)上難度較小，用作面層材料，則需要下點功夫。熔融石英作為一