型壳

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热物理性质 （1）比热－型壳材料本身的物理性质。 （2）导热性 （3）蓄热特性 （4）热膨胀性 型壳的热膨胀性主要取决于耐火材料的化 学－矿物组成。
§1耐火材料
• 耐火粉、砂是组成型壳的主体，重量占型 壳重的90%以上。 • 型壳面层直接与金属液接触，直接影响型 壳的表面质量。 • 型壳背层不与金属液接触，它影响型壳强 度、铸件尺寸精度。
型壳制造
上涂料 和撒砂
型壳的干 燥和硬化
脱蜡
型壳 的焙烧
• 型壳组成和结构
铸型 整体型壳 多层型壳
型壳
粘结剂
耐火材料
撒砂材料
作用
• 型壳主要性能及试验方法 热稳定性 型壳 性能
强度
透气性
• 强度 • 要求型壳有足够的常温和高温强度，低的 残留强度，一定的表面强度。 • 透气性 • 具有实际意义的是型壳的高温透气性。 • 特殊浇注法，如真空浇注
• Z－Cast1是经二次重熔的以钙为稳定剂的氧化锆 粉，用于钛合金精铸型壳面层涂料。 • Z－Cast2是经过二次重熔的以镁为稳定剂的氧化 锆粉，主要与碳酸锆铵粘结剂配合使用作钛合金 精铸型壳面层涂料。 • Z－Cast3是一种高纯度的电熔煅烧氧化锆粉，可 与所有的粘结剂配合使用。 • Z－Cast4为高纯度的电熔氧化钇粉，常用于要求 型壳和金属间界面化学反应活性最小时。
• 七、铝矾土 • Al2O3≥48%的铝硅系耐火材料。 由高岭土和水铝石组成
• 生料加入时会有一系列物理化学变化，不 是好的制壳耐火材料，一般不用。 目前使用时铝矾土孰料 1.耐火度1800 ℃ 2.弱酸性 3.热膨胀系数较小6-8 ×10-6/ ℃
化学和矿物组成变化范围大， 不是一种很好的制壳耐火材料。 我国背层制壳材料
酯中的乙氧基逐步被水中的羟基所取代，而取代 产物又不断缩聚的过程。
当加入少量水进行水解时，单乙酯被水解－缩聚 成有机硅聚合物，然后在型壳干燥硬化时，有机 硅聚合物由线性变为网状结构，再有机转变为无 机硅聚合物。这个过程实质上就是硅酸乙酯水解 液连续不断地水解－缩聚的过程
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水：参与水解反应的主要物质之一 乙醇：溶剂 盐酸：催化剂0.2%-0.35% 醋酸：使型壳干燥时逐步脱水，防止开裂， 提高型壳强度。 • 硫酸：中和耐火材料中氧化铁、氧化钙等 杂质。 • 硼酸：提高型壳塑性，防止焙烧与浇注时 产生裂纹。
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一、耐火材料的基本要求 1.有足够的耐火度 2.好的热化学稳定性 3.均匀且不大的热膨胀性 4.合适的粒度 5.价廉、无毒
• 二、铝硅系耐火材料
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二、石英 1.熔化温度1713℃ 2.酸性，化学温度性差 3.大而不均匀的热膨胀系数12.5×10-6/ ℃ 不是一种优良的耐火材料 应用： 适用于精度要求不高的碳钢、有色金属件。
• 一、硅溶胶制备 • 1.离子交换法 • 2.溶解法
• 二、熔模铸造用硅溶胶
• 三、硅溶胶的结构及物化参数 • 1.硅溶胶的结构
• 2.硅溶胶的物化参数
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四、硅溶胶涂料 1.种类 分三种涂料： 面层 背层 过渡层
• 2.组成 面层： 由耐火材料、粘结剂、润湿剂、消泡剂等组成 背层： 由耐火材料、粘结剂组成 过渡层： 由耐火材料、粘结剂组成
• 氧化物陶瓷材料 • 与钛合金反应能力较弱的氧化物陶瓷材料有CaO、 ZrO2、Y2O3和ThO2。 • CaO吸湿性强， ThO2与钛反应最弱，但有放射 性。 • Y2O3对钛稳定性最强的稀土氧化物，价格昂贵。 • 钛合金熔模铸造中用得较多的是ZrO2，高温有同 质异晶转变，需用CaO、 Y2O3稳定化处理。
氨干箱 1－氨气瓶；2－浮子流量计；3－闸板； 4－模组搁架
§6 水玻璃型壳 二、水玻璃型壳
• 水玻璃
• 水玻璃多种硅酸钠以一定比例相混合的体系。 Na2O.m SiO2 .nH2O
• 硬化原理 • Na2O.mSiO2+nH2O+2NH4Cl • 2NaCl +mSiO2. (n-1)H2O+H2O+2NH3
§2 粘结剂及其型壳概述
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• 二、硅酸胶体的三种状态 • 溶胶、冻胶、凝胶
• 由溶胶变为凝胶的过程被称为胶凝的过程。 • 涂料中粘结剂为溶胶状态 • 制壳过程为胶体胶凝过程
§4硅酸乙酯型壳 • 粘结剂：硅酸乙酯水解液 • 概念：硅酸乙酯水解液-硅酸乙酯水解后的 液体 • 通式：（C2H5O）2n+2SinOn-1 n称为聚合 度 • 我国只有硅酸乙酯32和硅酸乙酯40供应， 国外还有硅酸乙酯50。
• 硅酸乙酯水解及其工艺 • 概念：硅酸乙酯水解-所谓水解反应是硅酸乙
不是一种好 的制壳耐火材料 应用：水玻璃型壳 背层加固材料
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2.高岭土 （1）熔点1700-1790 ℃ （2）弱酸性 （3）较小的热膨胀系数 5×10-6/ ℃ 性能较好的制壳耐火材料 应用： 优质的背层耐火材料 • 此类国外材料：Molochite莫洛卡特、马来粉砂 • 国内有仿M合成料 上店土 煤矸石 莫来石
• 干燥时间也与气温、空气湿度和制壳场地 的通风条件等因素有关。 • 快速硬化工艺 固体氯化铵硬化工艺 • 缩短硬化和干燥的时间的关键是提高型壳 的渗透硬化速度。采用的方法主要有高温 高浓度硬化工艺和应用表面活性剂。
• 脱蜡 • 热水法 • 优点：不会使型壳胀裂；热水脱蜡可溶解部分 NaCl和Na2O，在水中加入NH4Cl、HCl或 H3BO3等物质，有补充硬化的作用； • 速度快，蜡料回收率高，设备简单。 • 缺点是只适用于低熔点蜡料；模料易皂化；易使 砂粒进入型壳。 • 热水温度控制在90－95℃，时间一般在15－25分 钟。
• 硅酸乙酯的水解工艺 • 一次水解法 • 把水和酸倒入溶剂中（酸的倒入次序为盐 酸、醋酸、硫酸），搅拌1－2分钟。然后 在不断搅拌的条件下将硅酸乙酯慢慢注入 这样的混合液中。 • 水解液在使用前必须在室温下密封保存一 段时间。
• 二次水解法 • 硅酸乙酯的二次水解工艺是，将溶剂分成两半， 将其中一半的1/3注入水解器中，再注入1/3硅酸 1/3 乙酯并混匀，然后将1/3酸化水分三次慢慢地注入 此溶液中，并不断搅拌。此时溶液温度逐渐升高， 当溶液温度下降时，再重复上述步骤二次，直至 硅酸乙酯、酸化水和一半溶剂都加完。在继续搅 拌30分钟后，将剩下的一半溶剂迅速加入，并搅 拌30分钟，停放一段时间后可用。
• 5.涂料性能控制（剪切）
流杯粘度
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Байду номын сангаас
涂料种类 流杯粘度 面层涂料 32±1s 过渡层涂料 19±1s 背层涂料 13±1s
6.硅溶胶型壳制壳工艺 （1）熔模除油脱脂 用乙醇擦洗或用肥皂水洗后用清水冲洗。 （2）制壳原理与工艺 硅溶胶型壳采用干燥硬化而使硅溶胶胶凝， 即让型壳干燥，水分蒸发，使硅溶胶浓度 增加，达到胶凝临界浓度时，硅溶胶则胶 凝。 • （3）上涂料 • 及涂料的浸涂是制壳的关键工序之一。
• 三、胶体结构
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• 胶凝过程是胶粒合并的过程 胶粒合并： 动力——分子运动、颗粒碰撞合并 —— 阻力——胶粒都带负电，同电相斥
• 四、影响胶凝的因素 • 1.电介质
• 2.PH值 • 3.浓度 • 4.温度
• 制壳过程可利用上列四个影响胶凝的因素 来加速胶凝制壳过程进行。
§3 硅溶胶及其型壳
• 综合水解法 • 这种方法的实质是在高速搅拌的条件下， 硅酸乙酯的水解过程和耐火涂料的配制过 程同时进行。其工艺为，往水解器中依次 注入溶剂、酸化水和硅酸乙酯，稍加搅拌 后，将所需耐火粉料陆续加入，搅拌40－ 60分钟，使粉料均匀分散，水解工序可同 时结束，涂料可立即使用。
型壳的干燥和硬化 硅酸乙酯粘结剂涂层的干燥和硬化是粘结剂 成分变化和溶剂及水分的蒸发过程。 每一层涂料在干燥和硬化过程中，发生三个 相互有关的物理、化学变化过程： （1）溶剂的蒸发 （2）粘结剂继续水解－缩聚和凝聚
五、刚玉 1.熔点：2030-2050 ℃ 2.中性 3.热膨胀系数较小8.5 ×10-6/ ℃ 是一种优质的耐火材料 应用：高精度的高合金钢、镁合金的面层
• 六、高岭土 • 1.高岭土生料Al2O3·2SiO2·2H2O （1）耐火度1700-1790℃ （2）弱酸性 （3）较大的热膨胀系数，有相变和化 学反应
• 蒸汽法
• 型壳的焙烧 • 焙烧的目的： 去除型壳的挥发物，减少型壳的发气性， 提高透气性； • 可降低残留Na2O的含量并进行某些有利于 提高高温强度的物理化学反应； • 可使型壳在工艺要求的温度下浇注。
• 焙烧方法和工艺 • 型壳焙烧方法有填砂装箱法和不填砂法两 种。 • 焙烧炉可用箱式或隧道式电炉、煤气炉和 油炉等。 • 水玻璃型壳的焙烧温度较低，最好不超过 900℃，硅酸乙酯水解液型壳和硅溶胶型壳 的焙烧温度较高，可达1050℃。
• 过渡层用耐火材料： • 要求高时——面层耐火材料 • 要求不高时——背层耐火材料
• 3.配方
粘度
32±1
19±1
13±1
• 4.配制
• 加料顺序（混均匀） 搅拌 • 硅溶胶——润湿剂——慢慢加入耐火材 料——加入消泡剂 • 混制时间： • 面层 全部新料 24h • 部分新料 12h • 背层 全部新料10h • 部分新料5h
高分子化合物的作用
在溶胶中加入少量高分子化合物可使溶胶 聚沉，称为敏化作用 絮凝作用)。 敏化作用(絮凝作用 聚沉，称为敏化作用 絮凝作用 。
在溶胶中加入足够多的高分子化合物， 在溶胶中加入足够多的高分子化合物，则 会阻止溶胶的聚沉，称为空间保护作用 空间保护作用。 会阻止溶胶的聚沉，称为空间保护作用。
型壳干燥过程示意图 a－含有很多水；b－正在干燥、尚未干透； c－已干透。
• 提高温度可显著提高溶剂的挥发； • 控制相对湿度可以有效提高干燥速度；加 速空气流动可以降低空气中溶剂的分压， 从而可明显加速干燥速度。
空气速度、温度对干燥速度的影响
• 综合考虑以上各工艺因素，应使型壳在可控温度、 湿度和风速的渠道或干燥室中干燥，并使模组在 渠道中移动的同时加以旋转，保证均匀干燥。 • 影响型壳干燥的其它因素 • 除了工艺因素以外，型壳耐火材料的成分、粒度 分布、表面性能和多孔性、粘结剂溶液的稳定性、 溶剂的种类及加入量、表面张力、蒸汽压等都影 响溶剂的挥发、扩散速度及毛细管作用。 • 为了加速制壳过程，也有用化学处理方法使粘结 剂快速胶凝的。
八、锆英（石） ZrO2·SiO2或ZrSiO4
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1.耐火度＞2000 ℃ 2.弱酸性 3.热膨胀系数较小 4.6 ×10-6/ ℃ 是一种优质的制壳耐火材料 应用：高精度的除高合金钢外的其他合金 件、型壳面层
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九、钛合金熔模铸造用耐火材料 人造石墨 浇注时温度不宜太高，为400℃左右。 熔模铸造中用热解碳陶瓷型壳，适用于小 型钛合金件。 • 钨粉 • 用钨粉涂料作面层的熔模铸造型壳有好的 热稳定性。型壳重量大、成本高，易使铸 件产生冷隔。
• 型壳的研究进展： • 快干型壳 • 交替硬化型壳：硅溶胶和硅酸乙酯；水玻 璃和硅溶胶；水玻璃和硅酸乙酯； • 耐火材料的开发 • 废旧型壳的回收利用
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• （4）撒砂 • 撒砂种类应与该层涂料用耐火粉料一致， 有相同的热膨胀系数。 • 撒砂粒度的选择应同涂料的粘度相适应。 • 砂的粒度，表面层46－60目，加固层36－ 46目逐渐过渡到20－24目。 • 撒砂方法：雨淋法和沸腾法。
• （4）干燥 • 型壳干燥过程及对强度的影响
• 四、石英玻璃 •1.熔点1713℃ •用优质硅砂在碳极电阻炉或电弧炉中熔融， •冷却后制成的，为一种非晶型二氧化硅熔体。 •2. •2.酸性 •3.热膨胀系数小 0.5×10-6/ ℃ •是一种优良的耐火材料 应用：
1.用在高精度碳钢、低合金钢、铝合 金的面层 2.陶瓷型芯的基体材料。
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