硅溶胶在熔模精密铸造中的应用
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《铸造技术》6/ 2001 硅溶胶在熔模精密铸造中的应用
硅溶胶在熔模精密铸造中的应用
肖 克
(北京航空材料研究院 ,北京 100095)
摘要 :介绍了熔模铸造粘结剂 —硅溶胶的特性和品类 、涂料的配制 、壳型的制备和应用方面的经验 。对其存在的问题 、进一步 应用和发展前景提出了一些看法和建议 。 关键词 :熔模铸造 ;硅溶胶 ;壳型 中图分类号 : TG249. 5 文献标识码 :A 文章编号 :100028365 (2001) 0620008203
制造 厂商
品 种
SiO2 %
Na2O %
密度 g/ cm3
运动粘度 ×10 - 6 m2/ s
pH值
粒径 μm
北京 华航 SJ N. 30
武汉 化工
S. 30
河北 涿州
GRJ226
沈阳 黎明 GRJ . 30
英国 Synton Monsanto X30
美国 杜邦
HS30
日本
30～31 28. 79 27. 42 29～31 29. 16
for superalloy
制壳过程中的干燥条件是确保品质的重要因素 , 壳型干燥就是水分从壳型内部通过毛细作用传递到涂 层表面 ,然后向外挥发的过程[10 ] 。因此受空气相对湿 度 、环境温度 、气流速度 、干燥时间 、及壳型材料等一系
列因素的影响 ,环境温度是首要的因素 。变化范围应 控制在 ±1. 5 ℃,空气相对湿度以 40 %～60 %为宜 。
粘结 ,且在室温配制涂料时又不会引起料浆胶凝 。常
使用粒径为 0. 075 mm 左右的氧化铝 、氧化锆 、莫来
石 、铝矿石及石英玻璃粉 ,为了改善涂料的浸涂性 ,往
往还要加入悬浮剂 、矿化剂 、渗透剂 、流平剂等辅助材
料 。稀释剂常用去离子水或酒精 。粉料的加入必须是 边加入边搅拌 ,防止局部粉料过多吸水导致硅溶胶胶 凝 。选定配方后 ,涂料的性能由其粘度和密度来决定 。 表 2 列出铸造镍基高温合金定向凝固铸件用壳型涂料 的典型配方及其性能 。
rectional solidification
涂料配方
涂料性能
硅溶胶 粉料
L
kg
渗透剂 L
消泡剂 矿化 粘度
密度
流平性
L
剂 ×10 - 6 m2/ s g/ cm3
7～10 17～25 0. 01～0. 05 0. 1～0. 5 适量 13～20 2. 0～2. 5 3～6
3 硅溶胶壳型的制备 图 1 为制备高温合金定向凝固叶片用壳型的工艺
定期不少于 1 年 。并建议最好是长期定点供应 。为控
制硅溶胶品质 ,应严格按照有关行业标准例如上述的
航标 HB 或国军标 GJB 进行检验 。
2 硅溶胶涂料的配制
对于高温合金 、钢 、钛合金 、铝合金及铜合金等铸
件 ,由于合金浇注温度对不同陶瓷壳型岩相成分的要
求也有所不同 。但选用耐火粉料必须是能为硅溶胶所
我国从 60 年代起开始生产和使用硅溶胶 ,近年来 用于熔模铸造的国产硅溶胶 ,品质日趋稳定并逐步向 国际商业品类靠拢 。北京航空材料学院从60年代末
收稿日期 :2001206220 ; 修订日期 :2001207218 作者简介 :肖 克 (19622 ) ,北京人 ,工程师 ,工学学士 1
制备硅溶胶的方法很多 ,如 :酸化法 、渗析法 、离子 交换法 、凝胶胶溶法 、水解法等 。无论那种方法制备稳 定的 、高溶度的硅溶胶 ,都必须使 SiO2 粒子在碱性条 件下长大 。由离子交换 、酸化硅酸钠溶液及水解硅化 物生成单硅酸的线型和带侧枝的聚合物 ,在 p H2～3 具有暂时的稳定性 ,但在碱性 p H7～10 溶液中重排列 成球形 SiO2 粒子 ,并聚合长大[8 ] 。
Al2 (SO4) 3对硅溶胶的凝聚界限浓度 (mg/ L) 分别为 450 、 125 和 3. 3 。K+ 、Ba + 、Al3 + 凝聚能力之比为 1∶(3. 6) ∶ (136. 4) ,也就是说 2 价、3 价阳离子的凝聚能力分别是 1 价阳离子的 3. 6 倍和 136. 4 倍。因此 ,配料时用的润 湿剂和孕育剂的纯度要高 。运动粘度是衡量硅溶胶稳 定性的重要参数 。运动粘度大 ,稳定性差[9] 。
表 3 制备高温合金铸件壳型的工艺参数[3 ] Tab. 3 Process parameters of making shell for superalloy casting
壳型层次 1 2 3
4～7
挂砂粒度/ mm 0. 150 或 0. 212 0. 150 或 0. 212
1130 0. 850 或 0. 600
—8 —
开始进行熔模壳型使用硅溶胶的研究 。70 年代初又 建立了离子交换装置 ,制取更适合于熔模铸造用的浓 硅溶胶 。80 年代中期 ,完善了制备工艺 ,建立了性能 测 试 方 法[8] , 而 且 先 后 建 立 了 航 空 工 业 标 准 《HB5346 —86》[6 ]和国家军用标准《GJB2031 —94》[7 ] 。
硅溶胶是采用特定的工艺从稀释的硅酸钠溶液制 备的以不连续的无定形二氧化硅粒子为分散相 、以水 为分散介质的碱化稳定的胶态分散体系 ,其中的 SiO2 粒子表面经有机碱化 、酸化 、硅溶化改性处理之后 ,可 与有机聚合物溶混而作为粘合剂使用 。目前 ,硅溶胶 在熔模铸造的壳型 、建筑业的涂料 、防火材料和隔热材 料 、电气工业的硅钢涂层 、胶体蓄电池等领域得到广泛 应用[1～4 ] 。本文主要讨论硅溶胶在熔模精密铸造生 产中制备壳型的应用 。
干燥时间/ h 1～6 18 2 2～3
干燥方式 自干
自干 + 风干 热风干燥 热风干燥
可采用称重法 、测量电阻法等在模壳干燥过程中 监测每 1 层的干燥情况 ,直到壳型充分干燥后再涂下 1 层 。从测量电阻法的统计数据来看 , 每 1 层电阻
—9 —
《铸造技术》6/ 2001 硅溶胶在熔模精密铸造中的应用
20 世纪 60 年代 ,硅溶胶作为陶瓷壳型粘结剂应 用于铸造领域 ,立即以其无可比拟的优势逐步取代了 曾经广泛使用的制备工艺繁杂 、有污染 、成本高的水玻 璃和硅酸乙酯水解液 。实践证明 ,用硅溶胶液作为陶 瓷壳型粘结剂具有下列优点 :配制工艺简便 ,涂料便于 贮存 ,浸涂用过的料浆调整成分后可继续使用 ,减少了 材料消耗 ,浸涂工艺性能稳定 ,容易操作 ,取消了用硅 酸乙脂水解液时的氨干 ,工作环境得到改善 ,采用可控 湿度的热风干燥 ,壳型强度高 ,采用水基硅溶剂 ,安全 性好 。因此 ,英 、美 、法 、日等国熔模铸造业迅速而广泛 地采用硅溶胶粘结剂 ,就连一贯坚持采用硅酸乙酯的 俄国 ,也从 80 年代末期起陆续采用硅溶胶 ,取得良好 效果 ,据称 ,从硅酸乙酯改用硅溶胶 SS30 后 ,能源消 耗减少 20 %～30 % ,壳型合格率提高 15 %～20 % ,工 作环境大大改善[5 ] 。
硅溶胶的重要特性之一是其稳定性 。该稳定性与 p H 值有关 ,p H8. 5～10 最稳定。p H2～4 较稳定 ,p H7 左 右最不稳定 。配料时防止酸性或碱性物质混入是保持 涂料稳定性的要素之一 。硅溶胶中的电介质影响双电 层结构的电荷分布 ,降低硅溶胶稳定性。KCl 、BaCl2 、
《铸造技术》6/ 2001 硅溶胶在熔模精密铸造中的应用
随着涂料浸渍使用 ,其性能必然发生变化 。水分 蒸发减少 ,粘度提高 ,故需按计算量补加少许硅溶胶和 去离子水 ,以保证原涂料 SiO2 含量及粘度 。冬季使用 硅溶胶粘结剂时 ,如果室内温度过低 ,配制涂料时粘度 会偏高 ,易产生气泡而影响型壳品质 。
表 2 定向凝固壳型涂料的典型配方及性能[3 ] Tab. 2 Typical component and properties of shell casting for di2
Application of Silica Sol in Investment Casting Production
XIAO Ke ( Institute of Aeronautical Materials , Beijing 100095 ,China)
Abstract :In t his paper , t he properties and t ypes of silica sol , and coating production wit h silica sol have been discussed. And a view on t he f urt her development and application has been given. Key words :Invest ment casting ; Silica sol ; Shell molding
作为熔模铸造壳型粘结剂的硅溶胶的性能指标包 括 SiO2 含量 、密度 、稳定剂的含量 、p H 值 、SiO2 粒径 。 表 1 列出熔模铸造行业常用的硅溶胶及其性能 。
表 1 熔模铸造行业常用的硅溶胶[1 、3 ] Tab. 1 Silica sol using for investment cast vocation
流程 。配制涂料用的粉料是 W2O 白刚玉粉 ,挂砂材 料为 24 # ～80 # 白刚玉砂 。硅溶胶是表 1 中所列的任 一种 。
图 1 高温合金定向凝固壳型的制备工艺流程图[3 ] Fig. 1 Making process schema of directional solidification shell
9. 0～9. 5 9～20 9. 8 9. 8 13～14 9. 8 12. 5
为确保壳型品质 ,航空铸造部门推荐的技术指标
为[3 ] :24 %～31 % SiO2 , ≤0. 40 % Na2O ,p H 值 8. 5～ 10 ,SiO2 粒径 10～20 nm ,运动粘度 ≤6 ×10 - 6 m2/ S , Cl - 1 < 0. 03 %。外观为乳白色或淡色 ,无外来夹杂 ,稳
在干燥过程中 ,水分从壳型表面不断蒸发而吸收 热量 ,这会使蜡模温度下降 ,尺寸缩小 ,易产生表面缺 陷 。干燥过程应尽可能快 ,以防止壳内表面温度变化 造成的影响 。理想的干燥系统应能利用干燥过程的温
度下降所需要的大量流动空气使湿球温度与浸涂室室 温相平衡[10 ] 。目前多采用可控温度的热风干燥 ,这可 缩短干燥时间 ,又可保证壳型品质 。当然 ,不同壳型的 制备工艺是不相同的 。表 3 和表 4 分别列出高温合金 铸件和铝合金铸件制壳工艺参数 。
15 mΩ以上则被认为型壳已干燥充分 ,此时壳型对应 的含水量应在 10 %以下 。
模壳经脱蜡 、焙烧后就成为可浇注金属液的壳型 , 可用随炉试样检查每批型壳的性能 。用不同硅溶胶制 成的陶瓷型壳的强度和抗变形性能 ,见表 5 。从中可 以看出国产硅溶胶型壳的强度水平及高温自重变形性 能与国外先进品类的硅溶胶接近 。
本文以作者的大量实践经验和得到的有关资料 , 讨论硅溶胶作为熔模壳型粘结剂应用中的若干问题 , 供同行参考 、交流 。 1 硅溶胶的特性及品类选择
硅溶 胶 是 乳 白 色 透 明 胶 体 , 最 常 用 的 是 SiO2 30 %、Na2O < 0. 5 %的钠型硅溶胶 。它与液体硅酸钠 和硅酸乙酯水解液一样在制造陶瓷型壳时以硅酸胶体 起粘结作用 ,其基本成分是无定型 SiO2 ,粒子具有大 的比表面积 ,带负电荷 ,水合硅醇层 ( SiOH) 在干燥过 程中提供湿强度 ,壳型焙烧时 ,大部分自由水分和结构 水分蒸发掉 ,可获得最大强度 ,以承受浇注熔融合金液 的冲击作用 。
30 31. 24
≤0. 30 1. 195～1.Hale Waihona Puke Baidu215
0. 23
1. 209
0. 30
1. 194
≤0. 59 1. 2～1. 22
0. 29
1. 202
0. 32 0. 34
1. 22
≤0. 70 3. 94 2. 69 ≤8 3. 70
3. 88
0. 85～10 10～20 9. 0 12～15 9. 5 14～18
硅溶胶在熔模精密铸造中的应用
肖 克
(北京航空材料研究院 ,北京 100095)
摘要 :介绍了熔模铸造粘结剂 —硅溶胶的特性和品类 、涂料的配制 、壳型的制备和应用方面的经验 。对其存在的问题 、进一步 应用和发展前景提出了一些看法和建议 。 关键词 :熔模铸造 ;硅溶胶 ;壳型 中图分类号 : TG249. 5 文献标识码 :A 文章编号 :100028365 (2001) 0620008203
制造 厂商
品 种
SiO2 %
Na2O %
密度 g/ cm3
运动粘度 ×10 - 6 m2/ s
pH值
粒径 μm
北京 华航 SJ N. 30
武汉 化工
S. 30
河北 涿州
GRJ226
沈阳 黎明 GRJ . 30
英国 Synton Monsanto X30
美国 杜邦
HS30
日本
30～31 28. 79 27. 42 29～31 29. 16
for superalloy
制壳过程中的干燥条件是确保品质的重要因素 , 壳型干燥就是水分从壳型内部通过毛细作用传递到涂 层表面 ,然后向外挥发的过程[10 ] 。因此受空气相对湿 度 、环境温度 、气流速度 、干燥时间 、及壳型材料等一系
列因素的影响 ,环境温度是首要的因素 。变化范围应 控制在 ±1. 5 ℃,空气相对湿度以 40 %～60 %为宜 。
粘结 ,且在室温配制涂料时又不会引起料浆胶凝 。常
使用粒径为 0. 075 mm 左右的氧化铝 、氧化锆 、莫来
石 、铝矿石及石英玻璃粉 ,为了改善涂料的浸涂性 ,往
往还要加入悬浮剂 、矿化剂 、渗透剂 、流平剂等辅助材
料 。稀释剂常用去离子水或酒精 。粉料的加入必须是 边加入边搅拌 ,防止局部粉料过多吸水导致硅溶胶胶 凝 。选定配方后 ,涂料的性能由其粘度和密度来决定 。 表 2 列出铸造镍基高温合金定向凝固铸件用壳型涂料 的典型配方及其性能 。
rectional solidification
涂料配方
涂料性能
硅溶胶 粉料
L
kg
渗透剂 L
消泡剂 矿化 粘度
密度
流平性
L
剂 ×10 - 6 m2/ s g/ cm3
7～10 17～25 0. 01～0. 05 0. 1～0. 5 适量 13～20 2. 0～2. 5 3～6
3 硅溶胶壳型的制备 图 1 为制备高温合金定向凝固叶片用壳型的工艺
定期不少于 1 年 。并建议最好是长期定点供应 。为控
制硅溶胶品质 ,应严格按照有关行业标准例如上述的
航标 HB 或国军标 GJB 进行检验 。
2 硅溶胶涂料的配制
对于高温合金 、钢 、钛合金 、铝合金及铜合金等铸
件 ,由于合金浇注温度对不同陶瓷壳型岩相成分的要
求也有所不同 。但选用耐火粉料必须是能为硅溶胶所
我国从 60 年代起开始生产和使用硅溶胶 ,近年来 用于熔模铸造的国产硅溶胶 ,品质日趋稳定并逐步向 国际商业品类靠拢 。北京航空材料学院从60年代末
收稿日期 :2001206220 ; 修订日期 :2001207218 作者简介 :肖 克 (19622 ) ,北京人 ,工程师 ,工学学士 1
制备硅溶胶的方法很多 ,如 :酸化法 、渗析法 、离子 交换法 、凝胶胶溶法 、水解法等 。无论那种方法制备稳 定的 、高溶度的硅溶胶 ,都必须使 SiO2 粒子在碱性条 件下长大 。由离子交换 、酸化硅酸钠溶液及水解硅化 物生成单硅酸的线型和带侧枝的聚合物 ,在 p H2～3 具有暂时的稳定性 ,但在碱性 p H7～10 溶液中重排列 成球形 SiO2 粒子 ,并聚合长大[8 ] 。
Al2 (SO4) 3对硅溶胶的凝聚界限浓度 (mg/ L) 分别为 450 、 125 和 3. 3 。K+ 、Ba + 、Al3 + 凝聚能力之比为 1∶(3. 6) ∶ (136. 4) ,也就是说 2 价、3 价阳离子的凝聚能力分别是 1 价阳离子的 3. 6 倍和 136. 4 倍。因此 ,配料时用的润 湿剂和孕育剂的纯度要高 。运动粘度是衡量硅溶胶稳 定性的重要参数 。运动粘度大 ,稳定性差[9] 。
表 3 制备高温合金铸件壳型的工艺参数[3 ] Tab. 3 Process parameters of making shell for superalloy casting
壳型层次 1 2 3
4～7
挂砂粒度/ mm 0. 150 或 0. 212 0. 150 或 0. 212
1130 0. 850 或 0. 600
—8 —
开始进行熔模壳型使用硅溶胶的研究 。70 年代初又 建立了离子交换装置 ,制取更适合于熔模铸造用的浓 硅溶胶 。80 年代中期 ,完善了制备工艺 ,建立了性能 测 试 方 法[8] , 而 且 先 后 建 立 了 航 空 工 业 标 准 《HB5346 —86》[6 ]和国家军用标准《GJB2031 —94》[7 ] 。
硅溶胶是采用特定的工艺从稀释的硅酸钠溶液制 备的以不连续的无定形二氧化硅粒子为分散相 、以水 为分散介质的碱化稳定的胶态分散体系 ,其中的 SiO2 粒子表面经有机碱化 、酸化 、硅溶化改性处理之后 ,可 与有机聚合物溶混而作为粘合剂使用 。目前 ,硅溶胶 在熔模铸造的壳型 、建筑业的涂料 、防火材料和隔热材 料 、电气工业的硅钢涂层 、胶体蓄电池等领域得到广泛 应用[1～4 ] 。本文主要讨论硅溶胶在熔模精密铸造生 产中制备壳型的应用 。
干燥时间/ h 1～6 18 2 2～3
干燥方式 自干
自干 + 风干 热风干燥 热风干燥
可采用称重法 、测量电阻法等在模壳干燥过程中 监测每 1 层的干燥情况 ,直到壳型充分干燥后再涂下 1 层 。从测量电阻法的统计数据来看 , 每 1 层电阻
—9 —
《铸造技术》6/ 2001 硅溶胶在熔模精密铸造中的应用
20 世纪 60 年代 ,硅溶胶作为陶瓷壳型粘结剂应 用于铸造领域 ,立即以其无可比拟的优势逐步取代了 曾经广泛使用的制备工艺繁杂 、有污染 、成本高的水玻 璃和硅酸乙酯水解液 。实践证明 ,用硅溶胶液作为陶 瓷壳型粘结剂具有下列优点 :配制工艺简便 ,涂料便于 贮存 ,浸涂用过的料浆调整成分后可继续使用 ,减少了 材料消耗 ,浸涂工艺性能稳定 ,容易操作 ,取消了用硅 酸乙脂水解液时的氨干 ,工作环境得到改善 ,采用可控 湿度的热风干燥 ,壳型强度高 ,采用水基硅溶剂 ,安全 性好 。因此 ,英 、美 、法 、日等国熔模铸造业迅速而广泛 地采用硅溶胶粘结剂 ,就连一贯坚持采用硅酸乙酯的 俄国 ,也从 80 年代末期起陆续采用硅溶胶 ,取得良好 效果 ,据称 ,从硅酸乙酯改用硅溶胶 SS30 后 ,能源消 耗减少 20 %～30 % ,壳型合格率提高 15 %～20 % ,工 作环境大大改善[5 ] 。
硅溶胶的重要特性之一是其稳定性 。该稳定性与 p H 值有关 ,p H8. 5～10 最稳定。p H2～4 较稳定 ,p H7 左 右最不稳定 。配料时防止酸性或碱性物质混入是保持 涂料稳定性的要素之一 。硅溶胶中的电介质影响双电 层结构的电荷分布 ,降低硅溶胶稳定性。KCl 、BaCl2 、
《铸造技术》6/ 2001 硅溶胶在熔模精密铸造中的应用
随着涂料浸渍使用 ,其性能必然发生变化 。水分 蒸发减少 ,粘度提高 ,故需按计算量补加少许硅溶胶和 去离子水 ,以保证原涂料 SiO2 含量及粘度 。冬季使用 硅溶胶粘结剂时 ,如果室内温度过低 ,配制涂料时粘度 会偏高 ,易产生气泡而影响型壳品质 。
表 2 定向凝固壳型涂料的典型配方及性能[3 ] Tab. 2 Typical component and properties of shell casting for di2
Application of Silica Sol in Investment Casting Production
XIAO Ke ( Institute of Aeronautical Materials , Beijing 100095 ,China)
Abstract :In t his paper , t he properties and t ypes of silica sol , and coating production wit h silica sol have been discussed. And a view on t he f urt her development and application has been given. Key words :Invest ment casting ; Silica sol ; Shell molding
作为熔模铸造壳型粘结剂的硅溶胶的性能指标包 括 SiO2 含量 、密度 、稳定剂的含量 、p H 值 、SiO2 粒径 。 表 1 列出熔模铸造行业常用的硅溶胶及其性能 。
表 1 熔模铸造行业常用的硅溶胶[1 、3 ] Tab. 1 Silica sol using for investment cast vocation
流程 。配制涂料用的粉料是 W2O 白刚玉粉 ,挂砂材 料为 24 # ～80 # 白刚玉砂 。硅溶胶是表 1 中所列的任 一种 。
图 1 高温合金定向凝固壳型的制备工艺流程图[3 ] Fig. 1 Making process schema of directional solidification shell
9. 0～9. 5 9～20 9. 8 9. 8 13～14 9. 8 12. 5
为确保壳型品质 ,航空铸造部门推荐的技术指标
为[3 ] :24 %～31 % SiO2 , ≤0. 40 % Na2O ,p H 值 8. 5～ 10 ,SiO2 粒径 10～20 nm ,运动粘度 ≤6 ×10 - 6 m2/ S , Cl - 1 < 0. 03 %。外观为乳白色或淡色 ,无外来夹杂 ,稳
在干燥过程中 ,水分从壳型表面不断蒸发而吸收 热量 ,这会使蜡模温度下降 ,尺寸缩小 ,易产生表面缺 陷 。干燥过程应尽可能快 ,以防止壳内表面温度变化 造成的影响 。理想的干燥系统应能利用干燥过程的温
度下降所需要的大量流动空气使湿球温度与浸涂室室 温相平衡[10 ] 。目前多采用可控温度的热风干燥 ,这可 缩短干燥时间 ,又可保证壳型品质 。当然 ,不同壳型的 制备工艺是不相同的 。表 3 和表 4 分别列出高温合金 铸件和铝合金铸件制壳工艺参数 。
15 mΩ以上则被认为型壳已干燥充分 ,此时壳型对应 的含水量应在 10 %以下 。
模壳经脱蜡 、焙烧后就成为可浇注金属液的壳型 , 可用随炉试样检查每批型壳的性能 。用不同硅溶胶制 成的陶瓷型壳的强度和抗变形性能 ,见表 5 。从中可 以看出国产硅溶胶型壳的强度水平及高温自重变形性 能与国外先进品类的硅溶胶接近 。
本文以作者的大量实践经验和得到的有关资料 , 讨论硅溶胶作为熔模壳型粘结剂应用中的若干问题 , 供同行参考 、交流 。 1 硅溶胶的特性及品类选择
硅溶 胶 是 乳 白 色 透 明 胶 体 , 最 常 用 的 是 SiO2 30 %、Na2O < 0. 5 %的钠型硅溶胶 。它与液体硅酸钠 和硅酸乙酯水解液一样在制造陶瓷型壳时以硅酸胶体 起粘结作用 ,其基本成分是无定型 SiO2 ,粒子具有大 的比表面积 ,带负电荷 ,水合硅醇层 ( SiOH) 在干燥过 程中提供湿强度 ,壳型焙烧时 ,大部分自由水分和结构 水分蒸发掉 ,可获得最大强度 ,以承受浇注熔融合金液 的冲击作用 。
30 31. 24
≤0. 30 1. 195～1.Hale Waihona Puke Baidu215
0. 23
1. 209
0. 30
1. 194
≤0. 59 1. 2～1. 22
0. 29
1. 202
0. 32 0. 34
1. 22
≤0. 70 3. 94 2. 69 ≤8 3. 70
3. 88
0. 85～10 10～20 9. 0 12～15 9. 5 14～18