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 。
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
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
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
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 。
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 。
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
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
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
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 。
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 ] 。
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
《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
99. 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
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 。
—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 ] 。
30 31. 24
≤0. 30 1. 195～1. 215
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
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] 。
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 。
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
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 、