精鑄專用剛玉在熔模精密鑄造中的深度應用研究

1、鄭州大禹化工產(chǎn)品有限公司摘要摘要:剛玉材料用于中國的精密鑄造行業(yè)已有很早歷史,在國外也被大面積使用,近年來由于受使用習慣,工藝水平,涂料制備方法,冶煉工藝及剛玉特性等的多方面因素制約,導致剛玉材料在我國的精密鑄造制殼中未能大面積應用.2010年以來受到了單一的鋯英材料的價格飛漲的直接不利影響,很多精鑄企業(yè)的制殼成本不堪重負.本文旨在為了精鑄企業(yè)在制殼面層材料上能多一種優(yōu)化的選擇,通過大量的生產(chǎn)試驗及應用經(jīng)驗全面深入的對剛玉材料及鋯英材料做以對比和剖析,以供精密鑄造工作者參考.關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:制殼,面層,精鑄專用剛玉,鋯英,成本,漲價剛玉和鋯英的基本性質(zhì)剛玉和鋯英材料目前在熔模精密鑄造型殼中的實際

2、應用剛玉材料的性能優(yōu)點剛玉材料的性能缺陷在熔模精鑄生產(chǎn)中剛玉材料的應用發(fā)展的方向結(jié)論白剛玉是以優(yōu)質(zhì)的鋁氧粉(氧化鋁粉)為原料，經(jīng)高溫電熔冶煉而成，它具有顏色潔白、硬度高、韌性稍低、純度高、自銳性優(yōu)、磨削力強、發(fā)熱量小、效率高、耐酸堿腐蝕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好等特點，它不但是高級的磨料磨具材料，且還是高級研磨、拋光材料等，用它加工制成的磨具，適用于磨削高碳鋼、高速鋼及各種不銹鋼。它還廣泛適用于精密鑄造、鋼鐵耐火、化工耐火、95電 瓷、裝飾瓷等特種陶及日常生活用瓷，以及軍工、電子等高科技行業(yè)。白剛玉晶格組織白剛玉晶格組織白剛玉白剛玉原塊原塊耐火材料化學指標耐火材料化學指標磨料磨料化學成份化學成份白剛

3、玉砂白剛玉砂白剛玉是以優(yōu)質(zhì)的鋁氧粉(氧化鋁粉)為原料，經(jīng)高溫電熔冶煉而成，它具有顏色潔白、硬度高、韌性稍低、純度高、自銳性優(yōu)、磨削力強、發(fā)熱量小、效率高、耐酸堿腐蝕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好等特點，它不但是高級的磨料磨具材料，且還是高級研磨、拋光材料等，用它加工制成的磨具，適用于磨削高碳鋼、高速鋼及各種不銹鋼。它還廣泛適用于精密鑄造、鋼鐵耐火、化工耐火、95電 瓷、裝飾瓷等特種陶及日常生活用瓷，以及軍工、電子等高科技行業(yè)。棕剛玉是以鋁礬土、焦碳（無煙煤）、鐵屑為主要原料，在電弧爐內(nèi)經(jīng)高溫熔煉提純結(jié)晶而成，它具有硬度高、韌性大、顆粒鋒銳、磨削力強、耐高溫、效率高等特點，是優(yōu)質(zhì)的磨料磨具材料和高級耐火材

4、料。用它制成的磨具，適用于磨削抗張強度較高的金屬，可切割、磨削各種通用鋼材、碳素鋼、一般合金鋼，可鍛青鋼、硬青鋼等，也可以作為高級耐火材料，廣泛用于鋼鐵、化工及其它行業(yè)。棕剛玉原塊棕剛玉粉棕剛玉砂棕剛玉是以鋁礬土、焦碳（無煙煤）、鐵屑為主要原料，在電弧爐內(nèi)經(jīng)高溫熔煉提純結(jié)晶而成，它具有硬度高、韌性大、顆粒鋒銳、磨削力強、耐高溫、效率高等特點，是優(yōu)質(zhì)的磨料磨具材料和高級耐火材料。用它制成的磨具，適用于磨削抗張強度較高的金屬，可切割、磨削各種通用鋼材、碳素鋼、一般合金鋼，可鍛青鋼、硬青鋼等，也可以作為高級耐火材料，廣泛用于鋼鐵、化工及其它行業(yè)。 鋯go砂亦稱鋯英砂、鋯英石，是一種以鋯的硅酸鹽(Zr

5、2SiO4)為主要組成的礦物。純凈的鋯英砂為無色透明晶體，常因產(chǎn)地不同、含雜質(zhì)的種類與 數(shù)量不同而染成黃、橙、紅、褐等色，結(jié)晶構(gòu)造屬四方晶系，呈四方錐柱形，比重4.64.71，比重的變化有時與成分和蝕變狀態(tài)有關(guān)鋯英石解理不完全，均勻莫氏硬度為78級，折射率1.932.01，理論完全熔點隨所含雜質(zhì)的不同在21902420內(nèi)波動。主要化學組成為ZrO2；SiO2，及少量 Fe2O3、CaO、AI2O3等雜質(zhì)。鋯英砂的理論組成為ZrO2：67.1%；SiO2：32.9%。它是ZrO2-SiO2系唯一的化合物。但天然鋯砂僅含約4066%ZrO2。鋯英石是一種主要由火成巖形成時從巖漿中結(jié)晶出來的鋯、硅和

6、氧組成的礦物。鋯英石也產(chǎn)于巖脈和 變質(zhì)巖中。它屬四方晶系，常呈發(fā)育良好的錐狀小四方柱體，也成不規(guī)則粒狀。性脆，斷口貝殼狀。是優(yōu)質(zhì)的耐火材料。多與鈦鐵礦、金紅石、獨居石、磷釔礦等共 生于海濱砂中，經(jīng)水選、電選、磁選等選礦工藝分選后而得到。鋯英砂（鋯英石）極耐高溫，其理論熔點高達2000以上。并耐酸腐蝕。世界上有80%的直接用于鑄造工業(yè)、陶瓷、玻璃工業(yè)以及制造耐火材料。少量的用于鐵合金、醫(yī)藥、油漆、制革、磨料、化工及核工業(yè)。極少量的用于冶煉金屬鋯。面層涂料:白剛玉粉,棕剛玉粉,鋯英粉(均為一級)面層撒砂:白剛玉砂,棕剛玉砂,鋯英砂(均為一級)白剛玉粉:用于不太復雜的鑄件面層涂料,包括碳鋼,不銹鋼,

7、高溫合金,錳鋼等堿性鋼種及有色金屬鑄件.棕剛玉粉:碳鋼鑄件面層涂料,復合型殼面層涂料鋯英粉:除錳鋼等堿性鋼種之外的鑄件的面層涂料面層撒砂:白剛玉砂,棕剛玉砂,鋯英砂均有使用,選擇控制好粒度即可,一般來說,大件撒砂粒度較粗(50/100,40/70),小件撒砂較細(80/120,90/140)粉料應為較寬粒度分布的級配粉精鑄專用剛玉粉漿+精鑄專用剛玉砂鋯英粉漿+鋯英砂鋯英粉漿+精鑄專用剛玉砂(精鑄專用剛玉粉+鋯英粉)漿+精鑄專用剛玉砂鋯英粉漿+(鋯英砂+精鑄專用剛玉砂)(鋯英粉+熔融石英粉)+鋯英砂高純剛玉粉漿+高純剛玉砂鋯英面層同精鑄專用剛玉面層鑄件對比。鋯英面層同精鑄專用剛玉面層鑄件對比。鋯

8、英面層同精鑄專用剛玉面層鑄件對比。鋯英面層同精鑄專用剛玉面層鑄件對比。在河北錳13材質(zhì)鑄件上的成功應用(高純剛玉粉漿+高純剛玉砂)錳13這種鋼號,之前用石英材料和鋯英材料都不行,采用硅溶膠-水玻璃復合工藝:1 面層漿料配制:硅溶膠+高純剛玉粉,粉液比1: 3.03.2,粘度值3740秒2 二層漿料配制:在面層漿料中加入硅溶膠,使粘度值為1819秒3 面層和二層,均撒高純剛玉砂.4 面層和二層在溫度24度,濕度60%65%的環(huán)境條件下干燥,面層干燥4小時,二層干燥8小時.5 從第三層開始,采用水玻璃工藝。在江蘇選用高純剛玉做面層、二層、三層制殼耐火材料，配之局部冷卻措施，可以解決特殊的馬氏體不銹

9、鋼葉片鑄件麻點、麻坑的鑄造缺陷；對于大平面薄壁鑄件，采用增設工藝釘?shù)姆椒?，能夠解決鑄件表面的龜裂缺陷。具體制殼工藝:硅溶膠+專用白剛玉粉面層漿料之粉液比：1：3.15，粘度值：33s36 s，面層撒砂：80120目專用白剛玉砂第二層做預濕，采用第一層的漿料，粘度17s18 s，撒80100目專用白剛玉砂。第三層做預濕，采用第一層的漿料，粘度1819s,撒4070目專用白剛玉砂。第四層不做預濕，采用莫來粉漿，撒3060目莫來砂。第五層不做預濕，莫來粉漿，粘度14s,撒1630目莫來砂。用莫來粉漿封層。由于剛玉砂材料顆粒本身具有一定的顯氣孔率,因此面層撒砂具有較強的吸濕性。已經(jīng)在溫州等地大型不銹鋼

10、閥門鑄件面層應用成功并廣泛用于生產(chǎn)。剛玉材料的性能缺陷剛玉材料的性能缺陷剛玉粉涂料面層殘留強度高,容易在鑄件過熱處形成機械粘砂,造成清理難度加大,主要是一些復雜的五金件及溝槽較多的其它鑄件剛玉砂粒型不規(guī)則,容易造成型殼面層不致密.(采用淋砂機增加重力以使砂粒同面層涂料很好嵌入,并適當降低二層涂料粘度,以使二層涂料更好滲入面層空隙.)剛玉砂粉顆粒存在一定數(shù)量的顯氣孔,由于顯氣孔的迅速吸濕性容易導致面層涂料的變形而造成鑄件表面光潔度不好及毛刺的產(chǎn)生.(適當加大面層干燥的濕度及縮短干燥時間)由于顯氣孔的吸水性客觀存在,如果型殼燒不透,容易在澆注過程中產(chǎn)生蒸汽或其它氣體而使鑄件表面局部產(chǎn)生氣孔,(提高

11、焙燒溫度及延長焙燒時間)黏度夠;密度大(粉液比高),耐火度夠黏度夠:目的是為了達到好的濕強度;密度大(粉液比高):獲得致密的型殼面層,使得鑄件表面光潔;耐火度夠:面層涂料不會被熔化,有好的高溫強度。濕強度好,高溫強度高,殘留強度低.以上黏度夠;密度大(粉液比高),耐火度夠解決了濕強度,高溫強度的問題,從理論上好似也解決了表面光潔度問題,但是表面光潔度有一個前提必須是脫殼后,因此脫殼難易程度將對鑄件表面質(zhì)量起到直接作用。粉料的耐火度不必要求過高,主要應考慮耐火粉料自身或與涂料中其它組分之間及與撒砂材料之間的反應燒結(jié)性,此時要求其燒結(jié)點接近鑄造合金的澆鑄溫度,能在澆鑄過程中生成新相或產(chǎn)生輕度燒結(jié),

12、或完全熔融,涂料層呈陶瓷態(tài)或高粘度的玻璃態(tài),能抵抗金屬液滲透,并且冷卻后易于與鑄件剝離,得到表面光潔的鑄件,這種涂料稱之為燒結(jié)剝離型涂料。燒結(jié)剝離型涂料的耐火粉料一般為復合型,即由多種能在金屬液澆鑄溫度下相互燒結(jié)的粉料構(gòu)成,也可在一種粉料的基礎(chǔ)上添加相應的助熔劑(或氧化劑),以使粉料產(chǎn)生適度燒結(jié)和熔融。從這個理論我們可以看出符合此燒結(jié)剝離理論的涂料和耐火粉料才易于清殼,才能真正低成本獲得光潔的鑄件表面。使用燒結(jié)溫度比金屬的澆鑄溫度低50100,能發(fā)生輕度燒結(jié)的耐火材料,以 形成致密的涂層。 在涂料耐火骨料中配入某些助熔成分,在澆注溫度下適度熔融,形成一層致密無縫的玻璃體。 選用細粒度的耐火粉料

13、。一般要求粉料粒度能全部過325目(40m),其中10m的應占15%20%為宜。鋯英粉硅溶膠涂料的粉液比按3:1計,則面層涂料層干燥后鋯英粉同硅溶膠中活性納米級二氧化硅的質(zhì)量比約為10:1,二氧化硅同氧化鈉的質(zhì)量比約為60:1,即面層涂料中的鋯英粉:二氧化硅:氧化鈉=600:60:1(按質(zhì)量)在型殼焙燒的過程中所有的氧化鈉將通過1:1的比例同二氧化硅生成硅酸鈉,而硅酸鈉的熔點約為1100,如果正好型殼的焙燒溫度在1100以上,那么硅酸鈉將全部變成液相玻璃相,正好修補好所有的面層孔隙,由于硅酸鈉玻璃相很少,對型殼面層的強度不造成任何不利影響,需要說明的是由于型殼焙燒條件的限制,這個過程不一定會發(fā)

14、生,也就是說焙燒溫度的精準性受限,又加上液相點正好也是1100,因此硅酸鈉玻璃相不一定會在燒殼過程中出現(xiàn),即便出現(xiàn)因為微量我們?nèi)庋垡搽y以觀測到。澆鑄溫度遠遠高于1100,考慮到型殼面層的溫度梯度的影響,澆鑄時型殼面層的溫度也遠遠高于1100,因此這時型殼表面一定有液相玻璃態(tài)物質(zhì)出現(xiàn),液相分為三種玻璃態(tài)及氧化亞鐵液相:硅酸鈉(1100),納米二氧化硅(燒結(jié)900),鐵橄欖石(1205),氧化亞鐵（1370），在面層同鋼水之間形成一層若有若無的液相隔離層,鋼水同玻璃相互不相溶鋼水的凝固點均高于三種玻璃相物質(zhì),因此鑄件表面先于凝固成型,而三種液相之后陸續(xù)冷卻成固相,同鑄件表面基本脫離.因而殘留強度很

15、低. 。剛玉粉硅溶膠涂料的粉液比按3:1計,則面層涂料層干燥后剛玉粉同硅溶膠中活性納米級二氧化硅的質(zhì)量比約為10:1,二氧化硅同氧化鈉的質(zhì)量比約為15:1,即面層涂料中的剛玉粉:二氧化硅:氧化鈉=150:15:1(按質(zhì)量)在型殼焙燒的過程中所有的氧化鈉將通過1:1的比例同二氧化硅生成硅酸鈉,而硅酸鈉的熔點約為1100,如果正好型殼的焙燒溫度在1100以上,那么硅酸鈉將全部變成液相玻璃相,正好修補好所有的面層孔隙,由于硅酸鈉玻璃相很少,對型殼面層的強度不造成任何不利影響,需要說明的是由于型殼焙燒條件的限制,這個過程不一定會發(fā)生,也就是說焙燒溫度的精準性受限,又加上液相點正好也是1100,因此硅酸

16、鈉玻璃相不一定會在燒殼過程中出現(xiàn),即便出現(xiàn)因為微量我們?nèi)庋垡搽y以觀測到。在硅酸鈉生成的同時,另外的反應也發(fā)生了,剛玉粉同剩余的活性納米二氧化硅反應生成莫來石相,此反應在型殼培燒過程中不能反應完全,但已經(jīng)生成少量的固相莫來石(軟化點1650-1700),熔點1800以上在澆鑄過程中型殼面層同鋼水之間存在很少量的硅酸鈉玻璃液相,且不足以形成連續(xù)的液相,只能修復型殼表面孔隙,同時莫來石繼續(xù)生成而且始終為固體,而莫來石的強度很高,特別是在涂料層較厚的過熱部位莫來石的生成量較大,另鋼水少量氧化生成的液體氧化亞鐵也同剛玉反應生成強度更高的鐵鋁尖晶石，因此鑄件凝固后在這些部位由于殘留強度高而出現(xiàn)局部機械粘砂

17、(用外力脫殼清理后,鑄件基體表面質(zhì)量良好) 。從以上2種粉料的涂料脫殼機理來分析,不難看出,關(guān)鍵是低熔點的玻璃態(tài)基質(zhì)沒有在剛玉粉涂料面層界面適量出現(xiàn),從而導致涂料層相對于鑄件的剝離性差. 基于此,我們認為應從以下方面來解決改善剛玉粉型殼的脫殼性能:從剛玉粉材料本身的性能改善上持續(xù)加大力度,主要是解決殘留強度高的問題,使之接近或達到鋯砂的標準,甚至超越鋯英砂近些年,我們主要從材料內(nèi)部引入相變機制從而形成微觀微裂紋來降低殘留強度的方法,雖然取得了很大進展,但是還沒有徹底解決精鑄專用剛玉的脫殼難問題.根據(jù)以上剝離理論分析,下一步和現(xiàn)在我們正在相變的基礎(chǔ)上再引入玻璃相機制,從而類似于鋯英材料的脫殼機理

18、.從工藝水平上徹底解決剛玉材料在制殼過程中使用方法問題在能滿足充型要求的前提下盡量降低澆鑄溫度在鑄件凹槽,拐角等熱節(jié)部位盡量避免涂料堆積詳細評估清理難帶來的成本增加我們將加大對精鑄行業(yè)的精鑄技術(shù)支持力度其他方法。通過最近幾年的大量生產(chǎn)實踐證明,剛玉特別是精鑄專用剛玉材料在熔模精鑄制殼面層中使用是可行的.如果能徹底解決其殘留強度問題,則剛玉材料同鋯英砂一樣可以在精鑄制殼中大面積大范圍應用.剛玉材料廠商應投入科研力量從材料本身出發(fā)來解決問題,同時精鑄廠商應積極從工藝方法調(diào)整上來確定更完善的工藝從而解決問題,兩者應互相配合.目前除了特別復雜結(jié)構(gòu)的鑄件應用精鑄專用剛玉粉存在脫殼性問題,及表面要求特別高的鑄件外,其它類型鑄件的制殼面層均可以正常使用.剛玉由于其人造的特點,必須根據(jù)精密鑄造使用的特點和要求經(jīng)過級配及適當改性處理才能真正滿足整個熔模精密鑄造行業(yè)的制殼使用剛玉和鋯英的基本性質(zhì)剛玉和鋯英材料目前在熔模精密鑄造型殼中的實際應用剛玉材料的性能優(yōu)點剛玉材料的性能缺陷在熔模精鑄生產(chǎn)中剛玉材料的應用發(fā)展的方向1 姜不居，熔模鑄造手冊M，北京，機械工