熔融石英与铝-硅系材料的比较

1、熔融石英与铝-硅系材料的比较  2000年MincoInc.在美国第48届精铸年会和INCAST杂志2001年第3期上发表论文，对熔融石英和铝-硅系耐火材料进行了全面的分析对比。 1.1型壳质量  熔融石英密度为2.2g/cm3 ,铝-硅系材料为2.7g/cm3, ，故同样厚度型壳，前者质量明显小于后者，有利于减轻工人劳动强度和机械手操作。 1.2热膨胀率  图1和图2所示分别为脱蜡和焙烧过程中，这2种材料

热膨胀率的比较。热膨胀系数小是熔融石英的一个很大的优点，有利于减小加热时型壳内外因温度差造成的热应力，因而有利于防止脱蜡和焙烧过程中型壳开裂和变形。同时，对提高铸件尺寸精度也甚为有利。所以，铸造尺寸公差要求严格的产品，就更适合采用熔融石英。

1.3力学性能和透气性  表1所列为2种材料制得型壳的力学性能和透气性比较，结果显示，湿强度（抗弯强度）和断裂韧度，熔融石英型壳稍低于铝-硅系型壳，但透气性却远高于铝-硅系型壳。

1.4高温抗蠕变能力  当采用熔融石英撒砂代替铝-硅系材料时型壳高温抗蠕变能力提高（见图3）熔融石英在高温下（约1200℃）结晶化转变可作为这种现象的一种解释。

1.5脱壳性  容易脱壳和清理是熔融石英迅速崛起的最重要原因。不同材料型壳残留强度试验结果见表2。可见熔融石英型壳残留强度大大低于铝-硅系材料。这是因为熔融石英大约在1200℃高温下会转变为方石英。实践证明，在浇注温度下，型壳中大约有70%熔融石英转变为方石英。当型壳温度下降至300℃左右，方石英又由高温型转变为低温型，同时体积骤变（见图4）无数裂纹随之产生，型壳强度剧降，于是，脱壳性大为改善。此外，对于全铝-硅系型壳来说，如采用碱煮、碱爆等化学清理方法，碱溶液只能溶解粘结剂中的二氧化硅，对耐火粉、粒料却无能为力。但对熔融石英型壳来说，无论粘结剂还是耐火材料，碱都有强烈的腐蚀作用。试验表明，在质量分数为50%的KOH熔液中沸腾碱煮，全熔融石英型壳经109min就大部分溶解，而铝-硅系耐火砂、粉则看不出有什么变化。所以，采用熔融石英，有利于碱煮、碱

爆等化学清理。减少耗碱量，提高效率。

1.6充型难易  当温度低于600℃时，熔融石英热导率较铝-硅系材料差（见图5），而比热容又只有锆石的一半，这些因素都有利于薄壁铸件的充型。但温度高于600℃，由于熔融石英透明度高（夜间浇注时，甚至可透过型壳看见其中流动的钢液），因此辐射散热快，铸件冷却快，更容易获得健全致密的铸件，这对于铸造铝合金薄壁件甚为有利，但同时也会使铸件产生裂纹的趋向增加。

与铝-硅系耐火材料比较，尽管熔融石英有着上述诸多

优点，但毕竟价格较贵，是否采用，各厂可自行权衡。如何使用，是用于面层，还是用于背层；是单独用，还是与其他材料混合用；是用粉料，还是用作撒砂料；都需要根据具体情况，才能获得最佳效果。 2、熔融石英和锆石的比较  Jerry D.发表于2002年美国第50届精铸年会的论文，对用于精铸面层的2种主要耐火材料——熔融石英和锆石进行了全面的分析对比。 2.1锆石的优缺点 2.1.1锆石的优点  （1）锆石粉粒度分布宽，一般无需级配，配制成的涂料浆流变性就很适合涂挂，涂料覆盖性、流平性均属一流。此外，由于密度大，空料时涂料浆流淌快。  （2）锆石砂粒形好，多为球形 （见图6），流动性好，容易充填蜡模上的孔洞、凹槽等不易充填的部位，很适合作为面层撒砂料。

2.1.2锆石的缺点  （1）经常发生周期性货源短缺，供应紧张，价格较贵。 （2）由于锆石是天然矿产，所以含有某些有机物和其他杂质在所难免。其中有的（特别是Fe2O3、磷酸钙等)会和涂料中的粘结剂、添加剂或其他耐火材料反应，造成涂料浆PH改变而迅速老化变质，铸件表面也容易出现硅酸铁黑褐色斑疤或丘疹。  （3）由于环保法规越来越严格，近来，美、欧各国普遍更加关注锆石中放射性元素可能造成的环境问题，这又可能使其价格进一步攀升。 2.2熔融石英的优缺点 2.2.1熔融石英的优点  （1）熔融石英的价格比锆石便宜，加上密度又比锆石低得多（前者2.2g/cm3 ,后者4.7~4.9g/cm3 ),所以，用熔融石英代替锆石，可降低制壳成本。  （2）熔融石英原材料经过精选，再经电弧重熔，并剔除方石英，因此杂质少，纯度高（见表3）。所以涂料浆稳定性向来不成问题。实践证明，熔融石英—硅溶胶涂料稳定性通常可长达1年以上。

（3）高温晶化，低温相变，使铸件表面容易清理干净。 2.2.2熔融石英的缺点  （1）粉料粒度分布范围窄，再加上密度小，不利于涂料流淌、滴落；由于熔融石英涂料浆透明度高，使操作者难于识别涂料厚度和均匀程度。  （2）作为面层撒砂，熔融石英砂粒形为多角形（见图6），再加上密度小，容易架桥，形成浮砂。 2.3应用熔融石英应注意的一些问题  采用熔融石英作面层耐火材料需要特别注意它的适用范围。从热力学角度考虑，在高温条件下，某些金属和合金元素会和二氧化硅反应，例如，航空结构件的重要合金材料IN-718中，铌就会与二氧化硅起反应，臵换出硅而污染合金。许多高温合金中都含有的铝、钛等活性元素，或铪、锆和镧等强化元素，以及铝-锂合金中的锂等，在浇注温度下也都有和二氧化硅反应的可能性。但从动力学角度考虑，还存在一个反应速度问题。  用熔融石英粉配制面层涂料，浇注普通碳钢和低合金钢最安全和保险。也可以适当比例和锆石粉混合，浇注不锈钢。但对于含有钛、铌等高活性元素的不锈钢应慎用。一些精铸厂家认为，由于熔融石英的主要化学成分是SiO2,用它作为面层材料浇注不锈钢，可能会催生黑色硅酸铁麻点或斑疤。铸件表面一旦出现此类缺陷，防止钢液和铸件氧化是有效地

应对措施。但值得一提的是，由于在浇注温度下，锆石也很容易分解成ZrO2和SiO2 ,所以，即使采用锆石作面层材料，此类缺陷也同样时有发生。改用刚玉作面层材料才是较为彻底的解决办法。