熔模铸造中所用的耐火材料主要为石英和刚玉

[大][中][小] 2013-07-18 08:05

  常用耐火材料的性能及应用范围  目前熔模铸造中所用的耐火材料主要为石英和刚玉,以及由不同含量Si0,和Al,0;所组成的硅酸铝耐火材料,如耐火粘土、铝矾土、焦宝石、匣钵砂等,有时也用锆石(Zr0,Si0。)、镁砂等。
    1)石英(Si0,)。因天然硅砂中含有较多的杂质,熔模铸造时不宜用它作耐火材料,故只能用人造石英。人造石英来源丰富,但它的热膨胀系数大,尤其在573℃时,它由B一石英转变为d一石英,体积骤然膨胀,线膨胀率达l。4%,这会使焙烧的型壳开裂,并降低强度。目前一般在生产碳素钢、低合金钢、铜合金铸件时,才采用人造石英为耐火材料。而在生产高温合金、高铬、高锰钢铸件时,由于它们所含的铝、钛、锰、铬等元素会与酸性的石英型壳发生化学反应,而使铸件表面恶化(生产铝合金铸件时也会发生上述情况),此外,硅石粉尘对人体有害,故目前国内许多单位都设法用铝矾土(熟料)、匣钵砂等代替人造石英制作型壳。
    石英玻璃是用优质硅砂(Si0:的质量分数大于99%)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,它的纯度极高,熔点约l713℃,热膨胀率极小,有极高的热震稳定性,强度很高,但抗冲击性能较低,在1100%以上会显著析晶,一般价格较高。在形成铸件中的细长内孔、薄宽内腔时,常用石英玻璃的制件和石英玻璃粉作为制壳型时的陶瓷型芯。
    2)刚玉(OL—Al:0,)。刚玉又称电熔刚玉,有白色和棕色两种。前者是工业氧化铝在电弧炉内经高温熔融、冷却后破碎而得的;后者则是铝矾土在电炉内加热到2000—2400%,用碳还原Fe、si和Ti的氧化物,然后除去这些杂质,冷却后破碎而得。白刚玉中A1,0,的质量分数超过98.5%,而在棕色刚玉中则含93%以上。熔模铸造中用得较多的是白色刚玉。
    刚玉的熔点高(2050“(2),密度大(4.O9/cm3),结构致密,导热性能好,热,NNd,N均匀,在高温下呈弱酸性或中性,抗酸、碱性强。用它制作的型壳尺寸稳定,与合金中的Ni、Cr、Al、Ti等元素不发生反应。但由于它来源稀缺,价格较高,目前主要用来生产耐热不锈钢、超级耐热高温合金和表面要求较高的熔模铸件。
3)锆石。锆石也称硅酸锆(Zr0。e Si0:),其熔点高达2400℃,热膨胀系数小且膨胀均匀,导热性较好,蓄热能力大,多用于面层涂料,以提高铸件的尺寸精度、表面质量并细化表面晶粒。
    4)铝一硅系耐火材料。铝一硅系耐火材料是以氧化铝和二氧化硅为基本化学组成的材料。随着Al,0,、Si0。组成的不同,此材料的相组成也发生变化。Al,0,.Si0,二元相图,它表示铝一硅系耐火材料的理论相组成及随温度的变化情况。随Al:0,含量的不同,铝一硅系耐火材料可分为半硅质(埘蝴。=15%~30%)、粘土质(删一,:0。=30%~46%和高铝质(加。,:0,>46%)三类。
        高岭石的分子式为Alz0。‘2Si0:,在煅烧后,其理论成分组成(质量分数,余同)为A1。0345。87%+Si0254.13%,其主要矿物组成为莫来石和方石英。高岭石呈弱酸性,密度为2.6∥cm。,熔点为1750~1785。(2,线膨胀系数小,在我国资源丰富,价低。
    硅线石的分子式为Alz0,。Si0:,其理论成分组成为Al:0,62.9%+si0。37.1%,它的线膨胀系数小且膨胀均匀,高温下呈中性反应,密度为3.259/cm3,在我自储量少,故较少采
用。
    莫来石的分子式为3A1。0s。2Si0:,又称高铝红柱石。其密度为3.169/cm3左右,热膨胀系数小,熔点高(1810℃开始出现液相)。莫来石的天然矿物少,可用高岭石、硅线石、
铝矾土等煅烧而得。
    铝一硅系耐火材料中的杂质有K20、Na:0、Ca0、M90、Fe。0。、Ti0:等,它们会降低材料中熔液出现的温度和粘度。
    在我国应用较广泛的铝一硅系耐火材料主要有以下几种:
    ①粘土质耐火材料。它通常是指矿物质组成以高岭石为主的粘土,Al:0。的质量分数为%~48%,熔模铸造制型壳用的是耐火粘土生料、耐火粘土轻烧熟料和耐火粘土熟料。
    耐火粘土生料是指天然矿生的粘土,其中A1:0。的质量分数为26%~32%,主要用于配制型壳的加固层涂料。但用它配制的涂料粘度不够稳定。如将粘土生料经800~900。C煅烧,除去结晶水和有机物,则通称耐火粘土轻烧熟料。用轻烧熟料配制的涂料稳定性可得到改善。如沈阳粘土内含有20%~30%轻烧熟料;无锡粘土、北京八宝山粘土则属粘土生料。
    耐火粘土熟料是硬质高岭石粘土原矿经1300。C以上的温度煅烧、破碎而成的,其中A120,的质量分数为37%~48%,Si0:的质量分数约为50%。在晶相的成分组成(质量分数)方面,莫来石占40%~60%,方石英小于18%,另外还有玻璃相。它的耐火度达l770~1790cC,具有热膨胀系数低、强度高、高温化学性能稳定的优点。但因含有Si0,,高温时呈酸性,易在浇注合金液过程中与铝、钛、铬、锰等元素的氧化物发生作用,使铸件表面质量粘砂。故耐火粘土熟料一般只能在配制型壳加固层的涂料时用。在我国应用较广的耐火粘土涂料有上店土、焦宝石、峨眉土、焦作土、淄博土、西山土、煤矸石、匣钵砂等。其中煤矸石是由采煤时得到的矸石经煅烧、粉碎而成,而匣钵砂则是烧制瓷器时用的耐火容器报废后经粉碎筛分而得,因为制匣钵的原材料都为耐火粘土。这两种材料价格较低,应用效果好。
    ②铝矾土。其主要矿物组成是含水氧化铝和高岭石,它是一种含Al:0,较多的高铝质铝1硅系耐火材料,经不低于1400。C温度的煅烧后,其中主要晶相为莫来石或仪一Al,O,(刚玉)+莫来石,前者是铝矾土配上适量粘土后煅烧而成的。其耐火度高于1770。C,热膨胀系数小,高温强度好,型壳焙烧后的变形率低,价格低廉,但型壳的残留强度高,脱壳性差,常用来替代石英和刚玉作型壳的加固层用,个别场合也用来配制面层涂料。
    5)铝酸钴。铝酸钴是用质量配比为氧化钴20%+刚玉80%的粉料在1260~1300。C焙烧5~6h,粉碎后过140~200号筛而得到的材料,常在生产燃气涡轮叶片等铁基、钴基、镍基合金铸件时,作为铸件表面晶粒的细化剂加入面层涂料中使用。
    铝酸钴的细化晶粒原理为:当它们在高温下与合金中的Cr、Al、Ti、C等活性元素作用时,能被还原出金属钴,其结构与合金基体非常接近,合金便以析出的金属钴为晶核进行结晶,使铸件表面晶粒细化。
    铝酸钴在硅溶胶涂料中的加入量一般为涂料中固体重量的3%~5%。还可配面层用硅溶胶(1kg)+铝酸钴(2.5~3.0kg)+JFC+正辛醇的涂料单独使用。

 

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