为了反映生产真实情况, 涂料配制采用低速的L型搅拌机。涂料在配制时, 开始粘度很高, 经过10多个小时的搅拌, 粘度逐渐下降, 最后达到稳定状态。

      由于高铝矾土熟料的杂质含量多, 成分复杂, 其耐火度及热稳定性较锆英石差, 首先在碳素钢、低合金钢的面层涂料中进行工艺性试验, 后又进行了批量生产。面层分别采用锆英粉1号涂料、高铝矾土精铸粉5号与7号涂料, 精铸砂100~120目;其余各层采用莫来石质耐火材料:粉液比 (质量比) 2层1.5, 3~6层1.6~1.7, 半层1.5~1.4, 各层涂料的粘度、撒砂的粒度要求与原硅溶胶制壳工艺相同。型壳焙烧温度950~1 050℃, 保温时间30 min, 红壳浇注, 钢液浇注温度为1 600℃左右。清砂后铸件见图1-3。小铸件的单件质量0.2 kg, 大件26 kg;从铸件结构来分析, 最小壁厚为3 mm, 最大壁厚为35 mm。铸件经清理后小件尺寸精度在 (GB/T 6414—1999) CT6级以上,表面粗糙度Ra=3.2~6.3μm;大件在CT7~CT8级以上, 铸件变形小, 表面粗糙度Ra=6.3~12.6μm。铸件表面质量不比采用锆英粉-锆英砂涂层差, 如图1-2, 说明高铝矾土精铸砂 (粉) 不与碳素钢、低合金钢液中的元素发生反应。在脱壳时发现高铝矾土精铸砂 (粉) 面层与背层之间结合比较密实, 尖角、孔洞、窄槽处清砂困难 (如图2) , 增加了抛丸时间, 但经过抛光处理铸件表面光洁, 没有发现粘砂现象。在浇注同种铸件型壳时, 铝矾土型壳比锆英石型壳排气性能差。改进后的工艺使原材料成本降低, 面层耐火材料用铝矾土精铸砂 (粉) 吨成品铸件成本为196元, 用锆英砂 (粉) 吨成品铸件成本为783元。

      3 分析与讨论

      锆英石是ZrO2-SiO2二元系中唯一的化合物, 纯的ZrSiO4耐火度在2 000℃以上, 锆英石的分解温度为1 540℃。当含有K、Na氧化物时, 开始分解温度会降为900℃左右。含Ca、Mg氧化物时分解温度为1 300℃左右。因此, 熔模铸造一般采用一级锆英砂 (粉) , 杂质含量低。如果供应商提供的锆英砂 (粉) ZrO2含量低, 特别是杂质含量高, 价格可能便宜点, 但铸件的表面质量会降低。

      铝矾土精铸砂主要化学成分Al2O3含量大于87%, 主晶相为刚玉, 次晶相是莫来石, 少量Al2O3·Ti O2固溶体晶体, 以及玻璃相。刚玉为α-Al2O3晶体, 熔点高, 热膨胀小, 导热性好, 属两性氧化物, 呈弱碱性或中性, 在型壳面层不与氧化性元素发生反应。莫来石是Al2O3-SiO2二元系中常压下唯一稳定存在的二元化合物, 在1 800℃时仍很稳定, 1 810℃分解为刚玉和液相。铝矾土中刚玉加莫来石大于90%, 耐火度大于1 770℃。但是铝矾土中含有较高的杂质, 特级铝矾土中碱金属氧化物和碱土金属氧化物 (CaO+MgO+K2O+Na2O) 总量高。贵州铝矾土以K2O为主要成分, K2O每增加1%, 玻璃相增加7%, 在Al2O3-SiO2-K2O系高铝区液相形成温度为1 315℃。Ti O2有60%进入结晶相形成Al2O3·Ti O2晶体, 40%进入玻璃相。Fe2O3与Al2O3和Si O2均不形成化合物, 但在特级铝矾土中于1 460℃形成液相, 在与Ti O2共存的条件下, 可与Al2O3形成含铁的钛酸铝, 降低铝矾土的高温性能。CaO含量一般为0.2%左右, 可形成钙长石, 钙长石-莫来石-鳞石英间的共熔温度为1 345℃。因此, 供应商应尽量降低铝矾土熟料中的杂质含量。

      铝矾土精铸砂型壳的残留强度较高, 首先是结壳时存在于耐火颗粒间的Si O2凝胶通过固相反应在耐火颗粒表面形成晶态桥连相, 将整个型壳固结起来。其次是高温下型壳中有液相烧结、固相烧结和产生二次莫来石化等原因。这些都发生在型壳焙烧与浇注过程中, 型壳焙烧温度为950~1 100℃, 碳钢、低合金钢铸件的浇注温度常为1 560~1 650℃, 达到了铝矾土的煅烧温度以上。在型壳焙烧与热壳浇注时, 型壳表层就会产生液相, 冷却后液相凝结, 将颗粒牢固地连接起来。液相可能是铝矾土中的Fe、Ti、K、Na等氧化物同耐火材料中的Si O2及粘结剂中的Si O2凝胶反应生成的, 如Na2O-SiO2、K2O-Si O2-Al2O3、Na2O-FeO-SiO2的最低共熔点分别为793℃、755℃及低于500℃。多孔性的铝硅质耐火材料颗粒内部的高活性Al2O3同胶质状Si O2会产生二次莫来石, 并伴有体积膨胀。以上因素的综合会造成铸件内腔、孔洞、沟槽的型壳难以清除。Ti O2含量大时型壳的残留强度增加, 脱壳困难。Fe2O3多时会引起铸件表面化学粘砂。

      高铝矾土耐火材料型壳的透气性比锆英砂 (粉) 型壳差。主要是因为高铝矾土耐火材料的强度和硬度较低, 易碎裂, 使粉料颗粒过细, 分散分布, 砂料粉尘过多, 粒度级配无法达到锆英粉 (砂) 相似的标准, 因而透气性恶化。其次, 在型壳焙烧与浇注过程中存在液相烧结、固相烧结和产生二次莫来石化, 型壳砂粒间结合紧密。在清除铸件型壳时发现锆英砂 (粉) 面层与背层之间因耐火材料不同而明显分层;而高铝矾土精铸砂面层与背层之间已连成一体, 结合比较牢固。对于一般铸件的透气性问题可以控制浇注速度来解决, 其他的在工艺上设置排气孔、排气槽, 特别是薄壁铸件、或内浇道以上封闭型腔部位应当设排气通道, 以防止闭气, 产生浇不足、气孔。

      涂料的老化是由于硅溶胶胶凝的结果, 反映了涂料的稳定性。涂料除了搅拌蒸发失水外, 高铝矾土粉含有少量的Fe2O3、Ti O2、CaO、Mg O、K2O、Na2O等碱性氧化物, 加速了硅溶胶的胶凝。生产中可以通过对涂料的粘度、涂片质量、密度的检测发现异常变化来判断涂料是否老化。因此, 精铸粉浆料不能长期存放, 保质期为12天左右, 定时补充水分, 隔几天应补充新料, 存放时间越长补充新料要越多。

4 结论

      刚玉质高铝矾土精铸粉 (砂) 做型壳面层, 配制的硅溶胶涂料粉液比大, 涂挂性好, 浇注的碳钢、低合金钢铸件表面粗糙度低, 尺寸精度高。其次是铝矾土的杂质是有害的, 影响型壳的高温性能、强度、透气性等, 生产中应当加以严格控制。