SPECIAL CASTING & NONFERROUS ALLOYS
1999年 第3期 No.3 1999
提高熔模铸造型壳强度的途径
周丽红 万卫宾 蔡元任 方亮
摘 要 针对本厂生产存在的实际问题，提出了在以水玻璃为粘结剂的条件下，提高型壳强度的途径。结果表明：对于硅酸铝质耐火粉料，耐火粉料的矿物组成及化学成分对型壳强度起着重要作用，在Al2O3质量分数大于65%后，随Al2O3质量分数的增加，型壳强度不但不增加反而呈现下降趋势。
关键词：水玻璃 型壳 Al2O3 玻璃相 高温强度
The Ways for Increasing of Mold Shell Strength in Lost Wax
Casting
Zhou Lihong Wan Weibin Cai Yuanren (Chinese First Tractor Co., Ltd)
Fang Liang
(Xian Jiaotong University)
ABSTRACT:Based on the three main factors of aluminium silicate affecting mold shell strength, several different kinds of alumina refractory powders are selected to make mold shell specimens. The results show that mold shell with yangquan powders obtain higher strengths at 900 ℃. The test also indicates that glass phase in mold shell is more favorable to increase bonded property among alumina particles in comparison with silica gel.
Key Words: Sodium Silicate, Mold Shell, Al2O3, Glass Phase, Strength at High Temperature
0 前 言
熔模铸造型壳粘结剂，国内仍广泛应用水玻璃。我厂主要生产拖拉机、汽车零件等产品，表面质量要求较低，并且受成本的限制，所以仍以水玻璃作粘结剂。但水玻璃型壳存在强度差的缺点，生产的型壳，因为强度不高造成的鼓壳、跑火现象十分严重。严重时，有鼓壳缺陷的型壳高达80%以上。本文从影响水玻璃型壳高温强度和涂料工艺性能的三
个主要因素，即：①耐火粉料的种类；②耐火粉料的粒度分布；③水玻璃的模数和密度［1］入手开展研究，重点讨论耐火粉料种类对型壳高温强度的影响，并与本厂生产型壳作对比，找出了生产中存在的问题。
1 试验条件
影响型壳强度的主要因素是加固层涂料，试验选用的加固层耐火粉料化学成分见表1。
表1 几种耐火粉料的化学成分 wB／%
Table 1 The composition of several kinds of alumina refractory
powoders wB／%
山东焦宝石粉 阳泉三级铝矾土粉 洛阳大营铝矾土粉 阳泉特级铝矾土粉 洛阳大口铝矾土粉 Al2O3 SiO2 Fe2O3 CaO MgO (K2O+Na2O) 灼烧 46.39 47.86 1.21 0.91 0.26 61.14 35.06 1.41 0.26 0.34 71.60 13.72 4.44 1.46 0.37 88.45 5.29 1.66 0.28 0.34 71.78 21.42 1.68 0.84 0.36 ＜0.10 ＜0.10 ＜0.15 ＜0.10 ＜0.15 0.070 0.004 2.71 0.085 0.640 试验方法：
(1)采用矩形片试样，尺寸为40 mm×20 mm×h mm，测试型壳900 ℃时的的抗弯强度。
(2)以“8”字形试样测试900 ℃焙烧2 h冷却到室温时的抗拉强度，用此强度代替残留强度。
(3)常温透气性的测试，用φ55 mm×h mm的圆片试样。
(4)采用西北工业大学型壳高温膨胀仪测量型壳高温变形量，尺寸为φ50 mm×50 mm(试样壁厚7～8 mm)。 (5)扫描电镜分析：采用的仪器是日本JSM-35CF型扫描电镜，配EDAXPV9100能谱仪。
(6)X-衍射分析：仪器为日本D／MAX-RB型X-Ray衍射仪。
2 试验结果
2.1不同耐火粉料对型壳性能的影响
按照Al2O3质量分数不同选择几种耐火粉料配料，各涂制试样10块，粉料化学成分如表1，所配涂料工艺性能及所测抗弯强度见表2及图1。 表2 耐火粉料种类不同对涂料工艺性能的影响
Table 2 Effect of different refractory powder on coating
technological properties
工耐火粉料种类 w(Al2O3)/% 水玻璃模数3.29 水玻璃模数3.36 艺序号 1 山东焦宝石粉 46.39 61.14 71.60 88.45 水玻璃密度及涂料粉粘度涂片质量 水玻璃密度及涂料粉粘度液比 /s 32 密度ρ=1.331 g/cm3 粉液比为1∶1.35 26 35 14 /g 1.50 3.75 2.25 1.25 密度ρ=1.335 g/cm3 粉液比为1∶1.35 液比 /s 53 23 20 17 涂片质量3.0 3.5 2.0 2 阳泉三级铝矾土粉 3 洛阳大营铝矾土粉 4 阳泉特级铝矾土粉 1.1
图1 耐火粉料种类与高温抗拉强度的关系
Fig.1 Relation between different kinds of refractory powders
and tesile strength at high temperature
由表2及图1可见，在采用相同密度水玻璃、相同模数和同一粉液比情况下，型壳的高温强度在w(Al2O3)大于65%后，随着w(Al2O3)的增加而下降，在w(Al2O3)为55%～65%时达最大值，该强度值为3.6 MPa,达到和超过了文献中介绍的同类材料强度值，甚至高于焦宝石粘土粉的强度，通过反复试验，共制作试样80块，分别测定这些试样在高温900 ℃下的抗弯强度，也证实了这一结论。 这4种粉料的透气性和残留强度的比较见表3。
表3 耐火粉料种类对透气性、残留强度的影响
Table 3 Effect of different kinds of refractory powders on
permeability and residual strength
工艺 序号 1 2 3 耐火粉 料种类 山东焦 宝石粉 阳泉三级 铝矾土粉 洛阳大营 w(Al2O3)/ % 46.39 61.14 71.60 透气性/ (cm2.min-1.Pa-1) 44.2 21.8 38.0 标 准 差 0.52 0.29 0.19 残留强度/ MPa 0.16 0.44 0.1 标 准 差 0.03 0.03 0.01 铝矾土粉 4 阳泉特级 铝矾土粉 88.45 62.8 0.93 0.11 0.01 从表中可见，阳泉三级铝矾土粉料不如其他三种粉料的透气性好，这是由于该粉料的涂片值较大，涂层致密，从而导致透气性下降，随着w(Al2O3)增加，型壳的残留强度下降。
用性能较好的阳泉三级铝矾土粉涂料及洛拖厂生产涂料在水玻璃参数及粉液比相同的条件下，采用相同的工艺各涂制3种试样共30块，分别测试型壳的性能，数据见表4。
从表中可见，用阳泉三级铝矾土粉涂料涂制的型壳比生产现场涂料涂制的型壳，强度提高了84.8%,透气性与现场涂料接近，残留强度是现场涂料的两倍多，可见用阳泉三级铝矾土粉涂料涂制型壳可以大大改善型壳的高温性能。
表4 阳泉三级矾土粉涂料与现场涂料性能比较
Table 4 The comparison of property between coatings containing
61.14%Al2O3 and 71.60%Al2O3 alumina powders
工艺 序号 1 2 耐火粉 料种类 阳泉三级 铝矾土粉 现场涂料 高温抗 弯强度/ MPa 3.6 1.95 标 准 差 0.64 0.31 平均透气性/ (cm2.min-1.Pa-1) 21.8 24.5 标 准 差 残留 强度/ MPa 标 准 差 0.29 0.44 0.03 0.23 0.20 0.06 2.2 水玻璃模数不同对型壳高温强度的影响
用阳泉三级铝矾土粉料与5种模数不同的水玻璃(其他参数均相同)配料，各涂制高温抗弯强度试样5块，比较其结果如表5。
表5 不同水玻璃模数的涂料型壳性能比较
Table 5 The comparison of tensile strength of mold shell with
different sodium silicate modulus at high temperature
工艺序号 1 2 3 4 5 水玻璃模数 2.9 3.21 3.29 3.36 3.45 平均高温抗弯强度/MPa 1.97 3.09 3.60 2.12 2.02 标准差 0.19 0.64 0.64 0.31 0.16 表5表明，水玻璃模数过低、过高，型壳高温强度均较低。因为模数过低，虽然可以提高涂料粉液比，但涂料的涂覆性差，不利于形成涂料完整包覆砂粒的致密结构，且硅胶形成量少，从而使型壳的高温强度和常温强度都降低。模数过高，涂料粘度增大，粉液比下降，涂料工艺性能恶化。可见，用阳泉三级铝矾土粉配料，水玻璃模数，一般取3.2～3.3适宜，不宜过高或过低。 2.3 耐火粉料粒度对型壳强度的影响
涂料的工艺性能对型壳强度有一定影响，而涂料的性能又受粒度分布及矿物组
［］
成、化学成分的影响。佟天夫2认为，对于确定成分的硅酸铝质粉料，其粒度分布对涂料性能的影响虽然不像石英粉涂料那么敏感，但控制不好，也容易造成涂料堆积和分层，影响型壳整体强度。试验中，因为分散分布的粉料比集中分布的粉料有利于实现粉料的级配，提高涂料的粉液比，改善涂料工艺性能，所以试验中采用的粉料为粒度分布分散的粉料，见表6。
表6 几种耐火粉料的粒度分布
Table 6 The grain size distribution of several kinds of
refractory powders
筛 号 粉料种类 山东焦宝石粉 阳泉三级铝矾土粉 洛阳大营铝铝矾土粉 阳泉特级铝矾土粉 >75目 4.4 0.4 0 3.3 150目 11.2 2.0 11.2 5.6 200目 10.0 11.8 11.0 5.4 260目 10.6 21.0 11.2 4.4 <270目 63.8 64.8 67.6 81.8 残留量/% 试验证明，这种分散分布的粉比集中分布的粉能改善涂料工艺性能，提高型壳强度。
3 讨 论
为什么低w(Al2O3)的铝矾土的型壳强度会大于w(Al2O3)高的铝矾土?为此，对型壳试样作X衍射分析和扫描电镜断口分析。取三级铝矾土粉料和二级铝矾土粉料型壳焙烧前和焙烧后的抗弯强度试样分别作X衍射分析。结果发现，两种试样焙烧后都有新相生成，但生成量均小于2%，对型壳的强度影响不大，所以用新相的生成不足以解释型壳的强度差别。为此对型壳试样作抗弯断裂时的断口扫描分析，如图2～图5。
图2 三级铝矾土粉涂料型壳的矾土颗粒 图 3 二级铝矾土粉涂料型壳的矾土颗粒
(w(Al2O3)=61.14%) ×50 (w(Al2O3)=71.60%) ×90
Fig.2 The grain appearance of alumina Fig.3 The grain appearance of alumina powders containing 61.14% Al2O3 for mold powders containing 71.60% Al2O3 for mold
shell ×50 shell ×90
图4 三级铝矾土粉涂料型壳的基质 图5 二级铝矾土粉涂料型壳的基质
(w(Al2O3)=61.14%) ×1 000 (w(Al2O3)=71.60%) ×1 000 Fig.4 The fine appearance of alumina Fig.5 The fine appearance of alumina powders containing 61.14% Al2O3 for mold powders containing 71.60% Al2O3 for mold
shell ×1 000 shell ×1 000 图2为阳泉三级铝矾土涂料型壳(型壳由撒砂材料和粉料粘结成一体构成)撒砂
颗粒的断口形貌，该颗粒表面清晰，附着物少，即断裂时沿砂子与基质结合处断开，说明型壳试样砂子与基质结合较弱。而基质(即细粉处)部分结合好，即基质强度高。 图3为二级铝矾土涂料型壳撒砂颗粒的断口形貌，该颗粒表面附着了大量的细粉，即断裂时是沿着基质(细粉处)部分断开的。说明试样基质部分强度较差。这一现象由图4及图5可以说明。
图4为阳泉三级铝矾土涂料型壳的基质形貌，图5是二级铝矾土粉涂料型壳的基质形貌。从形态和能谱仪的分析结果可以看出，三级铝矾土型壳的基质中生成了大量致密的玻璃相，硅胶量很少，而二级铝矾土型壳的基质中主要由硅胶组成，大量的硅胶构成连续疏松的网络状结构。
图4和图5表明，二级铝矾土型壳的基质由结构疏松且密度较低的硅胶构成，因此基质强度较差，从而整体型壳的强度也较低，三级铝矾土型壳由于其基质部分形成了大量结构比较致密的烧结玻璃相，提高了基质的强度，从而使整体型壳的强度得以提高。 图6为二级、三级铝矾土粉型壳加热时的线量变化情况，也反映了焙烧温度下型壳的烧结。
图6 二种型壳线量变化与温度的关系
Fig.6 Relation Between linear expansion variation and temperature in two
kinds of mold shell
图6中曲线1为生产现场型壳即二级铝矾土型壳试样的膨胀曲线，曲线2是三级铝矾土型壳的膨胀曲线，从图6可见，曲线2具有较小的线膨胀率，且在焙烧温度下(800～900 ℃)，型壳尺寸急剧减小，即此时型壳形成大量烧结，而曲线1形成大量烧结的温度在1000 ℃以上，800～900 ℃时只生成很少量的烧结相。这是因为
［］
三级铝矾土的物相组成主要为莫来石和较多的玻璃相3，这些含量较高的玻璃相在较低的温度下即熔融成液相，将固体砂粒拉在一起，逐渐发生固体溶解和析晶过程，逐步导致晶粒致密堆积，密度不断提高，直至最后形成骨架，完成烧结。可见烧结过程可以促使基质(即耐火粉料与粘结剂结合一体的部分)致密度提高，有利于型壳强度的提高。而现场用的二级铝矾土涂料，其相组成特征是含有大量发育较好
［～］
的莫来石晶体以及一些刚玉集合体和很少量的玻璃相35。这些发育良好的晶体之间具有相当高的结合程度，并且形成连续的连锁交错网络结构，少量的玻璃相则大部分填充在网络结构的空隙之间，所以较难烧结，只有在更高的温度下才能够完成烧结。
4 结 论
(1) 对于硅酸铝质耐火粉料，w(Al2O3)超过65%后，随w(Al2O3)的增加，型壳高温强度呈下降趋势。其中以阳泉三级铝矾土粉料(w(Al2O3)=61.4%，其杂质含量较低)900 ℃下的高温强度最高，并与洛拖精铸厂现场制壳比较，该三级粉料型壳具有较好的高温性能。
(2) 阳泉三级铝矾土粉料型壳，在900 ℃下已发生烧结，使基质强度提高，从而提高了型壳的整体强度。
作者简介：周丽红，女，1986年出生，高级工程师，河南洛阳涧西区，（471004）
作者单位：周丽红 万卫宾 蔡元任（中国第一拖拉机股份有限公司精
铸厂）
方亮（西安交通大学） 参考文献
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[5] 王维帮.耐火粉料工艺学.北京∶冶金工业出版社，1984.110
(编辑：张振斌) 收稿日期：1999-01-10
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