杨卫东
吴忠仪表有限责任公司宁夏吴忠751100
摘要：熔模铸件生产中，耐火材料不但对型壳性能的影响大，而且选择合适的耐火材料直接影响到熔模铸造的成本。型壳耐火材料的合理选用对铸件的质量、成本和生产效率有重要的影响。对耐火材料的主要要求是有足够的耐火性能，较小、均匀的热膨胀系数，良好的热化学稳定性，价格便宜。
关键词：熔模铸造型壳耐火材料
型壳的制作是熔模铸造的关键工序之一。熔模铸造的型壳由耐火材料、粘接剂、溶剂等组成，经过浸涂料、撒砂、干燥、硬化、脱蜡、焙烧等工序制造而成。型壳中耐火材料约占其重量的90%，型壳材料占硅溶胶精密铸造生产成本的近30%，其中耐火材料占型壳材料成本的80%。因此，熔模铸件生产中，耐火材料对型壳性能的影响很大。
一、常用耐火材料的性能和应用
1.1锆砂
锆砂的分子式为ZrO2·SiO2；平均密度为4.5g/cm3，密度高、变动较大；莫氏硬度7～8；热膨胀数46×10-7℃-1，热膨胀系数小；导热系数较大，导热性能好，冷却快；熔点1948℃；热化学稳定性好。
锆砂是一种未经加工的天然矿产材料，材料的质量主要取决于矿料的来源，国内精密铸造行业采用的大多数是澳洲的产品。锆砂粒度分布宽，一般不需要级配，涂料浆流变性就适合涂挂，涂料的覆盖性、流平性很好，空料时涂料浆流淌快。锆砂的粒形好，多为球形，流动性好，容易充填蜡模上的孔洞、凹槽等难充填部位，很适合作为面层撒砂料。但是，锆砂资源越来越稀少，我国锆砂矿产资源匮乏，基本上靠进口。近年来，随着世界各国环境保护意识的不断加强，美、欧等国家更加防备锆砂中放射元素可能造成的污染，使得市场长期供不应求，经常发生周期性货源短缺，价格贵而且不断飚升。由于采自天然，锆砂中必然含有其它有机物和杂质，其中如FeO、磷酸钙等会和粘结剂、添加剂或其它耐火材料发生反应，造成涂料浆的pH值发生改变而迅速老化变质，浇注的铸件表面也容易出现硅酸铁黑褐色斑疤或丘疹。此外，采用硅溶胶作粘结剂时，型壳的残留强度比较高，使得脱壳性能差，难以清理铸件，生产中有时还要增加化学清理工序。
锆砂的综合性能好，适应性很广，能够作为大部分熔模铸件的型壳耐火材料，产品质量稳定，是硅溶胶型壳面层的首选耐火材料。
1.2铝-硅系材料
铝-硅系耐火材料是以氧化铝、二氧化硅为基本化学组成的铝硅酸盐。此类材料的耐火度高，线膨胀系数比较小，热震稳定性、高温化学稳定性比较好。铝-硅系材料在自然界的矿产资源存量大，价格较为便宜，是国内外铸造业广泛采用的熔模铸造型壳耐火材料。
高岭石分子式Al2O3·2SiO2·2H2O；密度2.6g/cm3；熔融温度1750～1785℃。天然的高岭石是生料，又称为高岭石类生粘土，多为硬质粘土，含有结晶水。用高岭石生料制作的型壳强度差、容易开裂，不能够生产高精度的铸件，熔模铸造中一般使用的是高岭石熟料。
高岭石熟料是将高岭土生料进行高温煅烧、破碎而成，主要相组成为莫来石和玻璃相，或有少量的方石英。不同温度下煅烧得到的高岭石熟料，材料的相组成不同，型壳的线膨胀系数、抗弯强度也不同。国内外常用的高岭石熟料有Molochite、仿M合成料、陕西上店土、唐山、淮北等地的煅烧高岭石。我国唐山、淮北生产的煅烧高岭石，商品名为莫来石，莫来石相的质量分数大于55%，具有较高的高温强度和较低的残留强度，是一种性能良好的耐火材料，适合于制作熔模铸造型壳背层，在国内得到了广泛应用。
1.3熔融石英
熔融石英的分子式为SiO2；密度为2.2g/cm3；莫氏硬度7；熔点1713℃；热膨胀系数5×10-7℃-1，热膨胀系数是常见耐火材料中最小的，有极高的热震稳定性；导热系数较大。熔融石英有透明和不透明两种，由天然高纯度的SiO2经电炉在1760℃以上温度熔融，随后快速冷却制成。熔融石英的矿产资源广，杂质含量低，物化性能优良。熔融石英原材料经过精选和电弧重熔，剔除了方石英，纯度高、杂质少，配制的涂料浆稳定性好、使用寿命长。
熔融石英在1200℃左右温度下会转变为方石英，在铸造浇注温度下型壳中约有70%的熔融石英转变为方石英。当温度下降至300℃左右，方石英由高温型转变为低温型，同时体积骤变，随之产生许多裂纹，型壳的强度大大降低，由于高温晶化、低温相变，析晶现象使得型壳的脱壳性能好，容易清理铸件。熔融石英的热膨胀系数小，这一突出优点减小了因温度差造成的加热时型壳内外的热应力，有效地防止了型壳脱蜡、焙烧过程中的开裂和变形，可以提高铸件尺寸精度。熔融石英价格比高岭石熟料、铝-硅系耐火材料贵，比锆砂便宜，用熔融石英代替锆砂制作型壳，可降低制造成本。不过，熔融石英砂粒形为多角形，粉料粒度分布范围窄、密度小，不利于涂料流淌、滴落。熔融石英粉-硅溶胶涂料对蜡模表面的润湿性很差，涂挂性、覆盖性、流平性比锆砂-硅溶胶涂料差，也差于刚玉粉、精制石英-硅溶胶涂料，导致铸件表面质量的降低。
熔融石英可以用作一般钢种的精密铸造零件型壳的面层、背层耐火材料，适合于尺寸精度要求高的铸件。用熔融石英粉配制面层涂料制作型壳，浇注普通碳钢、低合金钢零件，得到的铸件质量稳定、可靠。适当比例的熔融石英和锆石粉混合使用，可以用于不锈钢的熔模铸造，但不适宜含有钛、铌等高活性元素类不锈钢的铸造。
1.4电熔刚玉
电熔刚玉分子式Al2O3，是工业Al2O3在电弧炉内高温熔融，冷却、结晶成块后，经破碎、加工筛选而成。熔点2030℃；密度4.0g/cm3；莫氏硬度9；热膨胀系数86×10-7℃-1，小且均匀；化学稳定性好，抗酸碱能力强，在各种金属液中不会发生化学作用和变化[1]。电熔刚玉性能良好，是优质的熔模铸造耐火材料。但其货源缺、价格贵，主要用于高合金钢、高温合金、镁合金铸件的型壳面层耐火材料，普通铸件生产中较少采用。熔融石英的主要成分是SiO2，在熔模铸造浇注温度下锆砂也容易分解成ZrO2和SiO2，因此用熔融石英和锆砂作型壳面层材料浇注不锈钢零件，铸件表面有可能产生黑色麻点、斑疤，如果改用电熔刚玉作型壳的面层耐火材料，就可以彻底避免此类缺陷。
二、结束语
各种耐火材料均有其自身的特点，不同合金对型壳的耐火度、化学稳定性、绝热性的要求也不同，必须针对不同的铸造材料、尺寸精度、表面粗糙度要求，扬长避短，合理选择性价比高的耐火材料。对于尺寸精度、表面粗糙度要求不高的铸件，不必采用价贵、稀缺的锆砂作型壳的表层。一般铸件面层型壳使用的耐火材料为高质量的锆英砂、熔融石英砂，生产高合金钢铸件时则用刚玉砂。铸铁零件常用铝矾土、高岭土熟料等，铸钢零件常用刚玉、锆砂。
参考文献：
[1]王存军，张敏敏.我国熔模铸造型壳耐火材料的发展与展望[J].铸造，2016（04）
[2]苏鹏，刘鸿羽.钛合金熔模铸造型壳制备技术研究现状[J].铸造，2016（28）