硅溶胶粘结剂制壳工艺PPT课件
硅溶胶精密铸造基本工艺流程
一、模具图纸或样件 模具二、蜡型
蜡配制
保温
射蜡
蜡型修整
蜡型品检
组树
模组清洗
加新蜡静置回收蜡
三、制壳脱蜡干燥
封口干燥面层浆、砂
冷却
脱壳
吊抛
熔炼扣罩
回炉料切割光谱分析
钢料废品
初检泡氢氟酸钻型芯喷砂去芯抛丸六、整修
整修
七、后序加工
信息反馈（7）
后序加工
八、入库、出货
其它
终检入库
硅溶胶精密铸造基本工艺流程
信息反馈（3）
五、清理过度层浆、砂一次成品热处理背层浆、砂检验包装四、浇铸废品
信息反馈（8）
信息反馈（9）出货入库。
硅溶胶背层型壳制备.
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库铜合金铸件铸造技术课程教案硅溶胶背层型壳制备制作人：杨兵兵陕西工业职业技术学院硅溶胶背层型壳制备一、任务布置生产任务：根据管接头铸件所选择的铸造工艺，制定背层型壳制备工艺，完成管接头铸件熔模铸造背层型壳的制备。
二、铸造工艺制定1.生产准备表1为管接头铸件面层型壳制备生产准备计划表。
配制背层涂料：密度计、搅拌器、高岭石类熟料、硅溶胶、涂料桶。
背层型壳制备：硅溶胶高岭石背层涂料、蜡模组、撒砂床、硅砂、挂棒架、硬化槽。
脱蜡：蒸汽脱蜡釜。
2.硅溶胶背层涂料配方硅溶胶背层涂料配方见下表2。
3.涂料制备工艺先加硅溶胶，在搅拌中缓慢加入耐火粉料。
背层涂料，全部为新配料时搅拌10h，部分为新配料时可搅拌5h。
4.制壳原料及设备图1 搅拌机图2 润湿剂图3 消泡剂图4 硅溶胶图5 蒸馏水图6 石英粉5.型壳制备（1）撒砂粒度：6～40目。
（2）注意事项：涂料涂挂均匀，撒砂时应防止涂料堆积。
硅溶胶制壳工艺见表3。
（2）干燥1）提高干燥地点温度，能够加速溶剂蒸发，有利于硅酸溶胶凝聚，但温度过高会影响熔模变形；温度过低，溶剂蒸发缓慢，型壳容易产生裂纹，强度降低。
2）加强通风，使干燥地点溶剂的蒸汽浓度降低，以加速型壳中溶剂的蒸发。
气温较低时，可以吹30℃热风。
3）硅溶胶型壳制备过程中每层型壳必须充分干燥后才可制备下层型壳。
4）对于形状结构复杂的工件,在干燥焙烧过程中应不断更换模组方向和方位，确保干燥均匀，并根据环境状况选择干燥时间。
5）由于面层和背层之间种类的不同容易出现分层，因此在适当降低涂料粘度的同时，应在撒砂后延长自干时间，以改善型壳硬化效果。
6.脱蜡制备好的型壳完全硬化以后，即可进行脱蜡，以脱去熔模获取型壳。
本情境采用的是水蒸气脱蜡法，其操作要点如下。
（1）清理浇口杯涂料与浮砂；（2）检查脱蜡装置的压力表及安全阀和其他部件是否正常；（3）将模组放入装置内，关闭炉门，通入水蒸气，保压压力为0.294～0.490MPa，保压时间8～15min。
硅溶胶
图2 不同烧结温度下XRD图谱
文献：硅溶胶分散氧化铝浆料的稳定机理及免脱气胶态原位凝固 成型制备莫来石陶瓷研究
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硅溶胶高温下与氧化铝的反应
水解反应诱导凝固成型：
在1300℃时，坯体中己开始形成莫 来石，1350℃时己形成较多的莫来 石，在1500℃时,莫来石化过程全部 完成。
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硅溶胶的简介
硅溶胶的胶团结构用以下化学式表示：
{[SiO2]m ·nSiO32- ·2(n-x)H+}2x- ·2xNa+
胶核
吸附层
扩散层
胶粒
胶团
式中：m，n很大，而且m<<n。
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硅溶胶的基本性质
物理性质： 硅溶胶属于胶体溶液，无臭、无毒。因为硅溶胶中的二氧化硅含有大
这是因为在坯体中形成少量的铝硅 凝胶，这种铝硅凝胶在1100 ℃左右 开始形成莫来石，在1250 ℃左右可 完全转化成莫来石。
图3胶高温下与氧化铝的反应
溶胶-凝胶法制备莫来石： 莫来石的形成过程：
前驱体（γ- A12O3 、无定型SiO2） →Al-Si尖晶石→莫来石
硅溶胶的应用量分数为3100硅溶胶中也含有质量分数为035的碱性氧化物na煤矸石粉砂的主要成分硅溶胶的应用当焙烧温度为1000和200时型壳x射线衍射分析图谱的物相衍射峰重合含量基本一致型壳的基本物相包型壳物相的xrd图谱硅溶胶的应用高温焙烧型壳后发现焙烧温度低于1300时型壳表面形态无明显变化
硅溶胶的物理与化 学性质介绍
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硅溶胶高温下与氧化铝的反应
硅溶胶的表面层由许多硅烷醇基(-SiOH)和羟基(-OH)所覆盖，硅溶胶与 Al2O3 微粉混合时，胶体粒子可吸附在Al2O3颗粒表面，形成单层饱和分布，同时填充 于Al2O3颗粒间隙，硅溶胶凝胶化导致纳米粒子表面硅烷醇基团间发生缩合反应：
2012特种铸造5熔模型壳制备
影响胶凝的因素
电解质：降低扩散层、固定层的电位，斥力下降 PH值：改变PH值，可加快胶体凝固 浓度：加快胶体凝固 温度：温度上升，运动加剧，胶凝加快
制壳过程可利用此四个影响胶 凝的因素来加速胶凝制壳过程。
硅溶胶
硅溶胶的制备 离子交换法 溶解法
以水玻璃为原材料，过滤出Na等无用离子， 加热浓缩变成硅溶胶。 以工业纯硅为原材料，在催化剂作用下溶于软水介质， 过滤后得到硅溶胶。
组成： 面层 过渡层 背层
石英 耐火材料、粘结剂、润湿剂、（消泡剂） 耐火材料、粘结剂
石英粉+粘土 铝矾土 高岭土
一般工厂提供水玻璃，模数偏低，密度偏高，需 进行调整。主要针对模数、密度进行调整。
水玻璃模数的调整
Na2O mSiO2 nH2O 2NH 4Cl mSiO (n 1)H2O 2NaCl 2NH3 2H2O 2
练习一：M=1.032×26/8.2＝3.3
水玻璃模数的调整
Na2O mSiO2 nH2O 2NH 4Cl mSiO (n 1)H2O 2NaCl 2NH3 2H2O 2
处理前后Na2O的质量含量：
b=1.032a/M b’=1.032a/M’
需去除Na2O的重量A：
粘度：影响粉液比。粘度低的硅溶胶可以配高粉液比的涂
料，所制型壳强度高，表面质量好。 胶体粒子直径：影响硅溶胶的稳定性和型壳强度。粒子越 大，溶胶稳定性越好，但凝胶结构中胶粒接触点越少，凝 胶不致密，型壳强度低。
生产上使用的硅溶胶:
SiO2 30% Na2O <=0.5% PH 9-10 运动粘度:<=8cp 胶粒直径:8-14nm
硅溶胶涂料
分类 面层 背层 过渡层
硅溶胶粘结剂与制壳工艺讲义讲解学习
2-13 涂料的质量控制
流杯粘度：一定容积的涂料流尽的秒数。 国内外常用的流杯是美国的Zahn流杯4#（#004） 和5#（#005）号杯。容积为44ml，出口孔径分别 为： 4#（#004）ø4.27、 5#（#005）ø5.28，大部 分采用4#（#004）居多。
2-14 流杯粘度测定终点的确定
2-17 模组清洗
模组清洗的目的：去除熔模上的油 污、灰尘、蜡屑。对模组轻度刻蚀，以 增加涂挂性。现在用环保型水基清洗剂 如ZF-301、YQA01代替有机清洗剂：三氯 乙烷、乙醇、丁酮等。
2-18 面层涂挂
面层涂挂是制壳工艺中的关键，只有 面层涂挂均匀、完整、没有漏涂或涂料堆 积才能获得内表面光洁、坚实的型壳内表 面，并撒砂一定均匀，即使在全自制壳流 水线中机械手只完成后2～5层，面层依然 由人工控制手工涂挂。
2-2 硅溶胶涂料组成
面层涂料： 由耐火材料、粘结剂、润湿剂、 消泡剂等组成。
过渡层涂料：由耐火材料、粘结剂组成。 背层 涂料：由耐火材料、粘结剂、选择性
改性材料（石墨粉等）组成。
2-3 润湿剂的作用
润湿剂是一种表面活性剂，其分子一般 由两种性质不同的原子基因组成：一种是非 极性的亲油基因，另一种是极性的亲水基因。 如聚氧乙烯烷基醇醚（J F C）
2-15 涂挂试片的测试
涂料层厚度可用涂挂试片测定其重量。涂 片重是采用40mm×40mm×2mm的不锈钢涂挂试 片来测试，涂片重越大，表明涂层越厚。流 杯粘度与涂片重配合使用，可以更好的反映 硅溶胶涂料性能。
2-16 硅溶胶制壳工艺
硅溶胶型壳采用干燥硬化的胶凝法，
其过程如下
清洗蜡模
上涂料
撒砂
干燥
PH 运动粘度mm2/S
硅溶胶-水玻璃复合型壳制壳工艺
硅溶胶-水玻璃复合型壳制壳工艺1、原辅材料含量为30%，密度1.19～1.20g/cm³；S830、S1430单质硅硅溶胶SiO2≥65%，＜0.045mm（325目）；锆英粉含量为：ZrO2≥65%，0.150mm（100目）；锆英砂：ZrO2莫来石砂：无细粉，熟料，0.600～0.250mm（30～60目）；匣钵粉：0.075mm（200目）；匣钵砂：0.850～0.425mm（20～40目）；表面湿润剂：J.F.C；长效消泡剂；硅油类；结晶氯化铝；水玻璃：模数3～3.4。
2、操作工艺2.1制蜡模时采用硅油脱模；蜡模必须逐个检查，尽量不修补；模组焊接时小件采用粘结蜡；中大件采用焊刀焊接；间距适当，将带有内腔、孔、槽时，使其向外，有利于制壳、脱蜡和浇注；对带有文字、狭缝、凸缘、弯部应保持轮廓清晰；蜡模组制壳前应先吹去蜡屑、再经清洗液清洗，晾干后制壳。
2.2 涂料的配制面层采用S830单质硅硅溶胶与锆英粉，新料配制时粉液比1∶3.3，流杯粘度为40－45s，6h以后测粘度，若≥50s，逐步加硅溶胶；若粘度≤40s，逐步加入锆英粉；JFC和消泡剂在搅拌后期加入，JFC加入量为加入硅溶胶质量的0.3%－0.5%，可通过涂料的涂挂性的优劣调整；消泡剂加入量为JFC加入量的一半，并按泡多少适当地调整。
2.3 面层的配制及操作工艺：2.3.1 整个配料过程是在L型搅拌机连续运转条件下进行的，L型叶片必须超过中心，且叶片与筒边、筒底间隙约5mm；过大，在配料过程中会出现沉淀；2.3.2 先加入硅溶胶，再逐步均匀、缓慢地加入锆英粉。
如加入10包锆英粉，加入总时间必须＞2时，加完后连续搅拌8－9h，然后用流杯粘度计测粘度，直至粘度达到要求后，接着测定密度；2.3.3 测定粘度值的确定，是在筒中心、筒边分别取料，然后取其平均值；2.3.4 用玻璃片沾上涂料，对光观察，如无颗粒点则确定涂料搅拌已均匀；一般认为：每加2－3kg锆英粉；涂料粘度可提高5s左右；每加0.5kg硅溶胶，涂料粘度可降低5s左右；根据这个小规律适当加以调整；2.3.5 涂料配好以后，接着将准备好的模组进行最后检查，（如检查模头上的记号与铸件材质是否一致等。
硅溶胶面层型壳制备.
—硅溶胶面层型壳制备
铜合金铸件铸造技术课程
铜合金铸件铸造技术 课程
硅溶胶面层型壳制备
1
任务布置
12
铸造工艺制定
3
陈述工艺方案
一、任务布置
铜合金铸件铸造技术 课程
根据制定的工作计划， 完成管接头铸件熔模铸造 面层型壳制备。
二、生产准备
铜合金铸件铸造技术 课程
管接头铸件熔模铸造模组制备计划
铜合金铸件铸造技术 课程
三、模组制备
1.按学号顺序分成6个小组； 2.要求每组完成3个模组型壳的制备； 3.按照计划方案实施操作； 4.注意操作安全。 5.考虑到制壳工艺时间的要求，本次课每
次半个班倒班进行。
铜合金铸件铸造技术 课程
四、型壳检验
项目Байду номын сангаас
1
2
3
4
序 号
小组 涂挂涂料质撒砂是否均匀，是型壳是否有裂
制壳原材料及设备
铜合金铸件铸造技术 课程
搅拌机
硅溶胶
润湿剂
消泡剂
涂料桶
石英粉
铜合金铸件铸造技术 课程
模组清洗
清洗目的：洗净蜡模表面粘附的油污及蜡屑， 进一步提高蜡模表面和涂料之间的涂挂性。 方法：乙醇擦洗或肥皂水洗涤后清水冲净。
铜合金铸件铸造技术 课程
型壳制备
挂涂料、撒砂 撒砂粒度：面层40~100目 注意事项：涂料涂挂均匀，撒砂时应防止涂料堆积。
步骤
使用工具、设备
配制面层涂料 模组清洗
面层型壳制备
硅溶胶、润湿剂、消泡剂、搅拌器、石英粉、涂料桶 烷基磺酸钠、水 硅溶胶石英粉面层涂料、蜡模组、撒砂床、硅砂、挂棒架
涂料配制
硅溶胶
论文已发表于《有机硅材料》2010年第3期一、熔模铸造型壳微观结构的形成过程硅溶胶涂料是粘合剂硅溶胶、耐火材料粉体和少量功能助剂的混合物。
硅溶胶熔模铸造制壳的过程实质上是硅溶胶涂料的胶凝过程，然后凝胶从湿凝胶变成干凝胶。
干燥是一个关键的工艺过程，干燥过程中毛细管力的作用使得型壳的内部微观结构发生了一系列的物理和化学变化，可大体分成4个阶段；但每个阶段之间没有严格的界限，或者渐变或者交叠。
1溶胶－凝胶转变阶段硅溶胶涂料浸润模具后，由于涂层表面水分的蒸发，表面与内部间将产生湿度差，内部水分在湿度差的推动下，以液态水的形式不断向表面扩散；同时硅溶胶的胶粒不断地以胶体分散状态被析出，析出的二氧化硅胶粒以氢键结合，构成骨架，形成连通的高分子毛细管结构，最后完全丧失流动性而转变成凝胶，此时凝胶为湿凝胶。
由于蒸发过程在涂层表面进行，该干燥过程处于恒速干燥阶段，水分蒸发速率近似等于该温度下的敞口容器中水的蒸发速度，因为蒸发速率正比于ΔP=P V－P A（式中，P A为环境蒸汽压；P V为体系液体蒸汽压）。
所以环境蒸汽压，即制壳间的湿度决定了该阶段水分的蒸发速度。
同时，随着水分的蒸发，涂层体积收缩，体积收缩的速率与水分蒸发的速度可近似认为相当。
2体积收缩干燥阶段硅溶胶二氧化硅胶粒形成凝胶的固体骨架，水作为分散介质充满在其中。
硅溶胶凝胶中的水共有4种存在形式，根据胶体的扩散双电层理论，胶核外有紧密层和扩散层，每一层都有离子，所以也就会有水存在，存在于紧密层中的水就是第二种水，扩散层中的水就是第四种水，紧密层与胶核之间也会有一部分以羟基形式存在的水，而第三种水是胶团之间相互靠近引起团聚时两个胶团之间会有一部分水被包含在其中：第一种是靠氢键作用直接吸附在二氧化硅胶粒上的水，是羟基形式；第二种是靠亲水基团吸附在胶粒周围的极化水层，是水合羟基形式；第三种是被二氧化硅胶体网络结构包裹在微孔中的水，是自由水形式，但运动受阻，类似“死水”；第四种是凝胶间隙中的水，是自由水形式。
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2-10 粉液比高低，取决于硅溶胶的 粘度和耐火粉料的粒度及粒度级配。
图（十） 21
2-11 硅溶胶涂料的配制
加料顺序：1）硅溶胶2）润湿剂3）耐火粉料 4）消泡剂
搅拌时间： 面层
全部新料24h 部分新料12h 背层 全部新料10h 部分新料5h
22
2-12 涂料配制需长时间均匀搅 拌，特别新配涂料，严格控制 搅拌时间，到时方可测定涂料 流杯度和涂片厚度。
3
1-3 图（一） 硅溶胶电子显微镜照片
4
1-4 图（二） 二氧化硅胶粒表面的扩散双电层及电位
5
1-5 熔模铸造制壳用硅溶胶技术指标
熔模铸造用硅溶胶技术要求（HB5346-1986）
SiO2%
GRJ-26 24-28
Na2O%
≤0.3
GRJ-30 29-31 ≤0.5
密度g/cm3
PH 运动粘度mm2/S
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2-13 涂料的质量控制
流杯粘度：一定容积的涂料流尽的秒数。 国内外常用的流杯是美国的Zahn流杯4#（#004） 和5#（#005）号杯。容积为44ml，出口孔径分别 为： 4#（#004）ø4.27、 5#（#005）ø5.28，大部 分采用4#（#004）居多。
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2-14 流杯粘度测定终点的确定
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2-2 硅溶胶涂料组成
面层涂料： 由耐火材料、粘结剂、润湿剂、 消泡剂等组成。
过渡层涂料：由耐火材料、粘结剂组成。 背层 涂料：由耐火材料、粘结剂、选择性
改性材料（石墨粉等）组成。
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2-3 润湿剂的作用
润湿剂是一种表面活性剂，其分子一般 由两种性质不同的原子基因组成：一种是非 极性的亲油基因，另一种是极性的亲水基因。 如聚氧乙烯烷基醇醚（J F C）
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2-19 手工浸涂
面层涂料一般流杯粘度控制在32～45s之 间，将清洗好的模组吹干后以30°左右角度缓 慢地浸入面层涂料浆中稍作旋转，注意蜡模上 的文字、凹槽、转角、小孔和盲孔，一定吹掉 气泡，涂挂要均匀，必要时可用压缩空气轻轻 吹拂，同时可用笔刷涂料，最好浸涂两次，一 定采用淋砂机撒砂，在撒砂时一定不停的转动 在模组上形成完整均匀的面层。若不能获得均 匀完整的涂层要重新沾浆涂挂。
涂
电熔刚玉/kg
料
熔融石英/kg
锆英粉/kg
组
高岭石类熟料/kg
成
润湿剂/mL
消泡剂/mL
涂料密度/(g/cm3)
涂料粘度/s
用途
1
2ห้องสมุดไป่ตู้
3
12.1 32～36
12.1 17～18
10 36～40
24 16 2.3～2.5 33～37 表面层
24 16 1.7～1.8 22～26 表面层
16 12 2.7～2.8 32±1 表面层
憎水
亲水
图（七）
14
2-4 润湿剂作用示意图
表面活性剂（润湿剂）有一薄层即可，用 量为硅溶胶的千分之一左右。参看图（八）
表面活性剂亲油基因在熔模表面的定向排 列
15
2-5
国内使用最多的润湿剂（表面活性剂） 为JFC，又称渗透EA，全名聚氧乙稀烷基醇醚。 同时还有润湿剂TX-10（OP-10）、农乳130、 农乳100、还有烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸 钠等。
4
5
10
10
16～17
14～15
1.82～1.85 1.81～1.83
19±1
13±1
过渡层
背层
19
2-9 粉液比
配方中耐火材料和粘结剂（硅溶胶）的 重量比称之为粉液比。它直接影响涂料及型 壳的性能。应加以严格控制。
涂料粉液比高，所制型壳内表面致密， 铸件表面质量好。
涂料粉液比高，所制型壳强度高，铸件 精度高。
1.16～25 1.21～30 1.27～35 1.31～40
密度/g/Cm3 1.16～1.31
25～40
8
1-8 Na2O含量
PH值
9
1-9 运动粘度
10
1-10 胶体粒子直径
11
2-1 硅溶胶涂料
硅溶胶涂料种类： 面层涂料——影响铸件表面质量 过渡层涂料——将面层润湿和背层粘结好 背涂料——影响型壳强度和铸件精度
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2-6 消泡剂
加入润湿剂后，涂料的表面强力下 降了，搅拌过程中易将空气卷入形成气 泡，为此，需加入消泡剂来消泡，消泡 剂一般为有机添加剂，如硅树脂、醇类。
17
2-7
消泡剂作用使气泡表面膜被拉伸变薄而 使气泡破灭（图九）
18
2-8 硅溶胶涂料配方
几种国内硅溶胶涂料配方
加 入
名称
序
号 量
硅溶胶[ω(SiO2)=30%]/kg
撒砂
干燥
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2-17 模组清洗
模组清洗的目的：去除熔模上的油 污、灰尘、蜡屑。对模组轻度刻蚀，以 增加涂挂性。现在用环保型水基清洗剂 如ZF-301、YQA01代替有机清洗剂：三氯 乙烷、乙醇、丁酮等。
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2-18 面层涂挂
面层涂挂是制壳工艺中的关键，只有 面层涂挂均匀、完整、没有漏涂或涂料堆 积才能获得内表面光洁、坚实的型壳内表 面，并撒砂一定均匀，即使在全自制壳流 水线中机械手只完成后2～5层，面层依然 由人工控制手工涂挂。
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2-20 两次沾浆
两次沾浆是指模组分两次分别在不同流 杯粘度的面层浆桶中沾浆。 第一次是在流杯粘度小的浆桶中沾浆，大约 流杯粘度在15～20s。 第二次在流杯粘度在35～40s的大粘度桶中 再次沾浆后撒砂。
1-1 硅溶胶粘结剂及制壳工艺
1
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总体概述
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2
1-2 硅溶胶（Colloid Silica)
硅溶胶是熔模铸造常用的一种粘结剂，外 观清淡乳白色或稍带乳光。它是二氧化硅胶体 （溶胶），由无定形二氧化硅的微小颗粒分散 在水中而形成的稳定胶体溶液，在电子显微镜 下可看到胶体颗粒。参看图（一）
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2-15 涂挂试片的测试
涂料层厚度可用涂挂试片测定其重量。涂 片重是采用40mm×40mm×2mm的不锈钢涂挂试 片来测试，涂片重越大，表明涂层越厚。流 杯粘度与涂片重配合使用，可以更好的反映 硅溶胶涂料性能。
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2-16 硅溶胶制壳工艺
硅溶胶型壳采用干燥硬化的胶凝法，
其过程如下
清洗蜡模
上涂料
1.15～1.19 9～9.5
≤6
1.20～1.22 9～10
≤8
SiO2胶粒直径nm 7～15 9～20
外观 乳白色或淡青色
无外来杂物
保存期 ≥一年 ≥一年
6
1-6 硅溶胶物化参数与其性能 及涂料、型壳性能的关系
7
1-7 SiO2含量
硅溶胶中 胶体含量的多 少，即粘结力 的强弱与型壳 高温强度关系