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SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

发布时间 :2021.11.03

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广东惠尔特纳米科技有限公司 赖 洪 何 欣 林厦涛 叶海锋 王国顺* 

惠州市吉邦精密技术有限公司 吴军武 董文庆 张 兵 

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摘 要 SKP27-3 面层增强改性硅溶胶与普通 830 硅溶胶相比,配制的浆料具有更高的稳定性、优良的涂挂性和对干燥条件的不敏感性,使用效果已达到国际同类硅溶胶的水准。经精铸企业的大批量使用验证,采用 SKP27-3 面层增强改性硅溶胶配制的浆料,稳定性高达 62 天,制得的壳模内腔表面光滑细腻,生产的 铸件表面质量明显改善,一次性成品率大大提升,铸件返修率大幅度降低。

关键词:SKP27-3 硅溶胶;面层增强;涂挂性;稳定性

  硅溶胶作为精密铸造制壳的高温粘结剂,直接影响着型壳强度及铸件的表面质量、生产周期和生产成本。长期以来,硅溶胶作为精密铸造制壳的重要粘结剂不可取代,但使用普通 830 硅溶胶配制的浆料制壳时普遍存在着浆料老化快、对干燥条件要求高、生产周期长、壳模内腔表面质量差等问题。SKP27-3面层增强硅溶胶是一款针对熔模铸造制壳面层系列不 良问题研发的新型硅溶胶。在工艺条件一致的前提下,大批量生产同一款型产品的数据统计显示,制壳面层用普通 830 硅溶胶配浆生产的铸件,表面不良率为13%;而用 SKP27-3 型硅溶胶配浆生产的铸件,其表面不良率仅为 3.5%。这样就极大的降低了铸件后处理的返修成本,在提升了产品表面质量的同时也提高了生产效率。

1 普通 830 面层硅溶胶使用的问题浅析 

  在制壳过程中,采用硅溶胶和昂贵的锆英粉等耐火材料配制的面层浆料,其稳定性较差是精密铸造行业的痛点。面层浆料的使用寿命受到由硅溶胶、蜡模清洗剂残留物、浆料存放环境、浆料搅拌速度及锆英粉中的杂质含量多少等一系列因素的影响。弱酸性的锆英粉无疑对浆料稳定性影响最大,但却是我们目前无法改变的。因此,硅溶胶自身性能的提升以及硅溶胶与耐火材料混合体系的稳定性就变得尤 为重要。

  用普通 830 硅溶胶配制的面层浆料,存在浆料老化快导致胶凝收 缩等先天性的不足,往往配制的浆料没有用完就需要及时更换,这样无疑会增加制壳材料成本。另外,普通 830 硅溶胶配制的面层浆料,最终生产的铸件的表面质量差,返修率高,也会增加后处理的工作量 和返修成本。因此,开发一款稳定性好、制壳干燥条件宽松、且能改善铸件表面质量的新型硅溶胶变得尤为迫切。

2 SKP27-3 面层增强改性硅溶胶的研发路径和机理

 与普通 830 硅溶胶相比,SKP27-3硅溶胶在生产过程中添加了有机粘结剂,使之改性为有机复合型硅溶胶,解决了普通 830 硅溶胶单纯作为无机粘结剂在胶凝过程中不均衡收缩带来的缺陷,提高了面层浆料的使用寿命,有效地改善了铸件的表面质量,减少了铸件的返修成本。以下简要说明 SKP27-3 型硅溶胶的研发路径及机理。

2.1 胶体内部结构改变增加浆料稳定性 

  SKP27-3硅溶胶采用更加精细化的生产工艺,呈现出比普通830硅溶胶更加均匀的粒径分布和更高的 pH 值。表 1 所示为普通830硅溶胶和SKP27-3硅溶胶的理化指标参数。

表 两种硅溶胶的理化指标参数

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

  如表 1 所示,普通 830 硅溶胶的 pH 为 9~10,平均粒径为 7~10nm, SKP27-3 硅溶胶的 PH 值为 10~11,平均粒径为 10~13nm。因此,用 SKP27-3 硅溶胶配制的面层浆料,表现出更高的稳定性。

2.2 高聚物对胶体的包覆改善了面层浆料的涂挂性

  SKP27-3 型硅溶胶与普通 830 硅溶胶的不同,还在于用含氨基类的高聚物对硅溶胶进行了改性,高聚物对硅溶胶胶粒进行包覆,且高聚物层中的氨基和胶体表面的硅醇基形成了分子间氢键。图 1a 为普通硅溶胶表面模拟图,1b 图为改性后的模拟图。

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

图 8 a)普通硅溶胶表面模拟图;b)SKP27-3 型硅溶胶表面模拟图。

  如图 1a 所示,硅溶胶粒子表面充斥着大量的Si-OH基。图 1b 为 SKP27-3 硅溶胶胶粒表面的模型图,最外层为含氨基类的高聚物包覆改性层,高聚物层可以是半包覆或全包覆。其中,高聚物层中的 N 可以和胶体的 Si-OH 基形成分子间氢键,使得改性过的硅溶胶,不易聚集,增加了胶体的稳定性。同时高聚物本身具有吸附功能,改性后的 SKP27-3 硅溶胶也增加了表面吸附作用。因此,配成浆料后显 现出较好的涂挂性和流平性,制得壳模的内腔表面质量更好。

3 SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精铸大生产中的应用

3.1 面层浆料的配制

  选用 SKP27-3 面层增强型硅溶胶和普通 830 硅溶胶,采用完全相同的耐火材料和添加剂,按照国内某精铸公司现有的配浆参数和配浆工艺,进行面层浆料的配制。

3.2 制得浆料的 pH、粘度、比重和沾浆的厚度对比 

  将 SKP27-3 面层和普通 830 硅溶胶配成的浆料搅拌 24 小时之后,进行浆料的 pH、比重和沾浆的厚度测试。结果如表 2 所示。

表 两种硅溶胶的配浆实测数据

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

  从表 2 可见,在大生产配浆过程中,这两款硅溶胶除了浆料的 pH 值不同以外,其他参数都基本接近。采用 SKP27-3 面层硅溶胶配制的面层浆料的pH值为9.98,远高于普通830硅溶胶配成浆料的pH。

3.3 制壳的干燥条件参数

 在大生产过程中,采用 SKP27-3 型硅溶胶配制的面层浆料制壳 工艺参数如下,实验效果如图 2 所示。

 (1)采用普通 830 硅溶胶配成的浆料在面层制壳过程中,环境温 度为(24±2)℃,相对湿度为 55%~70%,无风条件干燥后再进行下 一层。

 (2)采用 SKP27-3 型硅溶胶配成的浆料在面层制壳过程中,环境温度在 22℃~28℃之间波动,相对湿度为 40%~70%之间波动,在无风或强风条件下干燥(风力 5-6 m/s),面层均未见脱落或开裂现象,干燥之后直接进行下一层作业。

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

图 2 a)待沾浆的蜡模;b)沾浆完之后的干燥图;c) 铸件的最终表面质量图

  从图 2 可以看出,采用 SKP27-3 型硅溶胶配制的面层浆料在制完面层后,在强风下直接干燥,最终得到的铸件表面,未见毛刺或开裂等现象,产品效果较佳。

3.4 铸件的最终表面质量对比

  开发 SKP27-3 型面层硅溶胶的核心诉求,就是要提高面层浆料的稳定性并最终改善铸件的表面质量。剔除其它因素的影响,铸件表面质量的好坏,能够非常直观地反映出采用不同面层硅溶胶制壳的使用效果。图3a 所展示的是型号为“10-00-00-6954”的铸件图,为了观察两款硅溶胶制壳的最终铸件效果,分别采用 SKP27-3 型硅溶胶配浆生产了 22618 件该铸件和采用普通 830 硅溶胶配浆生产了20691件该铸件。图 3b 所展示的是型号为“10-00-00-6784”的铸件图,也分别采用 SKP27-3 型硅溶胶配浆生产了9682件该铸件和采用普通 830 硅溶胶配浆生产了10183 件该铸件。表 3 所反映的是这两款硅溶胶的铸件总数、表面缺陷件数及表面不良率

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

图 3 a)“10-00-00-6954”型号的铸件;b)“10-00-00-6784”型号的铸件。

表 两种硅溶胶面浆制壳的最终铸件的表面不良率

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

  如表 3 所示,无论是型号“6954”还是“6784”铸件,采用普通 830 配制的面层浆料生产的铸件,其表面不良率都在11%以上,而采用SKP27-3型硅溶胶配制的面层浆料生产的铸件,其表面不良率 仅为 3.5%左右。

3.5 使用 SKP27-3 型硅溶胶产生的经济效益

  对于面向市场开发的产品,不仅要为客户带来产品质量的提升,同时还要考虑性价比。为了便于估算其带来的经济效益,根据表 3 中的铸件数据,采用 SKP27-3 型硅溶胶和普通 830 硅溶胶就成本和返修率进行简单的对比,估算其带来的经济效益(表 4)。

表 4 两种硅溶胶面浆最终铸件的经济效益

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

  从表 4 可以看出,在大生产中,采用 SKP27-3 型硅溶胶面浆制壳生产的铸件,表面质量好,返修率低,返修成本小。此外,由于普通 830 硅溶胶和昂贵的耐火材料配成的浆料,其使用寿命差,浆料老化带来的原材料损耗也是不能被忽视的。因此,使用 SKP27-3 型面层硅溶胶综合成本低,性价比高,具有可观的经济效益。

4 SKP27-3 面层增强型硅溶胶与国内外同类产品比较 

4.1 硅溶胶的理化指标对比

  将 SKP27-3 型硅溶胶、普通830硅溶胶、进口A型面层硅溶胶和进口 B 型面层硅溶胶的理化指标对比,如表 4 所示。

表 四种硅溶胶的理化指标参数

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

4.2 硅溶胶面层浆料的稳定性对比

  选用 SKP27-3 型硅溶胶、普通 830 硅溶胶、进口 A 型面层硅溶 胶和进口 B 型面层硅溶胶,采用完全相同的耐火材料,按照国内某铸造企业标准的配浆参数和工艺制备浆料,进行面浆稳定性平衡比较 实验。本次实验的条件为,温度恒定为 25±1℃,湿度恒定 60±5%,添加的水为纯水。采用的粉液比为 1:4.4(其中硅溶胶为 1),结果如图 4 所示。

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

图 4 SKP27-3、进口 A 型面层硅溶胶、进口 B 型面层硅溶胶和普通 830 硅溶胶配成的浆料, 随时间推移的浆料 pH 变化图。

  浆料的 pH 是衡量浆料稳定性的一个非常重要的指标,从图 4 可以看出,在相同环境条件下,普通 830 硅溶胶浆料只维持了 5 天,其 pH 就从开始的 8.86 下降至 8.0 左右,发生严重老化。进口 A 型面层硅溶胶浆料稳定性在 10 天左右,进口 B 型面层硅溶胶浆料稳定性大约在 20 天左右。而 SKP27-3 型面层硅溶胶浆料的稳定性能有效保持 62 天,较其它三种面层硅溶胶浆料的稳定性有明显的优势。

4.3 硅溶胶面层浆料的涂挂性对比

  涂挂性不仅可以作为衡量浆料稳定性的一个参数,还是衡量最终铸件表面质量的一个非常重要的指标。观察浆料随时间变化的涂挂性,不仅可以研究浆料中粉液体系的稳定性变化,还可以进一步研究 浆料的使用寿命。将普通 830、SKP27-3 型和进口面层硅溶胶进行面层浆料涂挂性对比实验,图 5 分别截取了SKP27-3型硅溶胶新配浆、连续搅拌 10 天、40 天、62 天的沾浆效果,进口 A 型面层硅溶胶新配浆和连续搅拌 10 天的沾浆效果和普通 830 面层硅溶胶新配浆和连续搅拌 5 天的沾浆效果。

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

图 5 a)SKP27-3 新配浆的沾浆效果图;b)SKP27-3 配浆连续搅拌 10 天的沾浆效果图;c) SKP27-3 配浆连续搅拌 40 天的沾浆效果图;d) SKP27-3 配浆连续搅拌 62 天的沾浆效果图; e) 进口 A 型面层硅溶胶新配浆的沾浆效果图;f) 进口 A 型面层硅溶胶配浆连续搅拌 10 天的沾浆效果图;g) 普通 830 硅溶胶新配浆的沾浆效果图;h) 普通 830 硅溶胶配浆连搅拌 5 天的沾浆效果图

  从图 5a~d 可见,SKP27-3 型硅溶胶连续搅拌 62 天之后,蜡片的表面出现了小颗粒,并且涂挂性也差了很多。采用进口 A 型面层硅溶胶配制的浆料仅仅只维持了 10 天,其蜡片表面的涂挂性就不佳,并且伴随细小的颗粒物产生,而普通 830 硅溶胶的使用寿命仅仅只持 续了 5 天。

4.4 硅溶胶面浆制壳的最终铸件表面质量对比 

  将 SKP27-3 硅溶胶、进口 A\B 型硅溶胶和普通 830 面层硅溶胶配浆制壳得到的铸件进行表面质量对比。型号为“10-00-00-6958”的铸件表面效果如图 6 所示,型号为“10-00-00-5743”的铸件表面效果 如图 7 所示,大批量铸件不良率统计数据如表 6 所示。

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

图 6 a)进口 A 型面层硅溶胶铸件的铸件表面效果图;b)SKP27-3 型面层硅溶胶铸件的铸件表面效果图。

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图 7 a)进口 A 型面层硅溶胶铸件的铸件表面效果图;b)SKP27-3 型面层硅溶胶铸件的铸件表面效果图。

表 6 四种硅溶胶面浆最终铸件的表面不良率

SKP27-3 面层增强型硅溶胶在精密铸造上的应用

  从图 6 和图 7 可以看出,在相同制壳工艺条件下,SKP27-3 型硅 溶胶配浆制壳生产的产品整体表面质量问题较少。对四款硅溶胶配浆 制壳生产的铸件表面质量不良率统计结果显示:普通 830 硅溶胶铸件 的表面不良率为 14.72%,进口 A 型面层硅溶胶铸件的表面不良率为 11.82%,进口 B 型面层硅溶胶铸件表面不良率为 8.92%,而 SKP27-3 型硅溶胶铸件表面不良率为 3.51%。

5 、 结论

 (1)SKP27-3 型硅溶胶生产工艺的改进和高聚物对硅溶胶的包覆作用,使得硅溶胶表面结构发生改变。与普通 830 硅溶胶相比, SKP27-3 型硅溶胶配制浆料的稳定性和涂挂性更加突出,干燥速度 快,干燥条件宽松。

 (2)采用 SKP27-3 面层增强改性硅溶胶配制的浆料,在连续搅拌的前提下,其稳定性长达 62 天,其稳定性明显优于普通 830 硅溶 胶以及进口的两款同类硅溶胶配制的浆料。

 (3)与普通 830 面层硅溶胶相比,采用 SKP27-3 面层增强型硅 溶胶制壳最终铸件的表面质量,无论是普通铸件还是结构复杂件,其表面不良率大幅降低,产品返修率大幅下降,综合经济效益明显。

  惠尔特新研制生产的SKP27-3面层增强改性硅溶胶配制的浆料具有更高的稳定性、优良的涂挂性和对干燥条件的不敏感性,使用效果与同类进品硅溶胶产品相媲美,经精铸企业的大批量使用验证,性能优异及使用效果良好,正得到越来越多用户好评。

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