Výroba skořepin investičního lití — Silica Sol

1. Shrnutí – proč na oxidu křemičitém záleží

Silica sol je pojivo, které přeměňuje zabalenou žáruvzdornou práškovou vrstvu na soudržnou, vysoce věrný nátěr a zadní strana v moderních přesných litých skořepinách.

Jeho koloidní chování – zejména velikost částic, SIO₂ obsah, chemie stabilizátorů a stárnutí – řídí reologii kaše, tvorba mokrého filmu, zelená síla, hustota výpalu a termochemická stabilita.

Malé změny ve specifikaci solu, zředění nebo kontaminace může způsobit velké množství, často nelineární účinky na pevnost pláště, prodyšnost a konečná kvalita litého povrchu.

Proto je kontrola chemie oxidu křemičitého a jeho interakce s žáruvzdornými prášky jednou z činností s nejvyšším pákovým efektem při výrobě skořepin.

2. Materiál: Jaký je křemičitý sol používaný při vytavitelném lití?

Křemičitý sol použitý v Investiční obsazení je stabilní koloidní disperzní systém, sestávající z amorfního oxidu křemičitého (Sio₂) částice rovnoměrně dispergované ve vodném prostředí, stabilizovaný oxidem sodným (Nauo) jako alkalický stabilizátor.

Na rozdíl od jiných pojiv (NAPŘ., vodní sklo, ethylsilikát), sol oxidu křemičitého tvoří hustý, vysoce pevná gelová síť kyseliny křemičité po vysušení a pražení,

který spojuje žáruvzdorné prášky (zirkon, Alumina) pevně – položení základů pro vysoce přesné a vysoce pevné skořepiny na odlévání.

Základní charakteristiky solu oxidu křemičitého na vytavitelné lití jsou definovány jeho koloidní strukturou:

částice Si02 (s průměrem v rozmezí od 8 nm až 16 nm v typických aplikacích) nesou na svém povrchu záporné náboje,

vytvoření elektrické dvojité vrstvy, která udržuje rovnováhu mezi mezičásticově přitažlivými a odpudivými silami.

Tato rovnováha je klíčem ke stabilitě solu oxidu křemičitého; jakýkoli vnější zásah, který naruší tuto rovnováhu, spustí rychlou gelovatění, čímž se stává nepoužitelným pro přípravu nátěru.

3. Stabilita Silica Sol: Klíčové ovlivňující faktory a provozní důsledky

Stabilita křemičitého solu je nezbytným předpokladem pro jeho použití při výrobě skořepin vytavitelných odlitků – jakákoli ztráta stability povede k předčasné gelovatění povlaků, což má za následek vady, jako je praskání skořápky, peeling, a špatná povrchová úprava.

Stabilita křemičitého solu je ovlivněna především dvěma hlavními faktory: interference elektrolytů a velikost částic SiO₂, oba mají přímý a významný dopad na provoz na místě.

Vliv elektrolytů na stabilitu křemičitého solu

Elektrolyty mají rozhodující vliv na stabilitu křemičitého solu, neboť narušují rovnováhu mezi přitažlivostí (van der Waalsovy síly) a odpudivé (elektrostatické síly) síly mezi částicemi SiO₂.

Konkrétně, změna hodnoty pH křemičitého solu nebo přidání určitých elektrolytů stlačí elektrickou dvojitou vrstvu na povrchu částic SiO₂, snížit odpudivou sílu mezi částicemi, a spouští aglomeraci a gelovatění.

Tento princip přímo určuje kritické provozní normy při výrobě granátů:

• Zákaz používání vody z vodovodu: Voda z vodovodu obsahuje různé elektrolyty (NAPŘ., vápenaté ionty, hořčíkové ionty, chloridové ionty) který může výrazně urychlit gelovatění silikagelu.
  Proto, pro přípravu nátěru a doplňování vlhkosti by se měla používat pouze deionizovaná voda nebo destilovaná voda, aby se zabránilo kontaminaci elektrolytem.
• Omezení iontových smáčedel: Iontové smáčedla (aniontové nebo kationtové) působí jako elektrolyty, narušení koloidní rovnováhy křemičitého solu.
  Doporučuje se používat neiontová smáčedla (NAPŘ., polyoxyethylenalkylethery) v minimálních dávkách pro zajištění smáčivosti povlaku bez ohrožení stability solu oxidu křemičitého.

Vliv velikosti částic SiO₂ na stabilitu a pevnost pláště

Průměr částic SiO₂ je dvojí faktor, který ovlivňuje jak stabilitu solu oxidu křemičitého, tak pevnost skořepiny vytavitelného odlitku, představuje kompromis, který musí být v praktických aplikacích vyvážený:

Vliv na stabilitu Silica Sol

Obvykle, tím větší je průměr částic Si02, tím stabilnější je sol oxidu křemičitého.
Větší částice mají nižší specifický povrch a slabší mezičásticové interakce, což je činí méně náchylnými k aglomeraci a gelovatění.

Naopak, menší částice Si02 mají větší specifický povrch a silnější mezičásticové přitažlivé síly, což vede k vyšší citlivosti na vnější rušení a snadnější gelovatění.

Navíc, pod stejným Na2O (stabilizátor) obsah, čím menší je průměr částic Si02, čím nižší je hodnota pH solu oxidu křemičitého.

Je to proto, že menší částice adsorbují na svém povrchu více iontů Na⁺, snížení koncentrace volného Na+ ve vodné fázi a tím snížení alkality (hodnota pH) systému.

Tento vztah je kritický pro úpravu pH povlaků ze solu oxidu křemičitého pro optimalizaci stability a účinnosti povlaku.

Vliv na pevnost skořepiny investičního odlitku

Velikost částic Si02 přímo ovlivňuje mechanickou pevnost skořepiny vytavitelného odlitku, zejména pevnost za mokra. Gelovatění silikátového solu je výsledkem aglomerace částic Si02:

menší částice mají více kontaktních bodů během aglomerace, vytváření husté, protkaná gelová síť.

Naopak, větší částice mají méně kontaktních bodů, což vede k volné vnitřní struktuře gelu.

Prakticky, skořápky vyrobené z křemičitého solu o malé velikosti částic (8–10 nm) vykazují výrazně vyšší pevnost za mokra a pevnost za sucha než ty, které byly vyrobeny z křemičitého solu s velkou velikostí částic (14-16 nm).

To je zásadní pro zabránění poškození pláště během manipulace, Dewaxing, a přenést.

Však, Kompromisem je, že sol oxidu křemičitého s malou velikostí částic je méně stabilní a vyžaduje přísnější kontrolu provozních podmínek (NAPŘ., teplota, vlhkost, kontaminace elektrolytem).

4. Viskozita Silica Sol: Klíčový parametr pro složení a výkon nátěru

Viskozita je jedním z nejkritičtějších výkonnostních parametrů křemičitého solu, přímo určující tekutost povlaku, poměr prášek-kapalina (P/L poměr) formulace, a rovnoměrnost potahové vrstvy.

Hluboké porozumění viskozitě solu oxidu křemičitého a faktorům, které ji ovlivňují, je nezbytné pro optimalizaci výkonu povlaku.

Požadavky na viskozitu pro lití na zatavovací lití

Křemičitý sol používaný při vytavitelném lití vyžaduje nízkou viskozitu, aby se zajistila dobrá tekutost povlaku a umožnila se příprava povlaků s vysokým poměrem P/L (rozhodující pro pevnost skořepiny a kvalitu povrchu).

Podle průmyslových dat a akademického výzkumu:

• Křemičitý sol s kinematickou viskozitou méně než 8×10⁻⁶ m²/s je vhodný pro obecné aplikace vytavitelného lití.
• Pro vysoce přesné odlitky vyžadující vynikající povrchovou úpravu a replikaci detailů, křemičitý sol s kinematickou viskozitou méně než 4×10⁻⁶ m²/s je preferován,
  protože může být formulován do povlaků s vynikající tekutostí a rovnoměrným pokrytím.

Faktory ovlivňující viskozitu oxidu křemičitého

Silica sol je koloidní disperzní systém, a jeho viskozitu ovlivňuje více faktorů – na rozdíl od jednoduchého předpokladu, že viskozita závisí pouze na objemové koncentraci (podle Einsteinovy ​​teorie):

Objemová koncentrace částic SiO₂

Einsteinova teorie říká, že viskozita koloidní disperze závisí na objemové koncentraci dispergované fáze. (částice SiO₂) a je nezávislý na průměru částic.

Však, to platí pouze pro ideál, zředěné koloidní systémy. V praktickém průmyslovém oxidu křemičitém sol,
i při stejné objemové koncentraci SiO₂, viskozita se může výrazně lišit v důsledku jiných faktorů.

Tloušťka adsorbované vrstvy na površích částic

Každá částice Si02 v solu oxidu křemičitého je obklopena adsorbovanou vodní vrstvou, jehož tloušťka se mění s velikostí částic, povrchové vlastnosti, a obsah stabilizátoru.

Silnější adsorbovaná vrstva zvyšuje účinný objem částic, což vede k vyšší viskozitě – dokonce i při stejné objemové koncentraci SiO₂.

To vysvětluje, proč dva soly oxidu křemičitého se stejným obsahem Si02 mohou mít různé viskozity.

Kompaktnost částic SiO₂

Kompaktnost částic SiO₂, určuje výrobní proces, ovlivňuje také viskozitu.

Pokud je proces výroby solu oxidu křemičitého nesprávný (NAPŘ., neúplná hydrolýza, nerovnoměrný růst částic), částice SiO₂ budou volné a porézní.

Volné částice zabírají větší objem než husté částice stejné hmotnosti, což vede k vyšší viskozitě křemičitého solu.

Další ovlivňující faktory

Další faktory ovlivňující viskozitu solu oxidu křemičitého zahrnují teplotu (viskozita klesá s rostoucí teplotou),
hodnota pH (viskozita je nejnižší při optimálním rozsahu pH pro stabilitu), a doba skladování (dlouhodobé skladování může způsobit mírnou aglomeraci, zvýšení viskozity).

5. Vztah mezi hustotou oxidu křemičitého a obsahem SiO₂

Hustota solu oxidu křemičitého přímo souvisí s jeho obsahem SiO2, protože Si02 má vyšší hustotu než voda.

Tento vztah je kritický pro formulaci nátěru na místě, protože umožňuje operátorům rychle odhadnout obsah SiO₂ měřením hustoty, což zajišťuje konzistentní výkon povlaku.

Následuje typická korelace mezi hustotou solu oxidu křemičitého a obsahem Si02 (ověřeno průmyslovou praxí):

V investičním odlévání, křemičitý sol s obsahem Si02 30% (hustota ≈1,21 g/cm³) je nejčastěji používaný, protože vyvažuje stabilitu, viskozita, a výkon povlaku.

Když obsah SiO₂ překročí 35% (hustota ≥1,27 g/cm³), sol oxidu křemičitého vykazuje významnou tendenci ke gelovatění, vyžadující přísnější kontrolu skladovacích a provozních podmínek.

6. Vodní stavy v Silica Sol a jejich důsledky pro tvorbu lastur

Voda v křemičitém solu existuje ve třech různých stavech, každý s různou tepelnou stabilitou a dopadem na vlastnosti povlaku a skořepiny.

Pochopení těchto vodních stavů je rozhodující pro optimalizaci složení nátěru, procesy sušení, a vyvarování se defektů skořápky.

Tři stavy vody v Silica Sol

1. Voda zdarma: Toto je nevázaná voda, která existuje ve vodné fázi křemičitého solu, nejsou adsorbovány ani chemicky vázané na částice SiO₂.
   Při zahřátí se úplně ztrácí pod 110 ℃. Volná voda je klíčem k udržení tekutosti nátěru,
   protože maže částice SiO₂ a žáruvzdorný prášek, zajišťující rovnoměrné promíchání a aplikaci nátěru.
2. Adsorbovaná voda: Tato voda je fyzikálně adsorbována na povrchu částic SiO₂ prostřednictvím vodíkových vazeb. Při zahřátí se ztrácí 140-220 ℃.
   Adsorbovaná voda je pevně vázána na částice a nepřispívá k tekutosti povlaku, ale ovlivňuje rychlost gelovatění křemičitého solu.
3. Krystalická voda: Tato voda je chemicky vázána na částice SiO₂ (tvoří hydratovaný oxid křemičitý), ztracena při zahřátí na 400-700 ℃.
   Adsorbovaná voda a krystalická voda se souhrnně označují jako „vázaná voda“.,” což ovlivňuje rychlost schnutí a konečnou pevnost skořepiny.

Klíčové důsledky pro výrobu mušlí

Vliv skupenství vody na tekutost nátěru

Volná voda je rozhodující pro tekutost nátěru: nedostatek volné vody vede k vysoké viskozitě povlaku, špatná roztíratelnost, a nerovnoměrná tloušťka povlaku;
nadměrná volná voda snižuje poměr P/L, oslabení pevnosti skořepiny a zvýšení rizika prověšení povlaku.

Rovnováha volné a vázané vody je proto klíčovým faktorem při formulaci nátěru.

Vztah mezi vodními státy, Velikost částic, a obsah Si02

• Při stejné velikosti částic Si02, tím vyšší je obsah Si02, tím vyšší je podíl vázané vody (adsorbované + krystalická voda).
  Je to proto, že více částic SiO₂ poskytuje větší povrch pro adsorpci vody a chemické vazby.
• Při stejném obsahu SiO₂, tím menší je velikost částic, tím vyšší je podíl vázané vody.
  Menší částice Si02 mají větší specifický povrch, umožňuje větší adsorpci vody.

Vliv na poměr prášek-kapalina (Poměr P/L)

Velikost částic SiO₂ přímo ovlivňuje poměr P/L povlaku při použití stejného žáruvzdorného prášku (NAPŘ., zirkonový prášek).

Podle akademického výzkumu (citováno z práce profesora Xu), pro silikasol s 30% Sio₂:

• Když je střední průměr částic Si02 14-16 nm, optimální poměr P/L je 3.4–3.6.
• Když je střední průměr částic Si02 8–10 nm, optimální poměr P/L je 2.9–3.1.

Pro ověření tohoto rozdílu, srovnávací testy lze provádět pomocí 830 Oxid křemičitý sol (velikost částic 8–10 nm) a 1430 Oxid křemičitý sol (velikost částic 14–16 nm), se třemi kritickými testovacími kontrolami:

za použití stejného zirkonového prášku, zajištění stejné viskozity kalíšku, a současné měření hustoty a tloušťky povlaku.

Doplňování vlhkosti v provozu na místě

Voda v křemičitém solu se během skladování a používání nepřetržitě odpařuje, zvýšení obsahu SiO₂ a viskozity, a zvyšuje riziko gelovatění.

Pro kbelík na kejdu o průměru 1 metr, denní odpařování vody je přibližně 1– 2 litry-tedy, denní doplňování vlhkosti deionizovanou vodou je povinné.

Zejména, tato rychlost odpařování je pouze obecná reference; skutečná ztráta vody je ovlivněna podmínkami prostředí, jako je teplota sušárny, provoz klimatizace, vlhkost, a rychlost větru.

V nestabilních provozních prostředích, ztráta vody může výrazně kolísat, vyžadující měření na místě k určení přesného množství suplementace.

Zatímco některé metody pro stanovení doplňování vody jsou popsány v „Praktické technologii lití na lití“,
jejich provozuschopnost je omezená. Provozovatelé průmyslu se vyzývají, aby zkoumali a sdíleli praktičtější metody.

7. Proces gelovatění a teplota pražení Silica Sol

Proces gelovatění solu oxidu křemičitého je kritickým krokem při výrobě skořepiny na vytavitelné odlévání, protože určuje tvorbu a pevnost skořápky.

Pochopení mechanismu gelovatění a optimální teploty pražení je zásadní pro zamezení defektů skořápky, jako je praskání a nedostatečná pevnost.

Gelační proces Silica Sol

Gelování solu oxidu křemičitého je proces aglomerace částic Si02 a vytváření sítě, který probíhá ve dvou fázích:

1. Tvorba hydratovaného gelu: Zpočátku, silika sol tvoří vodu obsahující hydratovaný gel se špatnou pevností, které lze částečně znovu rozpustit ve vodě.
   Tento jev je jasně pozorovatelný během procesu předběžného smáčení voskových vzorů – hydratovaný gel na povrchu skořápky se může znovu rozpustit při kontaktu s předem zvlhčeným křemičitým solem..
2. Tvorba suchého gelu: Až když se ztratí všechna volná voda (přes sušení), hydratovaný gel se přemění na suchý gel s vysokou pevností, odolnost vůči vysokým teplotám, a žádné opětovné rozpuštění.
   Nedostatečné vysušení krycí vrstvy má za následek neúplnou konverzi na suchý gel, což vede k nedostatečné pevnosti a zvýšenému riziku praskání skořápky během odparafinování.

Teplota pražení skořápek oxidu křemičitého

Před naléváním, Skořápky křemičitého solu musí být praženy, aby se odstranila zbytková vlhkost, organická hmota, a ke zvýšení pevnosti skořápky prostřednictvím krystalické transformace:

• Fáze dehydratace (Pod 700 ℃): Během pražení, vázaná voda (adsorbované a krystalické) se postupně ztrácí, a amorfní síť Si02 se dále zahušťuje.
• Fáze krystalické transformace (900℃): Při přibližně 900 ℃, amorfní Si02 prochází krystalickou přeměnou (přeměnou na cristobalit),
  což výrazně zvyšuje mechanickou pevnost a vysokoteplotní stabilitu pláště.
• Optimální teplota pražení: Typická teplota pražení pro slupky oxidu křemičitého je 950-1050 ℃,
  která zajišťuje úplnou dehydrataci, odstranění organické hmoty, a dostatečnou krystalickou transformaci – vyvažující pevnost pláště a odolnost proti tepelným šokům.

8. Praktické úvahy pro aplikaci Silica Sol při výrobě skořepin

Aby se maximalizoval výkon křemičitého solu a zabránilo se běžným závadám, při provozu na místě je třeba dodržovat následující praktické úvahy:

1. Přísná kontrola kontaminace elektrolytem: K přípravě nátěru a doplnění vlhkosti používejte pouze deionizovanou vodu;
   nepoužívejte iontová smáčedla a zajistěte veškeré vybavení (kbelíky na kejdu, mixéry, viskozitní kelímky) je čistý a bez zbytků elektrolytu.
2. Optimální výběr velikosti částic SiO₂: Vyberte velikost částic solu oxidu křemičitého na základě požadavků na odlévání: sol oxidu křemičitého o malé velikosti částic (8–10 nm) pro vysokou pevnost, vysoce přesné granáty; sol oxidu křemičitého o velké velikosti částic (14-16 nm) pro obecné odlitky vyžadující lepší stabilitu.
3. Optimalizace viskozity a poměru P/L: Pravidelně sledujte viskozitu křemičitého solu; upravte poměr P/L na základě velikosti částic a obsahu SiO₂, abyste zajistili tekutost povlaku a pevnost pláště.
4. Vědecká kontrola sušení a vlhkosti: Zaveďte přísný plán sušení skořápky, abyste zajistili úplné odstranění volné vody;
   upravit parametry sušení (teplota, vlhkost, rychlost větru) na bázi vodních skupenství v křemičitém solu.
5. Optimalizace procesu pražení: Zajistěte, aby teplota pražení dosáhla 950–1050 ℃, abyste dosáhli úplné krystalické transformace a maximalizovali pevnost skořápky;
   vyvarujte se nedostatečnému opečení (což vede k neúplné dehydrataci) nebo přepražení (způsobující křehkost skořápky).

9. Odstraňování problémů — běžné režimy poruch & opravuje

10. Otázka na zamyšlení: Klíčové poznámky pro předvlhčení Silica Sol

Předběžné smáčení je kritickým krokem při výrobě skořepiny na vytavitelný model, kde jsou voskové vzory předem navlhčeny silikagelem, aby se zlepšila přilnavost a jednotnost povlaku.

Na základě výše uvedených charakteristik a výkonu křemičitého solu, klíčové poznámky pro předběžné smáčení křemičitým solem jsou shrnuty následovně:

1. Kontrola viskozity: Předsmáčení křemičitého sol by mělo mít nižší viskozitu (kinematická viskozita <6×10⁻⁶ m²/s) než nátěr silikasol, aby bylo zajištěno rovnoměrné pokrytí na povrchu voskového vzoru bez vytvoření silného filmu.
2. Zajištění stability: Předem navlhčený křemičitý sol musí být bez kontaminace elektrolytem a musí být udržován na stabilním pH (8–10) aby se zabránilo předčasné gelaci, které by ovlivnily adhezi.
3. Obsah vlhkosti: Obsah vlhkosti předem zvlhčeného křemičitého solu by měl být v souladu s povlakem křemičitého solu, aby se zabránilo nerovnoměrnému vysychání a odlupování povlaku.
4. Vyhněte se opětovnému rozpuštění: Zajistěte, aby předem zvlhčený křemičitý sol nezpůsobil nadměrné opětovné rozpuštění stávající vrstvy obalu (při aplikaci více vrstev). Toho lze dosáhnout řízením doby předběžného smáčení a pH solu oxidu křemičitého.
5. Čistota: Předem zvlhčený křemičitý sol by měl být udržován v čistotě, bez žáruvzdorného prášku a úlomků, aby se zabránilo povrchovým defektům na plášti.

11. Závěr

Silica sol je jádrové pojivo při výrobě skořepin vytavitelných odlitků, a jeho výkon je zásadně určen koloidními vlastnostmi, jako je stabilita, velikost částic, viskozita, hustota, a vodní stav.

Citlivost na elektrolyt a velikost částic SiO₂ přímo ovlivňují stabilitu a gelovatění, vyžadující pečlivou rovnováhu mezi stabilitou suspenze a pevností skořápky.

Viskozita a hustota slouží jako klíčové kontrolní parametry pro formulaci suspenze a optimalizaci poměru prášku a kapaliny.

Gelovatění, sušení, a vysokoteplotní transformace solu oxidu křemičitého jsou rozhodující pro integritu obalu.

Správná kontrola volné a fixované vody zajišťuje adekvátní tvorbu suchého gelu, zabraňující praskání skořápky během odparafinování, zatímco vysokoteplotní vypalování posiluje amorfní SiO₂ síť, aby odolala roztavenému kovu a tepelnému šoku.

V praxi, vysoce kvalitní skořápky závisí na přísné kontrole kontaminace, výběr velikosti částic, rovnováhu vlhkosti, a podmínky střelby.

Jak se investiční lití posouvá směrem k vyšší přesnosti a náročnějším aplikacím, pokračující optimalizace systémů oxidu křemičitého bude i nadále zásadní pro zlepšení spolehlivosti pláště, Kvalita obsazení, a efektivita výroby.

FAQ

Mohu použít vodu z vodovodu k doplnění křemičitého solu??

Ne – voda z vodovodu obsahuje ionty, které destabilizují koloid a mohou vyvolat předčasnou gelovatění.

Proč jemnější sol zlepšuje pevnost za mokra, ale snižuje životnost?

Jemnější částice se shlukují hustěji (lepší pevnost) ale mají větší tendenci adsorbované vody/usnadněné polymerace, která snižuje koloidní stabilitu.

Jak často bych měl reologicky testovat kaše?

Alespoň jednou týdně kvůli stabilitě výroby; po jakékoli změně šarže solu nebo žáruvzdorného prášku; denně, pokud je produkce citlivá.