ウォーターガラス投資鋳造とは何ですか?

投資キャスティング（失われたワックスキャスティングとしても知られています）は、最も汎用性の高い金属形式のテクニックの1つです。.

この領域内, ウォーターグラス (ケイ酸ナトリウム) 投資キャスティング 複雑な鉄成分を生産するコスト効率と能力が際立っています.

このガイドで, プロセスのあらゆる側面を深く掘り下げます, データ駆動型の洞察を提供し、エンジニアリングの決定をサポートするための業界標準を参照する.

1. 導入: 水ガラス投資鋳造の理解

Water glass 投資キャスティング 用途 ケイ酸ナトリウム (nausio₃) ワックスパターンの周りに多層シェルを形成するためのセラミックバインダーとして.

一方、シリカソールプロセスはコロイドシリカに依存しています, 水グラスは豊富なものに引き寄せられます, 20世紀半ばからファウンドリーズを提供してきた低コストのバインダー.

歴史的に, アジアとヨーロッパの職人は、プリミティブアルカリケイ酸塩をシェルカビに適用しました; 時間とともに, 化学者はsio₂を洗練しました:NATO RAIO (頻繁 2.5:1 重量で) 強度と設定速度を最適化する.

今日, ウォーターグラスキャスティングは、重要なニッチを埋めます: それは配達します ISO 8062 CT7-CT9許容範囲 そして RA 6〜12μmの表面仕上げ パートごとのシェルの材料コストを維持している間 $0.50/kg - シリカソールシステムの一部.

その結果, メーカーは、中級のためにそれを活用します, 農業機械などの予算に敏感なアプリケーション, ポンプハウジング, および頑丈なバルブ.

2. ウォーターガラス鋳造とは何ですか?

ウォーターグラス鋳造, とも呼ばれます ケイ酸ナトリウム投資鋳造, 特定のタイプです 投資キャスティング それは利用します ウォーターグラス (ケイ酸ナトリウム溶液) ワックスパターンの周りにセラミックシェルを構築するためのバインダー材料として.

これは、効率的で経済的なプロセスです ネットシェイプまたはネットシェイプメタルコンポーネントに近い 中程度の精度と表面の品質.

この方法は、特にキャストに適しています 中くらい- 大規模な鉄成分へ 比較的単純で適度に複雑な幾何学を備えています.

定義とコアの原則

ウォーターガラス鋳造, 中心原理は、すべての紛失したワックス鋳造プロセスと一致しています: 使い捨て ワックスモデル シェルを形成するために複数のセラミック層でコーティングされています.

シェルが硬化して硬化したら, ワックスが削除されます (脱線), そして、溶融金属が空洞に注がれます.

冷却と固化後, シェルが壊れて鋳造金属コンポーネントを明らかにします.

このプロセスの際立った特徴はです ウォーターグラスの使用 (na₂sio₃ソリューション) セラミックスラリーのバインダーとして.

コロイドシリカと比較して (高精度のシリカソル投資キャスティングで使用されます), ウォーターグラスが提供します:

• 材料コストの削減
• より速い乾燥時間
• より高い生産スループット

3. なぜウォーターグラスを使用するのか?

ウォーターガラス投資キャスティング, 利用可能な最も洗練されたプロセスではありませんが,

そのため、複数の業界で広く採用され続けています 費用効率間の未払いのバランス, 機械的信頼性, および生産スケーラビリティ.

使用して ケイ酸ナトリウム (nausio₃) バインダーとして, この方法は大きな利点を提供します,

特に 中程度複合コンポーネント それは超密光耐性を必要としませんが、機能的および構造的な要求を満たす必要があります.

強さを犠牲にすることのない費用対効果

の1つ 主な理由 製造業者は、ウォーターガラス鋳造を選択します 経済効率.

ケイ酸ナトリウムはです 豊富です, 無毒, そして はるかに安価です ハイエンド精度鋳造で使用されるコロイドシリカよりも. 平均して:

• バインダーコストあたりのコスト ウォーターグラスのです 30–50％低い シリカソルのものよりも.
• シェル材料, 石英砂など, 融合シリカやジルコンよりも安いです.
• より短い乾燥サイクル (4–8時間/レイヤー) より高い毎日の出力を有効にします, 全体的なリードタイムを短縮します.

結果: パートあたりの生産コストの低下 - 特に中容量の注文に対して効果的です (>1,000 PC).

産業用に適切な次元精度

ウォーターガラス鋳造は、タイト耐性の達成でシリカソルに匹敵することはできませんが, それはまだ提供します 許容可能な寸法精度 ほとんどの場合 構造的および機能的な部分:

• 達成可能な寛容: ISO 8062 CT7 – CT9
• 線形耐性偏差: ±0.5％から±1.5％の公称寸法
• 表面仕上げ: RA6-25μm, スラリーの品質と金型処理に応じて

このレベルの精度で十分です ギアブランク, バルブハウジング, ブラケット, 農業継手, 他の多くの機能成分.

シェルの優れた機械的強度

ウォーターガラスベースのシェルが提供しています 堅牢な緑と発射強度, プロセスが対応できるようにします より大きくて重いコンポーネント (通常、ピースあたり1〜80 kg). これは原因です:

• より高い固形物含有量 (〜40–50 wt％) ウォーターグラスバインダー
• 石英またはシリカベースの耐火物による強い結合
• 迅速な設定時間, これにより、シェルの変形による欠陥が減少します

必要なアプリケーション 構造的完全性 これはこれから最も細かい外観に恩恵をもたらします.

シンプルさと運用上の柔軟性を処理します

ウォーターガラス投資の鋳造もそうです 実装とスケーリングが簡単です 小規模から中規模のファウンドリーで:

• バインダーの準備 pH調整や界面活性剤添加物は必要ありません.
• 周囲の硬化 コロイドシリカシステムよりも湿度に敏感ではありません.
• より厳しい温度制御 シェルの乾燥と発火中に必要です.
• 再利用性 ワックスとスラリーの取り扱いのシンプルさは、材料の無駄を減らします.

さらに, 標準装備と従来の鋳造スキル ウォーターグラス鋳造品を効率的に走らせるのに十分です, このプロセスを新興市場と経験豊富なメーカーの両方にとって魅力的にする.

環境と健康の考慮事項

ウォーターグラスバインダーはそうです 無機, 無毒, および水溶性, VOCに関連するリスクを減らす (揮発性有機化合物) シェルの準備中の危険な煙.

樹脂ベースのバインダーと比較:

• 有機溶媒は必要ありません
• あまり厳しくない排気と煙の取り扱いシステムが必要です
• シェルの燃焼がきれいであるため、脱線の排出量は低くなります

これはサポートします ISO 14001 環境コンプライアンス 職場の安全性の向上.

4. プロセスの概要: ワックスから金属へ

以下は段階的な内訳です, シリカソール鋳造との重要なパラメーターと違いの強調表示.

ワックスパターンの作成

• 許容範囲: ±0.05 mm
• 材料: パラフィン - マクロ結晶ブレンド (灰 <0.05 wt％)
• 音量: 10–50ツリーあたり50部

ツリーアセンブリ

• スプルーデザイン: 5 - 部品量の10％
• 熱ステークスまたはワックス接着剤: 堅牢なジョイントを保証します

ウォーターガラスバインダー付きのシェルビルディング

• スラリー構成: 30-35 wt％na₂so₃, pH 11.5–12.5, 粘度〜10 mpa・s
• スタッコグレード: #100 メッシュ (150 µm) プライムコート; #50 - ＃30 (300–600 µm) バックアップコート
• コート & 乾燥: 4–7ディップ; 1–2 h周囲または 60 °Cオーブンあたりのコート
• 総シェルの厚さ: 5–15 mm

脱線 (蒸気またはお湯)

• 温度: 160–180°C
• プレッシャー: 5–7バースチームオートクレーブ
• 間隔: 20–30分
• ワックス回復: >85% 埋め立て

セラミック型の発射

• ランプレート: 5 °C/minに 800 °C; 所有 2 h
• 最終温度: 900–1000°Cで2〜4時間
• 目的: 残留オーガニックを除去します; シリケートバインダーをvitrifyします

金属の注ぎと冷却

• 合金タイプ: 炭素鋼 (1 450–1 550 °C), 低合金鋼 (1 500–1 600 °C), 延性鉄 (1 350–1 450 °C)
• 過熱: +20-50°100上の液体
• 脾臓のために: 10–20 kg/sの典型的な産業のるつぼ

シェルの取り外しと仕上げ

• ノックアウト方法: 0.4〜0.6 MPaでのショットブラスト, 機械的振動
• 掃除: グリットブラストと軽い研削
• 最終表面: 機械加工前のRA〜6〜8 µm

重要な違いと. シリカソル: 水ガラスセット 乾燥, 酸性や熱によるゲル化ではありません.

Dewaxは使用します 濡れた除去, 高温の燃え尽きを避けますが、排水管理が必要です.

その結果, サイクル時間が短くなる場合があります (2–3日) Silica-Solの3〜5日よりも, しかし、シェルの屈折率がピークに達します 〜900°C それよりも 1200–1300°C.

5. バインダーシステム: ウォーターグラスの背後にある化学

バインダーシステムは、ウォーターガラス投資キャスティングプロセスの基礎です.

機械的強度を決定します, 寸法安定性, セラミックシェルの熱挙動. ウォーターガラス鋳造, ケイ酸ナトリウム - 心から「ウォーターグラス」と呼ばれる - プライマリバインダーとして使用されます.

その化学組成を理解する, 行動, キャストの品質を最適化するには、制限が不可欠です, 欠陥の最小化, および生産コストの管理.

ケイ酸ナトリウムとは何ですか?

ケイ酸ナトリウム (na₂ho・セックスのため) です シリカとソーダ灰のアルカリ水溶液, 粘性を形成します, 乾燥を硬化させるガラス状の物質.

二酸化シリコンの比率 (sio₂) 酸化ナトリウムに (nauo) として知られています ケイ酸塩モジュラス - バインダープロパティの重要なインジケーター.

• 典型的なモジュラス範囲: 2.4 に 3.0
• 粘度 (25 °C): 0.5–1.5 Pa・s
• ph: 11–13 (強くアルカリ)
• ソリッドコンテンツ: 35–45％
• 外観: 軽い琥珀色の液体に透明

より高いモジュラスは、より高いSiO₂コンテンツを示します, シェルの強度が向上しますが、粘度を高め、作業性を低下させる可能性があります.

作用メカニズム: それがどのように拘束されるか

ケイ酸ナトリウムはセラミック粒子を介して結合します 蒸発硬化 そして 重合:

1. 水蒸発 ケイ酸塩のゲルが集中して硬化します.
2. Co₂または酸性環境の存在下で, それは受けます 不可逆的な重合, 強いものを形成します, ガラスマトリックス.

この迅速な設定の性質はサポートされています より速い乾燥サイクル シリカソルと比較して, 特に、気流が良好で湿度が低い環境では.

ケイ酸ナトリウムバインダーの重要な利点

ウォーターグラスバインダーは複数の利点を提供します, 特に コスト駆動型アプリケーション:

特徴	パフォーマンス
料金	30コロイドシリカよりも50％低い
シェル乾燥時間	速い: 4–8時間レイヤー
可用性	世界的に豊富です, 保管しやすい
結合強度	中程度から高 (〜1–3 MPa乾燥強度)
環境への影響	低VOC, 水ベース, 炎症性

これらの特性により、ケイ酸ナトリウムは理想的です 中程度 鉄の鋳造と 大量に実行されます 経済学が表面仕上げよりも優先される場合.

ウォーターガラスバインダーの制限

その実用性にもかかわらず, ケイ酸ナトリウムには欠点がないわけではありません:

制限	技術的な影響
吸湿性	シェルは時間の経過とともに水分を吸収します, 構造の弱体化
低い不応	〜1250°Cを超える劣化, 高テンプル合金の使用を制限します
耐湿性が低い	高湿度ストレージでのシェル軟化のリスク
アルカリ度	取り扱い装置を腐食させ、肌を刺激する可能性があります
収縮の不一致	冷却中のシェルクラックのリスクが高い

シリカソルバインダーと比較して, 優れた高温抵抗と寸法の安定性を提供します, ウォーターグラスは信頼性を低下させました タイト耐性, のような高性能合金 チタン または スーパーアロ.

修飾子添加物と強化

パフォーマンスを改善し、欠陥を減らすため, 水ガラスバインダーは、多くの場合、使用して変更されます:

• pH安定剤: ホウ酸, クエン酸 (ゲル化率を制御します)
• 硬化剤: Co₂ガス注入または塩化アンモニウム
• 有機バインダー: 柔軟性を向上させるための小さな追加
• 界面活性剤: スラリーの粘度を減らし、濡れを改善します

最近の進歩が導入されています ハイブリッドバインダー - ケイ酸ナトリウムとコロイドシリカとの混合 - コストとシェルパフォーマンスのバランス.

これらのハイブリッドは改善します シェル熱衝撃耐性 そして 表面の品質をキャストします まで 25%.

標準と品質指標

キーパフォーマンスメトリックについては、ウォーターグラスバインダーを監視する必要があります:

財産	テスト方法	許容範囲
モジュラス	滴定またはICP-OE	2.4–3.0
ph	pHメーター (25 °C)	11.5–13.0
粘度	ブルックフィールド粘度計	0.5–1.5 Pa・s
ゲル時間 (CO₂テスト)	ラボガスリグ	<30 秒
乾燥した結合強度	ASTM C1161	≥1.0MPa (25°Cで)

6. シェル材料と建設技術

ウォーターグラスシェルは依存しています シリカベースの耐火物:

• プライムコート: #100 - ＃140メッシュファインクォーツ (75–150 µm) 詳細キャプチャ用
• 中間コート: #60 - ＃80メッシュ (200–300 µm) 強さのために
• バックアップコート: #30 - ＃50メッシュ (300–600 µm) 剛性のため

通常、ファウンドリは適用されます 4–7レイヤー, バランス 強さ (3–5 MPaおよび 500 °C) に対して 透過性 (10–30ダーシー).

彼らは乾燥室を維持します 22–28°C, <50% rh シェルの割れを防ぐため. 対照的に, シリカソールシェルには、多くの場合、ジルコンまたはアルミナフィラーが組み込まれています 6–8 MPa での強さ 800–1200°C.

7. 鋳造金属と互換性

ウォーターグラスはで優れています 鉄合金:

• 炭素鋼 (例えば. アイシ 1080): 注いだ 1500 °C; 引張強度〜450 MPa
• 低合金鋼 (例えば. 4140): 注いだ 1550 °C; 引張〜650 MPa
• 延性鉄: 注いだ 1 350 °C; 伸長〜10–15％
• マンガン鋼: 注いだ 1450 °C; 硬度〜250 Hb

しかし, リアクティブまたは光合金をサポートしていません (アル, mg, の) バインダーのアルカリ度と残留水分のため. これらは必要です 真空または不活性バインダーシステム (シリカソールまたはアルミニュアルシェル).

8. 寸法精度と表面仕上げ

• 公差: ISO CT7 – CT9 (±0.1〜0.2％の公称長) - 機能に適しています 2 mmの厚さ
• 表面の粗さ: RA 6〜12 µm; 追加のプライムコート付き, 部品は、機械加工の前にRA〜4〜6 µmに到達できます
• 比較: 砂鋳造は、RA 25〜50 µMおよびCT11-CT14許容値をもたらします; Silica-Solは、RA 1.6–3.2 µMおよびCT4-CT6許容範囲を提供します

a 100 通常、ウォーターガラスを介して鋳造されたMMスチールブラケットが必要です 0.5–1.0 mm RAを達成するための機械加工ストックの < 1.6 µm, 対 0.2 mm シリカソル鋳物用.

9. 品質管理および検査プロトコル

Foundriesは厳格なQAを実装します:

• シェル検査: 超音波の厚さゲージ, 視覚的な亀裂チェック
• デオワックスの検証: 残留ワックス <0.5 wt％; シェルの硬度 >3 MPA
• 鋳造検査:

• • X線撮影 (ASTM E446) 1 mm以上の多孔性を検出します
  • 染料浸透剤 (ASTM E165) 表面亀裂の場合50 µm以上
  • CMM 測定: クリティカルディムは±0.05 mmです

プロセスドキュメントが付着します ISO 9001 そして, 該当する場合, AS9100 航空宇宙部品用, スラリーバッチから最終熱処理への完全なトレーサビリティを確保する.

10. 経済的考慮事項とコスト分析

要素	ウォーターグラス	シリカソル	砂鋳造
バインダーコスト	$0.20–0.40/l	$4–6/l	$0.10–0.20/l
砂コスト	$30–50/トン	$200–300/トン (ジルコン)	$20–30/トン
シェルビルド時間	2–3日	3–5日	1–2日
典型的な部品コスト (鋼鉄)	$50 - 200ドル	$150 - 500ドル	$30 - 120ドル
ネットシェイプの機械加工の節約	30–50％	60–80％	0–20％

11. 産業用アプリケーション

ウォーターグラス鋳造スーツ中程度- 大規模な鉄成分に, 含む:

• ポンプとバルブの本体: 複雑な内部ジオメトリ, ra < 12 µm
• 農業機器: トラクターハウジング, プラウアセンブリ
• 重機: 採掘シャベル, ギアボックスハウジング
• オフロード車両コンポーネント: シャーシブラケット, ブレーキハウジング

12. 比較分析: ウォーターグラス対. その他の方法

キャスティングプロセスを選択するとき, エンジニアは体重を量る必要があります 正確さ, 表面仕上げ, 材料の互換性, ツール投資, そして 生産尺度 に対して 単位コスト.

ウォーターガラス投資鋳造は中間地面を占めています - それは砂の鋳造よりも精度と仕上げを提供します, しかし、シリカソル投資キャスティングのコストのほんの一部.

同じく, 鋳造できない鉄合金に対応します. 以下の表は、これらのトレードオフを5つの一般的な方法で重要なメトリックに蒸留します.

キーテイクアウト:

• ウォーターグラス対. シリカソル: ウォーターグラスはバインダーと耐火コストを削減します 70%, CT7-CT9許容耐性とRA 6〜25 µMの仕上げを提供しながら.
  対照的に, シリカソルはCT5-CT7とRA 3〜12 µmに到達しますが、高コストのコロイドシリカとジルコン粉を必要とします.
• ウォーターグラス対. 砂鋳造: ウォーターグラスは、CT7-CT9に精度を狭めます (対CT10-CT13) 表面仕上げを2〜4×改善します,
  砂鋳造の粗さと緩い許容範囲が機能的要件を満たすことができないときに理想的にする.
• ウォーターグラス対. ダイカスト: ダイキャスティングは最も厳しい許容範囲を達成しますが (CT4-CT6) そして最も滑らかな仕上げ (RA 1-5 µm), これは、合金の選択を非鉄金属への制限し、非常に高いツーリングコストを負担します, 鉄成分とより低いボリュームの生存率を制限します.
• ウォーターグラス対. ロストフォームキャスティング: どちらの方法でも複雑な形状を処理します, しかし、水ガラスはより良い表面の品質をもたらします (RA 6-25 µm対. 12–50 µm) より強いセラミックシェル, 失われたフォームは、シェルビルディングなしでよりシンプルな金型セットアップを提供します.

13. 結論

ウォーターグラスの投資鋳造は提供します 最適なバランス の 料金, 複雑, そして 精度 鉄成分用.

と バインダーは0.50ドル/kg未満です, CT7への公差, そして 表面はRAに終了します 6 µm, これにより、メーカーは複雑になります, 専門的な投資補償コストのほんの一部での大量の部品.

さらに, 堅牢なQAプロトコルに合わせた ISO 9001 そして ASTM標準 重要なアプリケーションの一貫した品質を確保します.

先を見ています, 進歩 自動シェルビルディング, 最適化されたケイ酸塩製剤, そして ハイブリッドバインダーシステム メソッドの精度と環境フットプリントをさらに強化する可能性があります.

それにもかかわらず, エンジニアが費用対効果が必要な場合, 中程度の精度鋼および鉄の鋳物のための信頼できるソリューション, ウォーターガラス投資鋳造は残っています 時間テスト, 業界が実証します 選択.

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