Израда шкољки за ливење за улагање — Силица Сол

1. Резиме - зашто је силика сол важан

Силицијум сол је везиво које претвара упаковани слој ватросталног праха у кохезивни, капут за лице и подлога високе верности у модерним шкољкама за прецизно ливење.

Његово колоидно понашање - посебно величина честица, СИО₂ садржај, хемија стабилизатора и старење—регулише реологију суспензије, формирање влажног филма, зелена снага, густина печења и термохемијска стабилност.

Мале промене у спецификацији сол, разблаживање или контаминација може произвести велике, често нелинеарни ефекти на чврстоћу шкољке, пропустљивост и завршни квалитет ливене површине.

Због тога је контрола хемије силицијум-сола и њене интеракције са ватросталним праховима једна од активности највећег утицаја у изради шкољки..

2. Материјал: Шта је силицијум-сол који се користи у ливењу по инвестиционој маси?

Силицијум сол који се користи у Инвестициони ливење је стабилан колоидни дисперзиони систем, који се састоји од аморфног силицијум диоксида (Сио₂) честице равномерно дисперговане у воденом медијуму, стабилизован натријум оксидом (Науо) као алкални стабилизатор.

За разлику од других везива (Нпр., чаша за воду, етил силикат), силицијум сол формира густ, гел мрежа високе чврстоће силицијумске киселине након сушења и печења,

који везује ватросталне прахове (циркон, Алумина) чврсто—постављање темеља за високо прецизне и високе чврстоће шкољке за ливење за улагање.

Основне карактеристике силицијум-сола за ливење за улагање дефинисане су његовом колоидном структуром:

честице СиО₂ (са пречником у распону од 8 нм то 16 нм у типичним апликацијама) носе негативна наелектрисања на својим површинама,

формирајући електрични двоструки слој који одржава равнотежу између међучестичних привлачних и одбојних сила.

Ова равнотежа је кључ стабилности силицијум сола; било које спољашње сметње које поремете ову равнотежу ће покренути брзо гелирање, чинећи га неупотребљивим за припрему премаза.

3. Стабилност Силица Сол: Кључни фактори утицаја и оперативне импликације

Стабилност силицијум-сола је предуслов за његову примену у изради шкољки за ливење - сваки губитак стабилности ће довести до прераног гелирања премаза, што резултира дефектима као што је пуцање шкољке, љуштење, и лошу завршну обраду површине.

На стабилност силицијум сола углавном утичу два кључна фактора: сметње електролита и величина честица СиО₂, оба имају директан и значајан утицај на рад на лицу места.

Утицај електролита на стабилност силицијум-сола

Електролити имају одлучујући утицај на стабилност силицијум-сола, пошто нарушавају равнотежу између привлачних (ван дер Валсове снаге) и одбојан (електростатичке силе) силе између честица СиО₂.

Конкретно, промена пХ вредности силицијум-сола или додавање одређених електролита ће компримовати двоструки електрични слој на површини честица СиО₂, смањити одбојну силу између честица, и изазивају агломерацију и гелирање.

Овај принцип директно диктира критичне оперативне норме у изради шкољки:

• Забрана коришћења воде из славине: Вода из славине садржи разне електролите (Нпр., јони калцијума, јони магнезијума, хлоридних јона) што може значајно убрзати гелирање силицијум сол.
  Стога, само дејонизовану воду или дестиловану воду треба користити за припрему премаза и допуну влаге да би се избегла контаминација електролита.
• Ограничење јонских средстава за влажење: Јонска средства за влажење (ањонске или катјонске) делују као електролити, нарушавајући колоидну равнотежу силицијум-сола.
  Препоручује се употреба нејонских средстава за влажење (Нпр., полиоксиетилен алкил етри) у минималним дозама како би се обезбедило влажење премаза без угрожавања стабилности силицијум-сола.

Утицај величине честица СиО₂ на стабилност и чврстоћу шкољке

Пречник СиО₂ честица је двоструки фактор који утиче и на стабилност силицијум-сола и на чврстоћу љуске за ливење, представљајући компромис који мора бити уравнотежен у практичним применама:

Утицај на стабилност силицијум-сола

Уопште, што је већи пречник честица СиО₂, што је стабилнији сол силицијум диоксида.
Веће честице имају нижу специфичну површину и слабију интеракцију међу честицама, чинећи их мање склоним агломерацији и гелирању.

Обрнуто, мање честице СиО₂ имају већу специфичну површину и јаче међучестичне привлачне силе, што доводи до веће осетљивости на спољашње сметње и лакшег гелирања.

Додатно, под истим На₂О (стабилизатор) садржај, што је мањи пречник честица СиО₂, што је пХ вредност раствора силицијум диоксида нижа.

То је зато што мање честице адсорбују више На⁺ јона на својим површинама, смањујући концентрацију слободног На⁺ у воденој фази и тиме снижавајући алкалност (пХ вредност) система.

Овај однос је критичан за подешавање пХ вредности превлака силицијум-сола ради оптимизације стабилности и перформанси премаза.

Утицај на чврстоћу шкољке ливеног ливења

Величина честица СиО₂ директно утиче на механичку чврстоћу љуске за ливење, посебно влажну чврстоћу. Гелирање силицијум сол је резултат агломерације честица СиО₂:

мање честице имају више додирних тачака током агломерације, формирање густе, испреплетена гел мрежа.

У супротности, веће честице имају мање додирних тачака, што резултира лабавом унутрашњом структуром гела.

Практично, шкољке направљене од силицијум диоксида малих димензија (8-10 нм) показују знатно већу чврстоћу на мокром и сувом од оних направљених са силицијум-солом великих честица (14–16 нм).

Ово је кључно за спречавање оштећења шкољке током руковања, девексирање, и трансфер.

Међутим, компромис је што је силицијум-сол малих честица мање стабилан и захтева строжију контролу радних услова (Нпр., температура, влажност, контаминација електролитом).

4. Вискозитет Силица Сол: Кључни параметар за формулацију премаза и перформансе

Вискозност је један од најкритичнијих параметара перформанси силицијум сола, директно одређујући течност премаза, однос прах-течност (П/Л однос) формулације, и уједначеност слоја премаза.

Дубоко разумевање вискозитета силицијум-сола и његових фактора утицаја је од суштинског значаја за оптимизацију перформанси премаза.

Захтеви за вискозитет за ливење под улошком

Силицијум сол који се користи у ливењу захтева низак вискозитет да би се обезбедила добра флуидност премаза и омогућила припрема премаза са високим П/Л односом (критично за чврстоћу шкољке и квалитет површине).

Према индустријским подацима и академским истраживањима:

• Сол силицијум са кинематичком вискозношћу од мање од 8×10⁻⁶ м²/с погодан је за опште примене ливења.
• За високо прецизне одливе који захтевају врхунску завршну обраду и репликацију детаља, силицијум сол са кинематичком вискозношћу од мање од 4×10⁻⁶ м²/с је пожељно,
  јер се може формулисати у премазе са одличном флуидношћу и уједначеном покривношћу.

Фактори који утичу на вискозитет силицијум-сола

Силицијум сол је колоидни дисперзиони систем, а на њен вискозитет утиче више фактора - супротно једноставној претпоставци да вискозитет зависи само од запреминске концентрације (по Ајнштајновој теорији):

Запреминска концентрација СиО₂ честица

Ајнштајнова теорија каже да вискозност колоидне дисперзије зависи од запреминске концентрације дисперговане фазе (СиО₂ честице) и не зависи од пречника честица.

Међутим, ово важи само за идеалне, разређени колоидни системи. У практичном индустријском раствору силицијум диоксида,
чак и са истом запреминском концентрацијом СиО₂, вискозитет може значајно да варира због других фактора.

Дебљина адсорбованог слоја на површинама честица

Свака честица СиО₂ у силицијум-солу је окружена адсорбованим слојем воде, чија дебљина варира са величином честица, својства површине, и садржај стабилизатора.

Дебљи адсорбовани слој повећава ефективну запремину честица, што доводи до већег вискозитета — чак и при истој запреминској концентрацији СиО₂.

Ово објашњава зашто два сола силицијум диоксида са истим садржајем СиО₂ могу имати различите вискозности.

Компактност СиО₂ честица

Компактност честица СиО₂, одређен процесом производње, такође утиче на вискозност.

Ако је процес производње силицијум-сола неисправан (Нпр., непотпуна хидролиза, неуједначен раст честица), честице СиО₂ ће бити лабаве и порозне.

Лабаве честице заузимају већу запремину од густих честица исте масе, што доводи до већег вискозитета силицијум-сола.

Други утицајни фактори

Додатни фактори који утичу на вискозност силицијум-сола укључују температуру (вискозитет опада са повећањем температуре),
пХ вредност (вискозитет је најнижи у оптималном пХ опсегу за стабилност), и време складиштења (продужено складиштење може изазвати благу агломерацију, повећање вискозитета).

5. Однос између густине силицијум диоксида и садржаја СиО₂

Густина силицијум-сола је директно повезана са његовим садржајем СиО₂, пошто СиО₂ има већу густину од воде.

Овај однос је критичан за формулацију премаза на лицу места, јер омогућава оператерима да брзо процене садржај СиО₂ мерењем густине – обезбеђујући доследне перформансе премаза.

Следи типична корелација између густине сол силицијум диоксида и садржаја СиО₂ (верификовано индустријском праксом):

У инвестиционом ливењу, силицијум-сол са садржајем СиО₂ од 30% (густина ≈1,21 г/цм³) је најчешће коришћена, пошто уравнотежује стабилност, вискозност, и перформансе премаза.

Када садржај СиО₂ премашује 35% (густина ≥1,27 г/цм³), силицијум сол показује значајну тенденцију гелирања, што захтева строжију контролу услова складиштења и рада.

6. Стања воде у Силица Солу и њихове импликације на израду шкољки

Вода у силицијум-солу постоји у три различита стања, сваки са различитом термичком стабилношћу и утицајем на перформансе премаза и шкољке.

Разумевање ових стања воде је критично за оптимизацију формулације премаза, процеси сушења, и избегавање оштећења шкољке.

Три стања воде у Силица Солу

1. Бесплатна вода: Ово је невезана вода која постоји у воденој фази силицијум-сола, није адсорбован или хемијски везан за честице СиО₂.
   Потпуно се губи када се загреје до испод 110℃. Слободна вода је кључ за одржавање флуидности премаза,
   пошто подмазује честице СиО₂ и ватростални прах, обезбеђивање равномерног мешања и наношења премаза.
2. Адсорбована вода: Ова вода се физички адсорбује на површини честица СиО₂ кроз водоничну везу. Губи се када се загреје до 140–220℃.
   Адсорбована вода је чврсто везана за честице и не доприноси флуидности премаза, али утиче на брзину гелирања силицијум-сола.
3. Кристална вода: Ова вода је хемијски везана за честице СиО₂ (формирајући хидратисани силицијум диоксид), изгубљен када се загреје на 400–700℃.
   Адсорбована вода и кристална вода се заједнички називају „везана вода,” што утиче на брзину сушења и коначну чврстоћу љуске.

Кључне импликације за израду шкољки

Утицај стања воде на флуидност премаза

Слободна вода је критична за флуидност премаза: недовољно слободне воде доводи до високог вискозитета премаза, слаба распрострањеност, и неуједначена дебљина премаза;
прекомерна слободна вода смањује П/Л однос, слабљење чврстоће љуске и повећање ризика од опуштања премаза.

Равнотежа слободне и везане воде је стога кључна ствар у формулацији премаза.

Однос између држава воде, Величина честица, и садржај СиО₂

• При истој величини честица СиО₂, што је садржај СиО₂ већи, што је већи удео везане воде (адсорбован + кристална вода).
  То је зато што више честица СиО₂ обезбеђује већу површину за адсорпцију воде и хемијско везивање.
• При истом садржају СиО₂, што је мања величина честица, што је већи удео везане воде.
  Мање честице СиО₂ имају већу специфичну површину, омогућавајући већу адсорпцију воде.

Утицај на однос прах-течност (П/Л однос)

Величина честица СиО₂ директно утиче на П/Л однос премаза када се користи исти ватростални прах (Нпр., прах циркона).

Према академским истраживањима (цитирано из рада професора Ксуа), за силицијум сол со 30% Сио₂:

• Када је просечан пречник честица СиО₂ 14–16 нм, оптимални однос П/Л је 3.4–3.6.
• Када је просечан пречник честица СиО₂ 8-10 нм, оптимални однос П/Л је 2.9–3.1.

Да бисте проверили ову разлику, могу се спровести упоредни тестови помоћу 830 Силика сол (величина честица 8–10 нм) и 1430 Силика сол (величина честица 14–16 нм), са три критичне тест контроле:

користећи исти прах циркона, обезбеђујући исти вискозитет чаше, и истовремено мерење густине и дебљине премаза.

Додавање влаге у раду на лицу места

Вода у силицијум-солу непрекидно испарава током складиштења и употребе, повећање садржаја и вискозитета СиО₂, и повећање ризика од гелирања.

За канту пречника 1 метар, дневно испаравање воде је приближно 1– 2 литра— дакле, дневна допуна влаге дејонизованом водом је обавезна.

Значајно, ова брзина испаравања је само општа референца; на стварни губитак воде утичу услови околине као што је температура просторије за сушење, рад клима уређаја, влажност, и брзину ветра.

У нестабилним радним окружењима, губитак воде може значајно да варира, захтева мерење на лицу места да би се одредила тачна количина суплемената.

Док су неке методе за одређивање суплементације воде описане у „Практична технологија ливења по инвестиционој маси”,
њихова оперативност је ограничена. Индустријски оператери се подстичу да истражују и деле практичније методе.

7. Процес гелирања и температура печења Силица Сол

Процес гелирања силицијум сола је критичан корак у изради љуски за ливење за улагање, пошто одређује формирање и чврстоћу љуске.

Разумевање механизма гелирања и оптималне температуре печења је од суштинског значаја за избегавање оштећења љуске као што су пуцање и недовољна чврстоћа.

Процес гелирања Силица Сол

Гелирање силицијум сола је процес агломерације СиО₂ честица и формирања мреже, који се јавља у две етапе:

1. Хидрирано формирање гела: У почетку, силицијум сол формира хидратисани гел који садржи воду слабе чврстоће, који се делимично може поново растворити у води.
   Овај феномен је јасно видљив током процеса пре влажења узорака воска - хидратисани гел на површини шкољке може се поново растворити када је у контакту са силицијум-солом пре влажења.
2. Формирање сувог гела: Тек када се изгуби сва слободна вода (кроз сушење), хидратисани гел се претвара у суви гел високе чврстоће, отпорност на високе температуре, и без поновног растварања.
   Недовољно сушење омотача задњег слоја доводи до непотпуне конверзије у суви гел, што доводи до недовољне чврстоће и повећаног ризика од пуцања љуске током депаравања.

Температура печења љуски силицијум-сола

Пре изливања, љуске силицијум-сола морају се пржити да би се уклонила заостала влага, органске материје, и да побољша чврстоћу љуске кроз кристалну трансформацију:

• Фаза дехидратације (Испод 700℃): Током печења, везана вода (адсорбован и кристалан) се постепено губи, а аморфна СиО₂ мрежа се даље згушњава.
• Фаза кристалне трансформације (900℃): На приближно 900 ℃, аморфни СиО₂ пролази кроз кристалну трансформацију (претварајући се у кристобалит),
  што значајно повећава механичку чврстоћу и високотемпературну стабилност шкољке.
• Оптимална температура печења: Типична температура печења за шкољке силицијум-сола је 950–1050℃,
  што обезбеђује потпуну дехидрацију, уклањање органских материја, и довољна кристална трансформација - балансирање чврстоће шкољке и отпорности на топлотни удар.

8. Практична разматрања за примену силицијум сола у изради шкољки

Да би се максимизирале перформансе силицијум-сола и избегли уобичајени недостаци, следећа практична разматрања морају се поштовати у раду на лицу места:

1. Строга контрола контаминације електролитом: Користите само дејонизовану воду за припрему премаза и допуну влаге;
   избегавајте употребу јонских средстава за влажење и обезбедите сву опрему (канте за стајњак, мешалице, чаше за вискозност) је чист и без остатака електролита.
2. Оптимални избор величине честица СиО₂: Изаберите величину честица силицијум-сола на основу захтева за ливење: силицијум сол малих честица (8-10 нм) за високу чврстоћу, високопрецизне шкољке; силицијум сол великих честица (14–16 нм) за опште ливење који захтевају бољу стабилност.
3. Оптимизација вискозитета и П/Л односа: Редовно пратите вискозитет силицијум-сола; подесите однос П/Л на основу величине честица и садржаја СиО₂ како бисте осигурали флуидност премаза и чврстоћу љуске.
4. Научно сушење и контрола влаге: Спроведите строги распоред сушења шкољке како бисте осигурали потпуно уклањање слободне воде;
   подесите параметре сушења (температура, влажност, брзина ветра) на основу стања воде у силицијум-солу.
5. Оптимизација процеса печења: Уверите се да температура печења достигне 950–1050℃ да бисте постигли потпуну кристалну трансформацију и максимизирали снагу шкољке;
   избегавајте недовољно печење (што доводи до непотпуне дехидрације) или прекомерно печење (изазивајући крхкост љуске).

9. Решавање проблема — уобичајени начини квара & поправља

10. Питање за размишљање: Кључне напомене за предквашење силицијум-солом

Претходно влажење је критичан корак у изради љуски за ливење за улагање, где су воштани узорци претходно навлажени силицијум-солом да би се побољшала адхезија и униформност премаза.

На основу карактеристика и перформанси силицијум сола о којима је било речи, кључне напомене за предквашење силицијум-сола сумиране су на следећи начин:

1. Контрола вискозитета: Силицијум сол пре влажења треба да има нижи вискозитет (кинематичка вискозност <6×10⁻⁶ м²/с) него премазивање силицијум-солом да би се обезбедило равномерно покривање површине воштаног узорка без формирања дебелог филма.
2. Осигурање стабилности: Силицијум сол пре влажења мора бити без контаминације електролитом и одржаван на стабилном пХ (8-10) да би се избегло прерано гелирање, што би утицало на адхезију.
3. Садржај влаге: Садржај влаге силицијум-сола пре влажења треба да буде у складу са слојем силицијум-сола за превлаку како би се спречило неравномерно сушење и љуштење премаза.
4. Избегавајте поновно растварање: Уверите се да силицијум-сол пре влажења не изазове прекомерно поновно растварање постојећег слоја љуске (ако се наноси више слојева). Ово се може постићи контролисањем времена претходног влажења и пХ раствора силицијум диоксида.
5. Чистоћа: Силицијум сол пре влажења треба одржавати чистим, без ватросталног праха и остатака, да би се избегли површински недостаци на љусци.

11. Закључак

Силицијум сол је главно везиво у изради шкољки за ливење за улагање, а његове перформансе у основи су одређене колоидним својствима као што су стабилност, величина честица, вискозност, густина, и стање воде.

Осетљивост електролита и величина честица СиО₂ директно утичу на стабилност и понашање гелирања, што захтева пажљив баланс између стабилности суспензије и чврстоће љуске.

Вискозитет и густина служе као кључни контролни параметри за формулацију суспензије и оптимизацију односа прах-течност.

Гелирање, сушење, и високотемпературна трансформација силицијум сола су критичне за интегритет љуске.

Правилна контрола слободне и фиксне воде обезбеђује адекватно формирање сувог гела, спречавање пуцања љуске током депаравања, док печење на високој температури јача аморфну ​​СиО₂ мрежу да издржи растопљени метал и топлотни удар.

У пракси, висококвалитетне шкољке зависе од строге контроле контаминације, избор величине честица, равнотежа влаге, и услове гађања.

Како се ливење по инвестицији креће ка већој прецизности и захтевнијим применама, наставак оптимизације система силицијум-сола остаће од суштинског значаја за побољшање поузданости шкољке, Квалитет ливења, и ефикасност производње.

Постављана питања

Могу ли да користим воду из славине за допуну силицијум-сола?

Не – вода из славине садржи јоне који дестабилизују колоид и могу изазвати прерано гелирање.

Зашто финији сол побољшава влажну чврстоћу, али смањује рок трајања?

Финије честице се гушће пакују (бољу снагу) али имају већу адсорбовану воду/склоност лакшој полимеризацији која смањује колоидну стабилност.

Колико често треба да реолошки тестирам суспензију?

Барем једном недељно ради стабилности производње; после било какве промене серије сол или ватросталног праха; дневно ако је производња осетљива.