インベストメント鋳造シリカゾル迅速シェル製造プロセスの研究と実践

要約：この記事では、水ガラスの精密鋳造技術の変革とアップグレードを紹介し、迅速なシェル製造と精密鋳造シリカゾルのバッチ適用を実現しました。このプロセスは、鋳型とシェル材料の選択、速乾剤の添加、オンラインでの迅速なシェル製造、蒸気脱蝋、ワックス材料の回収処理から最適化およびアップグレードされ、水ガラス、塩酸、塩化物塩などの汚染物質の使用を完全に排除し、酸性ミストとナトリウム塩の排出ゼロを実現しました。

中国では、精密鋳造水ガラスの精密鋳造プロセスが60年近くの産業応用の歴史を持ち、年間約150万トンの精密鋳造品を生産し、国の経済発展に大きく貢献しています。この間、鋳型材料、シェル製造材料、硬化剤、シェル製造プロセスで大幅な改善と革新が行われてきましたが、酸性ミスト、塩化物塩、その他の汚染物質の汚染問題は根本的に解決されていません。

プロセスアップグレード計画に関する議論

伝統的な水ガラス精密鋳造プロセスでは、主にパラフィンステアリン酸が使用されていますが、これは使用中に鹸化反応を起こしやすいです。回収は通常、塩酸で処理されますが、塩酸ミストによる深刻な汚染を引き起こします。シェル製造プロセスでは、塩化物塩化学硬化を使用して、大量のナトリウム塩と塩化水素酸ミスト汚染が発生します。脱蝋中に、塩化アンモニウムまたは塩酸を使用して硬化を補充し、焼成プロセス中に塩化物塩と塩化水素製品が生成されます。

現在の塩化アンモニウム硬化水ガラスシェルプロセスは、国によって後進プロセスに指定されており、多くの場所で塩酸の使用も禁止されています。環境圧力が高まるにつれて、伝統的な水ガラス精密鋳造プロセスの変革とアップグレードが不可欠です。伝統的な水ガラス精密鋳造技術における汚染、コスト、サイクル、品質という重要な問題に対処するため、東風精密鋳造技術の変革とアップグレードの全体戦略は次のとおりです。

(1) 元の鋳型材料 (パラフィンステアリン酸) を使用し、バインダーはシリカゾルで、シェルは塩化物硬化なしで作られています。脱蝋とワックス処理により、塩化アンモニウムや塩酸の使用がなくなり、根本から汚染物質が発生しなくなりました。

(2) シェル材料は石英砂粉末で作られています。

(3) 独自に開発した速乾性と強化性の添加剤により、シェルの速乾性と薄壁の高強度シェル形成を実現しました。

(4) シェル製造環境の「温度+湿度+風速」を効果的に制御します。

(5) 低温鋳型材料のマイクロ圧力蒸気脱蝋。これに基づいて、元のプロセスレイアウトに大きな調整を加える必要がなく、シェル製造サイクルと総合コストは従来の水ガラスシェル製造プロセスよりも高くなく、ナトリウム塩、塩化水素ガス、アンモニア汚染を完全に排除します。同時に、表1に示すように、鋳物の品質も向上しました。品質、コスト、納期、環境指標を総合的に比較すると、東風精密鋳造の低コストの薄殻シリカゾル速乾プロセスは、従来の水ガラス精密鋳造技術の転換とアップグレードに最適なソリューションであると結論付けることができます。

東風精密鋳造シリカゾルを使用した急速シェル製造プロセスの研究と応用

現在、中国のインベストメント鋳造企業の80％は、従来の水ガラスインベストメント鋳造プロセスまたはシリカゾル水ガラス複合インベストメント鋳造プロセスを使用しており、主に自動車、船舶、エンジニアリング機械、鉄道輸送、工作機械などの部品を製造しています。従来の水ガラス精密鋳造プロセスでは、塩化物塩で硬化したシェルが必要であり、深刻な環境汚染を引き起こします。中温鋳型材料の全シリカゾルプロセスは、シェル製造サイクルがあり、従来の水ガラス精密鋳造プロセスの2〜3倍のコストがかかるため、従来の水ガラス精密鋳造プロセスのアップグレードや大量生産には適していません。

2.2 シリカゾルの急速シェル製造および乾燥剤の開発

インベストメント鋳造シェルコーティング技術の分野では、速乾剤はシェルと鋳物の品質、生産サイクル、コストに直接影響します。適切な速乾剤を探すために、東風精密鋳造は広範な研究と実験を行い、その多くがアルコールベースのエチルシリケートバインダーから水ベースのシリカゾルバインダーに進化し、環境汚染を大幅に削減していることを発見しました。しかし、既存の技術の速乾剤は依然として生産ニーズを満たすことができず、多くの欠点があります。たとえば、既存の技術の速乾剤は、乾燥速度が遅い、安定性が低い、鋳造スクラップ率が高いなどの欠点があり、生産サイクルに深刻な影響を及ぼし、生産コストを増加させるため、さらなる改善が必要です。また、シリカゾルには60％の自由水が含まれており、速乾剤を添加すると必然的に保存期間が大幅に短くなります。実験により、速乾剤が水に溶けず、耐火物と混合してからシリカゾルコーティングに直接添加すると、コーティングが短期間でゲル化して「老化」することがわかっています。そのため、速乾剤の添加方法はシリカゾル（コーティング）の耐用年数とコストに直接影響します。そのため、耐用年数を6か月以上に延ばすには「改質」処理を施す必要があり、コストが大幅に増加します。これが、速乾性シリカゾル（剤）が長年広く使用されていない主な理由の1つです。

東風精密鋳造が解決しようとしている技術課題は、上記の既存技術の欠点に対応して、使いやすく、老化防止で、乾燥速度が速い、効率的な精密鋳造シェルコーティング用の速乾剤を提供することです。技術的解決策の1つは、質量分率0.05％〜2.00％の凝集剤と98％〜99.95％の溶剤で構成されています。凝集剤はポリアクリルアミドとポリアクリル酸ナトリウムの1つまたは組み合わせであり、溶媒は蒸留水または脱イオン水です。

速乾メカニズムの研究：インベストメント鋳造シリカゾルシェルコーティングに異なる比率の速乾剤を添加することにより、コーティングの凝固、接着、増粘、抗力低減、分散性、安定性などの特性をさらに研究し、コーティングのコロイド安定性を向上させ、シェルのガス透過性と湿度を向上させることを目指しています

強度、高温強度、残留強度。

凝集：シリカゾルのコロイド粒子を大きな粒子に凝集させ、自由水（全水の約60％）をゲルクラスターに置き換えます

表面は空気乾燥中に蒸発しやすく、「急速乾燥」を実現します。

接着特性：速乾剤水溶液自体は、優れた弾力性を備えた「柔らかい」コロイドです。シリカゾル（「硬い」コロイド）が水分を失って固まるときに、応力を吸収して緩和し（降伏特性を持つ）、物理的な「結合」効果があります。シェルの湿潤強度を最大30％高め、シェルの割れを防ぐことができます。

増粘：シリカゾルのコーティングと被覆を改善し、コーティングの厚さを増やす機能もあります。たとえば、石英（精製石英粉末または溶融シリカ粉末）の表面層のシリカゾルコーティングはワックスフィルム表面との濡れ性が悪いため、表面スラリーのコーティング性能が向上します。

抵抗の低減：流体（コーティング）の流動性を50％〜80％高めることができます。シェル（鋳物）の安定性と品質の向上に役立ち、コーティングの蓄積とシェルの焼成プロセスによる鋳物の「鋼浸入」欠陥の発生を防ぎます。

分散性：コーティング中の耐火物の分散性を向上させ、微粉末（d<5-10μm）の含有量を増やすことができます。コーティングの接着性、コーティングの厚さ、密度が増加します。

安定性：速乾剤はシリカゾルコーティングの安定性を向上させることができ、一般的に3日から7日に増加します。これは、水または耐火粉末中の金属イオン（Na、Ca、Feなど）とキレート化する「キレート剤」の一種であり、「キレート剤」、金属ブロッキング剤、または「軟水化剤」とも呼ばれます。金属酸化物がコーティングに及ぼす有害な影響を軽減し、コーティングの「安定性」を向上させ、コーティングの耐用年数を延ばすことができます。

多孔性：高温焼成後、インベストメント鋳造シェル内の有機高分子ポリマー（NP）は、残留物や灰を残さずに完全に燃焼します。ガス化分解後、多数の微細孔が残り、シェルの透過性が20％、シェル剥離性能が10％向上し、鋳物のスクラップ率が低下し、後処理生産の効率が向上します。

表5に示すように、速乾剤の異なる比率の効果を比較するために3つの実験を実施しました。

上記の実験の後、実験1は良好な乾燥性能を有することがわかりました。本発明は、従来の速乾剤と比較して、速乾性、シェルの湿潤強度の向上、ひび割れの防止、通気性とシェル脱落の改善などの利点を備えた、高効率の精密鋳造シェルコーティング専用速乾剤を提供します。また、使用が非常に便利で、作業効率を効果的に向上させ、生産サイクルを短縮し、シェル砂粉末材料の消費を減らし、製造コストを削減します。経済価値は良好です。しかし、有機ポリマーの最大の欠点は、水溶性液体の保存期間が短いことです。有効期限が切れると、特にせん断応力下では、劣化して凝集が失敗し、「老化」しやすくなります。添加のタイミングが異なるため、効果は大きく異なります。使用中は、損失を避けるために、速乾剤の技術要件を厳密に遵守する必要があります。