熔模铸造壳型材料对熔融合金活性元素的化学稳定性研究

［摘要］　研究了三种不同的壳型材料与合金中的强活性金属Nd的化学反应情况。结果表明，壳型中的矿化剂最容易与活性金属Nd反应，氧化钇作为壳型材料具有很好的化学稳定性。
［关键词］　熔模铸造;壳型;化学稳定性
［中图分类号］TG113.23　［文献标识码］A　［文章编号］1001-4381(1999)06-0020-02

Study of Chemical Stability of Investment Casting Shell
Material to Active Elements in Molten Alloy

ZHANG Yong,XIA Ming-ren
(Institute of Aeronautical Materials,BSeijin100095,China)

Abstract：The chemical reaction between three different shell materials and Nd，a more active metal, was studied.The results show that the mineralization in shell material easily react to active metal, and the shell made of Y₂O₃ has excellent chemical stability.
Key words：investment casting;shell-mould;chemical stability

　　在熔模铸造过程中，壳型作为一个“容器”充满了熔融金属，尤其在定向和单晶工艺中，合金保持液态的时间长达60min，壳型材料各组份很容易与合金液发生化学反应，为了较好地体现壳型材料与合金发生反应的情况，本试验选用含强活性金属元素Nd较多的某合金作为研究对象，研究了各种壳型材料与这种熔融合金的反应情况，为选用合适的壳型材料提供依据。

1　试验方法

　　试验用合金的主要成分为：Nd 24%～28％， B 0.7%～1.2％， Al＜0.05%， Si＜0.1% ，Fe 余量。
　　试验采用三种制成坩埚状的壳型，壳型材料和分组情况见表1。

表1　试验用的壳型
Table 1　The shell mould adopted in the test

壳型类别浆料涂料挂砂A硅溶胶＋刚玉粉＋高岭土(矿化剂)刚玉砂B硅溶胶＋刚玉粉刚玉砂　　C硅溶胶＋电熔氧化钇粉氧化钇砂

　　把10kg合金放入这三种壳型内熔炼，在ZG-0.025型真空感应炉内升温至1550℃保温20min，炉内压力20Pa，自然冷却，取样后用能谱仪分析合金中Al，Si和Y等各元素的含量。

2　试验结果及讨论

　　用三种壳型熔炼合金部分元素的分析结果见表2。

表2　合金与三种壳型反应后的分析结果(wt％)
Table 2　The analytical result of reaction
between three shell materials and alloy

壳型AlSiYA0.35＜0.10-B0.15＜0.10-C-＜0.100.0084

　　从表2可以看出，与原合金成分相比，用三种壳型熔炼后的合金成分有所变化，说明在高温下三种壳型都与熔融合金发生过一定的化学反应，其中壳型A的反应最为严重，致使合金中Al含量提高了约7倍。壳型A的组分中最重要的特点是含有经过锻烧的高岭土作为矿化剂。高岭土的主要成分是SiO₂与Al₂O₃，从微观结构看，具有层状结构，一层硅氧四面体和一层铝氧八面体互相重叠，层间以氧键连接且距离较大，高温下与合金液接触时，合金中的活性金属元素Nd大量进入层间结构，与其中的Al₂O₃发生置换反应，置换出的Al进入合金中，反应式如下：

2Nd＋Al₂O₃Nd₂O₃＋2Al

　　从分析结果看，壳型B也有一定程度的反应，该壳型与壳型A不同处是不含矿化剂，只含电熔刚玉，电熔刚玉的主要成分是Al₂O₃，熔化后再结晶的Al₂O₃以铅氧八面体的铺展形成晶体，键结构稳定，要破坏这种结构需要很高的能量，当电熔刚玉与合金接触时，Nd原子不容易深入Al₂O₃的晶格中把Al置换出来，但仍有部分处于晶体边缘的Al参加了反应，只是量很少，对比结果A和B，少量的矿化剂（约4wt％）被置换出来的Al与电熔刚玉（约95wt％）中被置换出的Al几乎相等。这说明，当壳型材料与合金发生化学反应时，矿化剂的活性比电熔刚玉的活性大得多。
　　从分析结果看，采用壳型C熔炼的熔炼合金中钇的含量仅为 0.0084％，这说明与合金反应的Y₂O₃的量很少，其反应式为：2Nd＋Y₂O₃→Nd₂O₃＋Y₂。由于Y₂O₃是结构坚强的离子键化合物，键结构非常稳定，从原子结构看，Nd与Y的原子半径和三价离子半径相差不多，因此化学性质极为相近，所以Nd不容易置换Y。仅有少部分Y₂O₃参加了化学反应，这也说明氧化钇壳型具有很好的化学稳定性。
　　对于矿化剂中的SiO₂和粘结剂SiO₂，则有如下反应：SiO₂＋ Nd₂O₃Nd₂O₃^。SiO₂，Nd₂O₃由原材料带入或在熔炼过程中产生，Nd₂O₃^。SiO₂熔入合金液中，由于生产条件的控制，Nd₂O₃的带入量是有限的，从反应结果看三种情况的Si含量变化不大。