[科普中國]-熔融石英

熔融石英即Fused silica，是氧化硅（石英，硅石）的非晶態(tài)（玻璃態(tài)）。它是典型的玻璃，其原子結(jié)構(gòu)長程無序。它通過三維結(jié)構(gòu)交叉鏈接提供其高使用溫度和低熱膨脹系數(shù)。

簡述熔融石英即Fused silica，是氧化硅（石英，硅石）的非晶態(tài)（玻璃態(tài)）。它是典型的玻璃，其原子結(jié)構(gòu)長程無序。它通過三維結(jié)構(gòu)交叉鏈接提供其高使用溫度和低熱膨脹系數(shù)。

性能特點(diǎn)熔融石英材料在精鑄型殼的使用上國外發(fā)達(dá)國家如美國的使用量和日本的使用量不斷地逐年增加，特別是在硅溶膠型殼的面層方面有了很有經(jīng)驗(yàn)的效果，在同鋯英材料的使用和價(jià)格比上有了較大突破，是目前較為理想的工程應(yīng)用材料。

熔融石英是用天然高純度二氧化硅經(jīng)電爐在高于1760℃以上溫度熔融，隨后快速冷卻而制得的。此過程將晶型二氧化硅轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷偷牟Ａ垠w。

熔融石英熔化溫度約1713℃，導(dǎo)熱系數(shù)低，熱膨脹系數(shù)幾乎是所有耐火材料中最小的，因而它具有極高的熱震穩(wěn)定性。所以，在焙燒和澆注過程中熔融石英型殼很少因溫度劇變而破裂，是理想的熔模鑄造制型的耐火材料，可作為面層或背層涂料用的耐火材料，以及撒砂材料。

熔融石英會部分或全面提高型殼性能。熔融石英熱膨脹系數(shù)小，有利于防止型殼在脫蠟和焙燒過程中開裂、變形，利于確保鑄件尺寸穩(wěn)定。熔融石英純凈度高，所配涂料穩(wěn)定性好；型殼高溫抗蠕變能力提高。

熔融石英溫度較低時(shí)的導(dǎo)熱性較差，熱容量小，僅為鋯砂的一半，大多數(shù)金屬液對它的潤濕性較差，使得金屬凝固層與型殼內(nèi)表面間易產(chǎn)生間隙，熱導(dǎo)率進(jìn)一步減小，有利于壁薄鑄件充型。在高溫下熔融石英的透明度高，能通過輻射傳熱，使其導(dǎo)熱能力超過硅酸鋁類殼。而使鑄件冷卻較快，更易獲得健全鑄件。

鑄件冷卻時(shí)方石英又從高溫型轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏匦?，同時(shí)體積產(chǎn)生驟變，使型殼出現(xiàn)無數(shù)裂紋，強(qiáng)度劇降，有利于脫殼進(jìn)行。熔融石英為酸性，能采用堿煮、堿爆等化學(xué)清砂方法去除型殼。

操作工藝（一）本操作工藝適用于硅溶膠，制殼的表面層或過渡層。

（二）本工藝使用的硅溶膠同鋯英粉涂料即二氧化硅30%。

（三）本工藝操作中的潤濕劑，消泡劑同鋯英粉涂料。

（四）本操作中使用的流杯粘度計(jì)為詹氏（Zahn)5#杯，出口孔徑為Φ5.28mm。

（五）涂料配制：

1、熔融石英粉的配制，320目（網(wǎng)號：0.044）275目（網(wǎng)號：0.052）200目（網(wǎng)號：0.076）120目（網(wǎng)號：0.125）熔融石英粉中的SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%以上。其中：320目占50%，200目占25%，120目占25%，百分?jǐn)?shù)的計(jì)算為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即重量比例。

2、涂料粘度為50~60秒，嚴(yán)格控制不得低于50秒，60秒時(shí)是最佳粘度。它可獲得最好的表面光潔度鑄件；用于生產(chǎn)碳鋼或430系列時(shí)粘度可以降到40秒。

（六）掛砂：

1、用熔融石英砂80~100目（50~100目）50%，用剛玉砂80目，50%。

2、用熔融石英砂80~100目（50~100目）100%，（50~100目）

3、用剛玉砂80目100%。

以上3種掛砂都可以采用，只是鑄件根據(jù)的不同，結(jié)合表面質(zhì)量在生產(chǎn)現(xiàn)場機(jī)動(dòng)操作。 （七）注意事項(xiàng)：

1、涂料配制嚴(yán)格控制比例，不得有隨意性，嚴(yán)格現(xiàn)場的操作跟蹤。流杯粘度測量要準(zhǔn)確，每次做面層前必須測量粘度。

2、需要做二層面層時(shí)，第二次即過渡層時(shí)，涂料粘度為28~36秒。

3、表面制殼技術(shù)是認(rèn)真、細(xì)致的操作技術(shù)，要保證涂料厚度均勻一致，否則會生產(chǎn)出有滲透性或麻點(diǎn)的鑄件。掛砂重力相對一致均勻，面面俱到。

4、熔融石英濕膜情況下的面層在不同粘度下的厚度為：50秒粘度為0.2mm，40秒粘度為0.18mm,30秒粘度為0.15mm，20秒粘度為0.12mm。

5、熔融石英砂：50~100目為國家標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)號的0.325~0.15號，篩孔尺寸為ASTME11-70的0.3~0.15mm。

6、第二層的掛砂可同原鋯英粉面層工藝時(shí)的操作一致，也可用30~50目（篩孔尺寸0.6~0.3mm）的熔融石英砂。

優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)（1）熔融石英的價(jià)格比鋯石便宜，加上密度又比鋯石低得多所以，用熔融石英代替鋯石，可降低制殼成本。

（2）熔融石英原材料經(jīng)過精選，再經(jīng)電弧重熔，并剔除方石英，因此雜質(zhì)少，純度高。所以涂料漿穩(wěn)定性向來不成問題。實(shí)踐證明，熔融石英—硅溶膠涂料穩(wěn)定性通?？砷L達(dá)1年以上。

（3）高溫晶化，低溫相變，使鑄件表面容易清理干凈。

缺點(diǎn)（1）粉料粒度分布范圍窄，再加上密度小，不利于涂料流淌、滴落；由于熔融石英涂料漿透明度高，使操作者難于識別涂料厚度和均勻程度。

（2）作為面層撒砂，熔融石英砂粒形為多角形，再加上密度小，容易架橋，形成浮砂。

陶瓷熔融石英陶瓷又稱石英玻璃陶瓷或熔融石英燒結(jié)材料，也稱石英陶瓷，它是以熔融石英塊或石英玻璃為原料，經(jīng)過粉碎、成型燒成等工序而制成的一種燒結(jié)體。熔融石英陶瓷由美國于20 世紀(jì)初開發(fā)成功并于l963 年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，它不僅具有石英玻璃的許多優(yōu)良性質(zhì)，如熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、電絕緣性好、耐化學(xué)侵蝕性好，而且還具有一些石英玻璃制品所缺乏的性質(zhì)。如石英玻璃制品由于導(dǎo)熱性好，在使用時(shí)一旦發(fā)生失透（析晶）即損壞報(bào)廢，而石英陶瓷制品由于導(dǎo)熱性極差，在使用過程中即使表面發(fā)生析晶，其內(nèi)部析晶也很緩慢，制品仍可繼續(xù)使用。石英陶瓷還有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)，就是在1100以下其強(qiáng)度隨著溫度的升高而大大增加，從室溫至1100攝氏度其強(qiáng)度可增加33%。

由于它具有上述許多優(yōu)良的性質(zhì)，因此自問世以來，迅速在美國、日本、前蘇聯(lián)、法國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了推廣及應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域也涉及到宇宙飛船、火箭、導(dǎo)彈、雷達(dá)、原子能、電子、鋼鐵、煉焦、有色金屬、玻璃等工業(yè)領(lǐng)域，是一種很有前途的新材料。由于熔融石英陶瓷具有上述優(yōu)異的性能及廣泛的用途，國內(nèi)外均投入較大的力量對熔融石英陶瓷進(jìn)行研究開發(fā)。目前，美國、法國、德國、日本等國家在熔融石英陶瓷的生產(chǎn)和應(yīng)用方面居世界領(lǐng)先水平。主要用途是作為耐火材料及中等溫度下的能抗拒溫度劇變的結(jié)構(gòu)材料使用。根據(jù)使用條件的不同，研制開發(fā)的石英陶瓷制品具有不同的性能特點(diǎn)，既有高致密度、高強(qiáng)度的系列制品，也有低密度、高氣孔的隔熱保溫制品和泡沫石英制品。國外產(chǎn)品普遍具有較高的密度、強(qiáng)度和均勻性1。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所