熔模鑄造作為高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的關(guān)鍵成型工藝，其型殼性能直接決定鑄件質(zhì)量?？旄晒枞苣z因具備制殼效率高、型殼性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，逐漸成為制殼粘結(jié)劑的研發(fā)重點(diǎn)。然而，國內(nèi)部分精密鑄造企業(yè)長期依賴進(jìn)口快干硅溶膠，在中美貿(mào)易沖突加劇的背景下，供應(yīng)鏈“卡脖子”風(fēng)險日益凸顯。本文系統(tǒng)梳理了浙江宇達(dá)化工有限公司在快干硅溶膠領(lǐng)域的自主研發(fā)歷程：1997年首創(chuàng)堿性鋁改性快干硅溶膠（FSI），2023年起對標(biāo)各種進(jìn)口硅溶膠完成酸性（FSK系列）與堿性（FS系列）共8種型號的國產(chǎn)化替代，并通過實(shí)驗(yàn)室測試、小批量試用及批量生產(chǎn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，宇達(dá)化工產(chǎn)品可原位替代多種進(jìn)口硅溶膠。該系列產(chǎn)品已在國內(nèi)精密鑄造企業(yè)實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，為突破關(guān)鍵材料技術(shù)封鎖、推動產(chǎn)業(yè)鏈自主可控，提供了有效解決方案。
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熔模鑄造是一種凈近成型工藝，可以生產(chǎn)尺寸精度高、表面粗糙度小、外型復(fù)雜的薄壁零件，可經(jīng)很少工序加工后使用，甚至不經(jīng)加工就可直接使用[1]。熔模鑄造在高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件，特別是在高熔煉溫度、高化學(xué)活性金屬的鑄造成形中起著不可替代的作用。
在熔模鑄造工藝中，型殼制備是其中至關(guān)重要的一步，性能優(yōu)良的陶瓷型殼是制備高質(zhì)量精密鑄件的基礎(chǔ)，其不僅需要承受溫度為1500℃的合金液的機(jī)械沖擊，還需要具備良好的高溫強(qiáng)度、透氣性、散熱性能、化學(xué)熱穩(wěn)定性和較低的熱膨脹系數(shù)，以保證合金液的填充率，以及鑄件的表面粗糙度、尺寸精度和形狀結(jié)構(gòu)。陶瓷型殼主要由耐火粉料、粘結(jié)劑和耐火砂料組成，其中，粘結(jié)劑主要有水玻璃、硅酸乙酯和硅溶膠三大類。硅溶膠是熔模鑄造中最常用的一種優(yōu)質(zhì)粘結(jié)劑，其配置的漿料具有穩(wěn)定性好、便于貯存、環(huán)境污染少、可控性好的特點(diǎn)。
快干硅溶膠由于其具有更快的制殼速度、更高的制殼效率、更穩(wěn)定的型殼質(zhì)量，以及可以更好的適應(yīng)制殼自動化生產(chǎn)線的特征，近二十年來，一直是各硅溶膠生產(chǎn)企業(yè)的研究重點(diǎn)，也是各熔模鑄造企業(yè)技改的重要方向[2][3]。而近十年來，快干硅溶膠在一些較大的鑄造企業(yè)，特別是某些特種鑄件制造企業(yè)中的應(yīng)用已越來越普遍。
由于歷史的原因，國內(nèi)精密鑄件制造企業(yè)使用快干硅溶膠主要用的是一些進(jìn)口產(chǎn)品。
然而，近幾年來，已成為型殼工藝中少部分嚴(yán)重依賴進(jìn)口關(guān)鍵材料的快干硅溶膠，由于國際形勢日益緊張，因嚴(yán)重依賴進(jìn)口導(dǎo)致的“卡脖子”現(xiàn)象已逐漸凸顯出來。
特別是今年以來，從4月份中美關(guān)稅大戰(zhàn)開始，中美貿(mào)易往來已接近中斷。在此背景下，國內(nèi)硅溶膠生產(chǎn)企業(yè)必須盡快承擔(dān)起研究、生產(chǎn)、替代國外快干硅溶膠的任務(wù)。
而浙江宇達(dá)化工有限公司作為國內(nèi)最早開始快干硅溶膠研制、生產(chǎn)的企業(yè)，從企業(yè)發(fā)展初期就開始快干硅溶膠的研究與生產(chǎn)，特別是最近幾年，跟蹤國外同行先進(jìn)制備技術(shù)，研制相關(guān)原位替代產(chǎn)品作為公司的研究重點(diǎn)，也取得了較好的進(jìn)展。
一、宇達(dá)化工早期(1996-2018年)
快干硅溶膠的研制與生產(chǎn)情況
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浙江宇達(dá)化工有限公司從創(chuàng)辦開始，就一直把逐步提高國內(nèi)硅溶膠生產(chǎn)技術(shù)，并逐步達(dá)到國外先進(jìn)技術(shù)水平作為企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。也因此，公司從1996起就開始快干硅溶膠的研發(fā)工作。
1997年，宇達(dá)化工與清華大學(xué)合作，開發(fā)成功第一代快干硅溶膠產(chǎn)品：鋁改性堿性快干硅溶膠產(chǎn)品，該項(xiàng)目于1997年11月通過機(jī)械工業(yè)部鑒定[4]。該項(xiàng)目產(chǎn)品既是國內(nèi)第一個快干硅溶膠產(chǎn)品，也是全球首個堿性快干硅溶膠產(chǎn)品（當(dāng)時歐美企業(yè)均只生產(chǎn)酸性的快干硅溶膠產(chǎn)品）。
之后，宇達(dá)化工與清華大學(xué)繼續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行增強(qiáng)型快干硅溶膠的研究[3][5]。
2003年7月，宇達(dá)化工推出第二代堿性快干硅溶膠產(chǎn)品：增強(qiáng)型快干硅溶膠系列產(chǎn)品，并通過了浙江省的省級鑒定。這是一種添加了高分子材料的產(chǎn)品，產(chǎn)品的干燥速度和制殼強(qiáng)度與第一代產(chǎn)品相比均有明顯提升[6][7]。同時也很快在一些鑄造企業(yè)推廣使用[8]。
同年，鋁改性堿性硅溶膠產(chǎn)品和增強(qiáng)型快干硅溶膠制備技術(shù)先后申請了國家發(fā)明專利[9][10]。也因此，當(dāng)時形成了宇達(dá)化工擁有堿性快干硅溶膠產(chǎn)品專利，歐美幾家公司擁有酸性快干硅溶膠產(chǎn)品專利的格局。
之后，美國幾家公司開始研制并逐步推出堿性快干硅溶膠產(chǎn)品，而且由于其原硅溶膠的市場和品牌優(yōu)勢，其生產(chǎn)的堿性快干硅溶膠也很快在中國精密鑄造企業(yè)推廣使用。
同一時期，宇達(dá)化工也開始酸性快干硅溶膠產(chǎn)品的研制工作。
二、中美沖突背景下(2018年-現(xiàn)在)
宇達(dá)化工快干硅溶膠的研制與生產(chǎn)情況
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2018年，宇達(dá)化工研制成功高穩(wěn)定性的酸性硅溶膠產(chǎn)品（穩(wěn)定期最高可達(dá)到3年），并開始利用該生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行酸性快干硅溶膠的試制工作。
2022年，根據(jù)行業(yè)需求，宇達(dá)化工開始著手研制進(jìn)口快干硅溶膠的對標(biāo)與替代產(chǎn)品。
到2023年上半年，宇達(dá)化工就初步完成了要求替換產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)室工作和產(chǎn)品的小批量試用工作。
到目前為止，宇達(dá)化工已完成了多種進(jìn)口精鑄用硅溶膠產(chǎn)品的對標(biāo)替代研制工作，完成了包括產(chǎn)品對標(biāo)、實(shí)驗(yàn)室測試與試用、小批量生產(chǎn)與試用、批量產(chǎn)品的生產(chǎn)與鑄造廠使用等工作，幾乎可以為目前我國在進(jìn)口的各種精鑄用快干硅溶膠，提供原位替代產(chǎn)品，并已在國內(nèi)一些精密鑄造企業(yè)批量使用，同時出口俄羅斯。
宇達(dá)化工現(xiàn)已研制完成，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的快干硅溶膠主要分為二大類共八個品種的產(chǎn)品。
其中，堿性快干硅溶膠有FSI、FSⅡ、FSⅢ、FSⅣ、FSⅤ共5個產(chǎn)品。其中FSI產(chǎn)品的 SiO2含量約31%，鋁改性，pH值9.0左右，不含高聚物。這是宇達(dá)化工最早(1997年)開發(fā)的一個快干硅溶膠產(chǎn)品，也是全球第一個堿性快干硅溶膠產(chǎn)品。
FSⅡ產(chǎn)品的粒徑7-9nm，鋁改性，含高聚物，pH值約10.4。這是一個粒徑較小，SiO2含量相對較低（約23%），高聚物含量相對較高的產(chǎn)品，其應(yīng)用特征是濕強(qiáng)度較高，型殼殘留強(qiáng)度相對更低。
FSⅢ、FSⅣ、FSⅤ三個產(chǎn)品均大致是硅溶膠膠粒經(jīng)表面改性，再鋁改性后，分別加不同量的高聚物改性制得的產(chǎn)品，以滿足不同的濕強(qiáng)度和型殼殘留強(qiáng)度要求（也對標(biāo)國外不同型號的產(chǎn)品）。
上述 FSⅡ、FSⅢ、FSⅣ、FSⅤ四個產(chǎn)品基本上是對標(biāo)國外同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)，差異主要是pH值稍有提升（約高0.2左右），這主要是為進(jìn)一步提高鑄造涂料的穩(wěn)定性，特別是針對國內(nèi)使用的耐火粉料中浸出離子可能偏高的實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的。
經(jīng)某研究機(jī)構(gòu)型殼制備驗(yàn)證，F(xiàn)SV焙燒前的濕態(tài)強(qiáng)度和焙燒后的室溫強(qiáng)度均大于10 MPa，孔隙率約為22-28%，型殼性能優(yōu)良。
酸性快干硅溶膠有FSK-1、FSK-2、FSK-3共3個品種，其中FSK-1產(chǎn)品的pH值4.0左右，鋁改性，不含高聚物；FSK-2為FSK-1進(jìn)一步添加高聚物改性的產(chǎn)品；FSK-3為FSK-2加助劑（潤濕劑和消泡劑）的產(chǎn)品。
某研究機(jī)構(gòu)對FSK-1與國外同類產(chǎn)品做了對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：FSK-1的膠粒粒徑為13nm，呈近單分散狀態(tài)，與國外同類產(chǎn)品的15nm基本相近；在無循環(huán)量的情況下，漿料壽命約為1個月，其粘度、板重參數(shù)波動均小于±10%，在粘度為25-30s時，板重為6-10g，工藝粘度范圍內(nèi)，波動幅度均符合要求，所制備的型殼產(chǎn)品性能符合精密鑄造要求。
特別的，根據(jù)該研究所實(shí)驗(yàn)室的工作顯示，宇達(dá)化工生產(chǎn)的FSK系酸性快干硅溶膠與國外同類產(chǎn)品相比，具有并不完全相同的涂料特性（當(dāng)然差異并不大），但對其應(yīng)用性能沒有負(fù)面影響。而這也進(jìn)一步證明了，宇達(dá)化工研制生產(chǎn)的快干硅溶膠并不是“抄寫”國外同類產(chǎn)品仿制的。事實(shí)上，宇達(dá)化工所有的快干硅溶膠產(chǎn)品，均為宇達(dá)化工自主研發(fā)，自主擁有其核心制備技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)。
三、一個典型快干硅溶膠產(chǎn)品(FSIII)的
性能簡介及應(yīng)用建議
據(jù)前所述，F(xiàn)SIII是一個鋁改性、含高聚物的快干硅溶膠產(chǎn)品，其SiO2含量為29%左右，pH值10.4左右。產(chǎn)品具有較高的濕強(qiáng)度和較低的殘留強(qiáng)度，并可適應(yīng)較大的風(fēng)速干燥。在鑄造車間正常溫濕度情況下，其干燥時間約為常規(guī)普通硅溶膠的1/3-1/2。
由于該型號產(chǎn)品具有較好的應(yīng)用性能，和更低的售價（不到國外同類產(chǎn)品的一半），使其有很好的性價比，可供各鑄造企業(yè)使用。特別是，在當(dāng)前中美關(guān)稅和貿(mào)易戰(zhàn)帶來的經(jīng)濟(jì)大環(huán)境下，我們在考慮一個不確定是否可行的建議：鑄造企業(yè)是否可適當(dāng)縮減制殼車間規(guī)模，包括相應(yīng)人員與場地等，然后平時以相對較小的規(guī)模運(yùn)行，而當(dāng)有較大訂單時，采用FSIII快干膠快速制殼，實(shí)現(xiàn)相對較大的實(shí)際產(chǎn)能。至于具體是否可行，以及具體如何運(yùn)行，需要各鑄造企業(yè)根據(jù)具體情況確定。
小結(jié)
由于中美關(guān)稅和貿(mào)易戰(zhàn)，已成為型殼工藝中少部分關(guān)鍵材料的快干硅溶膠，嚴(yán)重依賴進(jìn)口導(dǎo)致的“卡脖子”現(xiàn)象已逐漸凸顯出來。在此背景下，宇達(dá)化工因相關(guān)企業(yè)要求，利用自身長期以來對快干硅溶膠持續(xù)研究與生產(chǎn)的技術(shù)積累，已開發(fā)完成二大類八個品種的系列快干膠產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品已基本覆蓋精鑄用進(jìn)口快干硅溶膠品種，并經(jīng)相關(guān)企業(yè)測試、試用和批量應(yīng)用，其性能可完全達(dá)到國外同類產(chǎn)品要求，并能實(shí)現(xiàn)對應(yīng)型號產(chǎn)品的原位替代。產(chǎn)品已在國內(nèi)和俄羅斯多個鑄造企業(yè)批量應(yīng)用，也為鑄造行業(yè)突破關(guān)鍵材料技術(shù)封鎖、推動國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈自主可控提供了有效解決方案。
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