مقدمه

سیلیکات زیرکونیوم (Zirconium silicate)، فرمول شیمیایی( ZrSiO₄) یک ماده  معدنی/سرامیکی است که در صنایع دیرگداز، سرامیک، لعاب و به‌خصوص در صنعت ریخته‌گری کاربرد وسیع دارد. در ریخته‌گری به‌صورت «ماسه زیرکن (zircon sand)»، «پودر/آرد زیرکن (zircon flour)» و به‌عنوان جزء پوشش‌های سرامیکی (zircon-based coatings) مورد استفاده قرار می‌گیرد و به دلیل مقاومت حرارتی بالا، ضریب انبساط حرارتی پایین و سازگاری شیمیایی خوب، کیفیت سطح و ثبات قالب‌ها را افزایش می‌دهد.

خواص فیزیکی و شیمیایی کلیدی

فرمول ZrSiO₄.:

نقطه ذوب/پایداری حرارتی: بسیار بالا — محدوده حرارتی عملکرد نزدیک به ۲۲۰۰–۲۴۰۰ °C (بسته به خلوص و فاز). این خاصیت آن را برای ریخته‌گری فلزات با دمای بالا مناسب می‌کند.

سختی (مقیاس مو): حدود ۷–۸ — بنابراین خراش‌پذیری پایین و پایداری مکانیکی خوب.

ضریب انبساط حرارتی: نسبتاً پایین‌تر از سیلیس (کوارتز) — کمک به کاهش تنش‌های حرارتی و ترک در سطح قطعه ریختگی.

ترکیب شیمیایی: عمده وزن را ZrO₂ و SiO₂ تشکیل می‌دهد؛ خلوص و اندازهٔ دانه (ماسه درشت تا آرد ریز) تعیین‌کننده کاربرد است.

نقش‌ها و کاربردهای اصلی در ریخته‌گری

1. ماسه صورت (face sand) در قالب‌های ریخته‌گری:

به‌عنوان پوشش سطح قالب یا به‌صورت لایه روکش روی ماسه قالب به کار می‌رود تا تماس مستقیم فلز با ماسه زیرین کاهش یابد؛ بدین ترتیب نفوذ فلز، سوختگی سطحی و چسبندگی فلز به قالب کمتر می‌شود و سطح ریختگی صاف‌تر خواهد بود.

2. آستر و پوشش‌های سرامیکی (zircon-based coatings / slurry):

در ریخته‌گری دقیق (investment casting / shell moulding) آرد زیرکن به‌عنوان filler در پوشش‌های سرامیکی پوسته استفاده می‌شود تا مقاومت حرارتی و کیفیت سطح قطعه افزایش یابد. مطالعات و کاربردهای صنعتی نشان می‌دهد استفاده از زیرکن در پوشش‌های سرامیکی سطح صیقلی‌تر و کاهش عیوب ناشی از واکنش بین فلز و قالب را به همراه دارد.

3. هسته‌ها و قالب‌های سرامیکی (ceramic cores):

در تولید هسته‌های سرامیکی (برای ایجاد کانال‌ها و هندسهٔ پیچیده در داخل قطعات) از آرد زیرکن یا مخلوط‌های زیرکن استفاده می‌شود چون پایداری در دماهای بالا و مقاومت در برابر شوک حرارتی را بهبود می‌بخشد.

4. مواد دیرگداز و آسترها:

در تولید آج‌ها و قطعات دیرگداز برای کوره‌ها و کانال‌های مذاب که در معرض دمای بالا قرار دارند استفاده می‌شود.

انواع تجاری و گریدها

ماسه زیرکن (zircon sand): دانه‌بندی ~تا ماسهٔ درشت؛ مناسب برای استفاده به عنوان لایهٔ روبی قالب و جایی که نیاز به مقاومت مکانیکی و گرمایی هست.

آرد/فلور زیرکن (zircon flour, micronized zircon): دانه‌بندی بسیار ریز (مثلاً 200–325 مش)؛ مناسب برای پوشش‌های سرامیکی و لایه نازک قالب‌های سرمایه‌ای (investment shells). مشخصات تجاری معمولاً شامل درصد ZrO₂، SiO₂ و ناخالصی‌ها Fe₂O₃، TiO₂ و ... است؛ گریدهای با ZrO₂ بالاتر عملکرد حرارتی و شیمیایی بهتری نشان می‌دهند.

نحوه آماده‌سازی و نسبت‌های معمول مصرف

در پوشش‌های سرامیکی پوسته (shell coatings) معمولاً آرد زیرکن به‌عنوان فیلر همراه با بایندر (مانند کلوئیدی سیلیکا یا بایندرهای آلی/اینوری) ترکیب می‌شود. نسبت‌ها بسته به فرمول و عملکرد مورد نظر متغیرند؛ در بسیاری از دستورها درصد آرد زیرکن در لایهٔ سطحی ممکن است ۳۰–۷۰٪ وزنی از مواد جامد مخلوط را تشکیل دهد (اعداد تقریبی، بر اساس دستورهای صنعتی و پژوهش‌ها). توجه کنید که اندازهٔ ذرهٔ زیرکن روی نفوذپذیری، چسبندگی بایندر و زمان خشک شدن تأثیرگذار است.

مزایا در کاربرد ریخته‌گری

بهبود کیفیت سطح ریختگی: کاهش پرمیکیشن و واکنش بین مذاب و قالب موجب سطح صاف و بدون پیت می‌شود.

مقاومت حرارتی بالا و پایداری ابعادی: مناسب برای فلزات با دمای مذاب بالا (چدن، فولاد و آلیاژهای مخصوص).

کاهش نفوذ فلز (metal penetration) و سوختگی قالب: نسبت به ماسه‌های سیلیسی عملکرد بهتری دارد.

سازگاری با فرایندهای پوسته‌سازی و تولید هسته سرامیکی: مخصوصاً وقتی با بایندرهای مناسب ترکیب شود.

محدودیت‌ها و معایب

قیمت نسبتاً بالاتر نسبت به ماسه سیلیسی و دیگر فیلرها — بنابراین استفاده گسترده آن اقتصادی نیست مگر وقتی کیفیت سطح یا خواص ویژه لازم باشد.

حساسیت به ناخالصی‌ها: حضور اکسیدهای فلزی (Fe, Ti) می‌تواند روی رنگ و خواص سرامیکی تأثیر بگذارد.

دگردیسی فازی در دماهای بسیار بالا یا فرآیندهای شیمیایی خاص — انتخاب گرید مناسب و کنترل شرایط پخت/پرداخت مهم است.

نکات فنی و عملی در کارگاه ریخته‌گری

انتخاب اندازه دانه: برای سطح رویی (facing) و پوشش‌های سطحی از آرد ریزتر استفاده کنید؛ برای لایه‌های ساختاری می‌توان از دانه‌بندی درشت‌تر بهره برد.

مخلوط‌بندی با بایندرها: در پوشش‌های پوسته (shells) معمولاً آرد زیرکن همراه با کلوئیدی سیلیکا یا رزین‌های خاص ترکیب می‌شود — پارامترهای ویسکوزیته، زمان خشک شدن و جذب رطوبت باید تنظیم شوند. یک مقاله و تجربیات صنعتی نشان می‌دهند که زیرکن همراه با بایندر کلوئیدی سیلیکا عملکرد بسیار خوب در تولید پوسته سرمایه‌ای دارد.

دمای پیش‌گرم و پخت پوسته: برای خروج رطوبت و تثبیت پوشش‌ها، مراحل خشک‌سازی و پخت باید مطابق مش و فرمولال انتخاب‌شده تنظیم شود تا ترک یا ریزش پوشش رخ ندهد.

ایمنی و محیط‌زیست

گرد و غبار: پودر زیرکن مانند هر پودر معدنی دیگر می‌تواند استنشاق شود؛ هرچند زیرکن حاوی سیلیس کریستالی کمتر از ماسه کوارتزی است، اما قرارگیری طولانی‌مدت در معرض گرد و غبار معدنی می‌تواند خطرات ریوی ایجاد کند. استفاده از ماسک مناسب، تهویه موضعی و کنترل گردوغبار در کارگاه ضروری است.

ضایعات و بازیافت: با توجه به قیمت ماده، بازیافت ماسه‌ها و فلورهای استفاده‌شده در حد امکان اقتصادی و محیط‌زیستی است؛ اما فرایند بازیافت نیازمند جداسازی از بایندرها و ناخالصی‌ها است.

جایگزین‌ها و مقایسه با سایر مواد

زیرکون در برابر زیرکونیا (zirconia, ZrO₂): زیرکون (ZrSiO₄) و زیرکونیا (ZrO₂) خواص متفاوتی دارند؛ زیرکونیا از نظر دمای ذوب و ثبات فازی و سختی ممکن است در برخی کاربردهای خاص مناسب‌تر باشد، ولی زیرکون به‌عنوان filler و ماسه قالب مقرون‌به‌صرفه‌تر در برخی کاربردهاست.

آلومینا، مولایت و سیلیکات‌های دیگر: بر اساس نیاز به مقاومت مکانیکی، هزینه و خصوصیات سطحی می‌توان جایگزین‌های اقتصادی‌تری انتخاب کرد؛ اما برای کیفیت سطح بسیار بالا و مقاومت در دماهای بالا، زیرکن یک گزینه بسیار قوی است.

نمونه‌های کاربردی صنعتی

ریخته‌گری سرمایه‌ای (investment casting / ceramic shell): استفاده از آرد زیرکن در لایه‌های سطحی پوسته برای قطعات هوافضا و خودرو که نیاز به سطح صاف و پرداخت کم دارند. پژوهش‌ها و گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهد که مخلوط‌های zircon + colloidal silica پوشش‌های باکیفیتی تولید می‌کنند.

ماسه قالب برای چدن/فولاد: به‌عنوان facing sand جهت کاهش احتراق و بهبود کیفیت سطح در قالب‌های ریخته‌گری فولاد/چدن.

دستورالعمل سریع / چک‌لیست برای پیاده‌سازی در کارگاه

1. مشخص کنید هدف: بهبود سطح؟ جلوگیری از نفوذ؟ مقاومت دمایی؟

2. انتخاب گرید: آرد ریز برای پوشش سطح، ماسه درشت برای لایهٔ ساختاری.

3. تهیه MSDS و دستورالعمل ایمنی از فروشنده.

4. آزمایش‌های کوچک (pilot): ترکیب با بایندرهای مختلف، تست خشک شدن، پخت و آزمون ریختگی.

5. پایش کیفیت سطح قطعات، اندازهٔ دانه، درصد آرد در مخلوط و بازیابی/بازیافت پوسته‌ها.

نتیجه‌گیری

سیلیکات زیرکونیوم یک ماده ارزشمند در ریخته‌گری است که بهبود کیفیت سطح ریختگی، مقاومت حرارتی و کاهش عیوب سطحی را فراهم می‌آورد. با این حال هزینه بالاتر و نیاز به انتخاب گرید مناسب و مدیریت ایمنی و بازیافت از مسائلی هستند که باید در تصمیم‌گیری برای استفاده مدنظر قرار گیرند. برای کاربردهای دقیق‌تر (مثل نسبت‌های دقیق مخلوط یا فرمول‌های پوشش) پیشنهاد می‌کنم دستورالعمل فنی تولیدکنندگان گرید زیرکن که در ایران توزیع می‌شوند (مانند برندهای تجاری مرسوم) را مطالعه کنید و آزمایش‌های کارگاهی انجام دهید.

چگونه می‌توانید خرید کنید؟

اگر به دنبال فنول باکیفیت برای صنایع نساجی یا پشم شیشه هستید، همین امروز با کارشناسان ما تماس بگیرید

📞 شماره تماس: [09129174551]

همچنین می‌توانید برای دریافت مشاوره رایگان، نمونه محصول و قیمت عمده، فرم تماس در وبسایت ما را پر کنید.

منابع:

1. About Zircon and its Derivatives — The Zircon Association.

2. Zircon sand — Foundry encyclopedia (Giesserei Lexikon).

3. Venkat, Y. et al. — Ceramic shell moulds with zircon filler and colloidal silica (ScienceDirect /).

4. ResearchGate — The Effect of Silica Fused Addition as Filler on Zircon Based Refractory Coating.