精密鑄造4種制殼工藝特點分析及改進方向
發布時間： 2020-04-24 來源：洛陽順祥機械有限公司 點擊：2946
對目前國內精鑄行業中廣泛應用的4種制殼工藝的特點進行了分析對比。從精鑄件質量比較，水玻璃型殼較差，復合型殼、硅溶膠-低溫蠟型殼次之，硅溶膠一中溫蠟型殼zui好。而從制殼成本比較，水玻璃型殼zui低，硅溶膠一中溫蠟型殼zui高。對這4種制殼工藝分別提出了改進措施。
目前國內精鑄件生產中廣泛采用的制殼工藝有以下4種：
A．水玻璃型殼；
B．復合型殼；
C．硅溶膠型殼(低溫蠟)；
D．硅溶膠型殼(中溫蠟)。前3種方案均使用低溫蠟(模)。
我公司4種工藝兼有，以充分滿足市場對精鑄件質量、價位的不同需求、增加市場競爭力和適應力。
1、水玻璃型殼
這一工藝在國內已有近50年的生產歷史，其廠點數至今仍占我國精鑄廠家的75%以上。經過精鑄界同仁個半世紀的不懈努力，水玻璃型殼工藝的應用和研究已達到了很高水平。
多年來由于背層型殼耐火材料的改進和新型硬化劑的推廣應用，水玻璃型殼強度有了成倍增長。鑄件表面質量、尺寸精度及成品率有了很大提高，目前仍占很大的市場份額，并替代國外砂鑄件成批出口。
低廉的成本、zui短的生產周期、優良的脫殼性能及高透氣性至今仍是其他任何型殼工藝所不及的優點。但鑄件的質量，包括表面粗糙度、缺陷數量、尺寸精度、成品率、返修率等均比其他3種工藝要差
1.1存在的主要問題
(1)水玻璃粘結劑固有的缺點是Na2O含量高，型殼高溫強度、抗蠕變能力遠不及硅溶劑型殼(只有它的1/30-1/50)。加之面層耐火料采用了價低質次、粒度級配不良的石英砂(粉)，硬化劑至今仍限于使用氯化氨，因而必然不能獲得高質量的精鑄件。
(2)型殼生產條件差，缺乏嚴格的生產過程及參數的控制。由于硬化劑的強腐蝕性，除塵設備的簡陋，很少車間有恒溫、恒濕、除塵的生產環境。影響型殼和鑄件質量的涂料配制、硬化、風干、脫蠟等工序，極少按行業規定的操作規范嚴格控制。如定期檢測涂料粘度、涂片重、硬化劑濃度、pH值等。型殼風干處的溫度、濕度、風速等更是不加控制，故常在高、低溫或梅雨季節發生批量報廢的質量事故。總之，大部分工廠停留在手工作坊階段，靠技藝而不是靠科學的質量管理進行生產。這是水玻璃型殼數十年來鑄件質量不穩定、廢品率、返修率高的重要原因之一。
1.2改進方向
(1)采用高純度的硅微粉(脈石英)代替常用的低品位的石英砂粉作面層耐火材料，并應用“雙峰”型粒度級配的圓形石英粉配制面層涂料。不僅可提高面層型殼的熱化學穩定性，而且可以獲得高粉液比涂料。我廠用模數為3.4、密度為1.28g/cm3的水玻璃配料，粉液比可達到1.4。硅微粉的技術要求見。
經濕法球磨、單槽沉淀、磁選及離子高純水處理，自然形成圓形，雙峰粒度級配，這種高純低雜質的粉粒，比人工級配更理想。已在我公司實際應用，效果良好。
(2)加強制殼工序的現場質量管理，按行業標準操作。同時應將涂料、撒砂、硬化場地與型殼干燥間隔離。后者控制溫度、濕度，前者加強除塵、防腐，從而有利于型殼質量的穩定及改善操作環境。
(3)采用石英-硅溶膠型殼代替一、二層石英-水玻璃型殼，徹底取消面層和過渡層的水玻璃及氯化氨硬化劑。計算表明鑄件成本僅增加0.46元/kg，而制殼生產周期與水玻璃型殼基本相同。
2、復合型殼
為克服上述水玻璃型殼的缺點，目前不少工廠將一、二層改用鋯英石及莫來石-硅溶膠型殼。背層仍采用原有水玻璃型殼工藝。它是結合硅膠型殼的優良的表面質量和水玻璃低成本、短周期的優點的一種改進方案。與水玻璃型殼相比，其鑄件表面質量有了很大提高，表面粗糙度降低、表面缺陷減少、返修率下降。可應用于不銹鋼、耐熱鋼等高合金鋼。生產周期則比低溫蠟-硅溶膠型殼短得多，與水玻璃型殼相近。
2.1存在的主要問題
(1)由于背層保留了水玻璃粘結劑，故其型殼整體高溫強度、抗蠕變能力比硅溶膠型殼低。其型焙燒溫度只限于950℃以下。900℃以后型殼變形量增加了30%。而硅溶膠型殼焙燒溫度可達1000-1200℃，在1000℃以前型殼不變形。故復合型殼澆注的鑄件尺寸精度(包括形位公差)均比不上硅溶膠型殼。往往在澆注大型(10kg以上)鑄件時要采取增加硅溶膠型殼層數的方法(一般至少增加2層)以求獲得高的高溫強度及防止鑄件變形。
(2)由于型殼前2層是影響型殼透氣性的主因，由水玻璃型殼改為硅溶膠后，型殼的整體透氣性大幅降低，在焙燒溫度較低、保溫時間不夠長時，常會造成鑄件氣孔及澆不足、冷隔等缺陷，故復合型殼較難應用于薄壁(δ≤3mm)件、小件及特小件(小于50g)。又因型殼高溫強度不及硅溶膠型殼，更易造成上述廢品?？傊?，復合型殼的透氣性不如水玻璃型殼也不如硅溶膠型殼。
(3)復合型殼鑄件質量穩定性比水玻璃好，但遠不如硅溶膠型殼。其背層仍保留水玻璃粘結劑，為降低成本仍采用價格較低、質量不穩定的耐火材料，如粘土、顆粒粒砂等，且在制殼工藝控制方面與水玻璃型殼相同，導致鑄件質量穩定性差。尤其是10kg以上的大件及1kg以下的小件，廢品率及返修率均比硅溶膠型殼高。
(4)復合型殼由于采用價昂的鋯英石作面層，其型殼成本是水玻璃型殼的4.5倍，若背層采用莫來石砂粉，其型殼成本與硅溶膠型殼成本相差無幾，每kg鑄件成本僅相差1元。其成本低的優勢并不明顯。
(5)復合型殼不能使用中溫蠟料。中溫蠟不能使用熱水脫蠟。在高壓釜中脫蠟時，由于高溫、高壓(170℃，0.7MPa)中溫蠟液會與背層中的水玻璃及殘留硬化劑產生劇烈的皂化反應(白色泡沫狀皂化物)，不經回收處理無法回用。而硅溶膠型殼，則可以應用低、中溫蠟，無此弊病。
綜上所述，復合型殼是水玻璃型殼的改進，在鑄件表面質量、成品率及返修率方面比前者優越，但與硅溶膠型殼仍有本質差別。除生產周期較短，制殼成本稍低之外其鑄件質量及穩定性不及硅溶膠型殼。
2.2改進方向
(1)采用石英代替鋯英砂用于面層型殼耐火材料。鑄件表面質量不完全取決于面層型殼耐火材料，而與粘結劑有密切關系，也與蠟料有關(蠟模表面粗糙度、皂化物殘留等)。復合型殼只能采用低溫蠟，大部分應用于表面粗糙度中等(Ra=6.3-12.5)、尺寸精度不甚高(CT4-CT6)的精鑄件，實踐證明采用石英-硅溶膠面層代替鋯英石-硅溶膠是完全可行的。
這一措施使每t鑄件型殼成本由原4150-4830元下降到1360元，與水玻璃型殼比僅增加460元。
(2)加強制殼工序尤其是背層制殼的質量管理及環境改善(詳見本文1，2節)。
(3)背層應當采用質量穩定、高溫性能優良而成本相對低廉的耐火材料，同時要兼顧與面層型殼耐火材料膨脹率相匹配。推薦下列2種常用的背層材料。
①耐火粘土-石英粉涂料(各50%)，撒顆粒砂(耐火磚廢料破碎過篩而制成)，其優點是來源廣、價格低，其型殼高溫強度和抗蠕變能力均高于莫來石、鋁礬土。價格僅為鋁礬土的1/2-1/3。它適用于鋯英石或石英石作面層的復合型殼。
②耐火粘土-顆粒粉涂料(體積比為3：7)，撒顆粒砂。此方案只適用于鋯英石復合型殼。有些工廠復合型殼背層采用莫來石砂粉或鋁礬土，其涂料性能較穩定，殼薄、易焙燒，但成本過高且其型殼高溫性能不及上2種型殼。鋁礬土脫殼性能較差。至于廢陶瓷器皿、硫璃瓦、地磚等破碎而成的材料價格雖低，但未經高溫燒成，成分復雜，型殼高溫開裂傾向大，耐火度偏低。澆注后(尤其是厚大件)脫殼困難，不宜采用。
3、硅溶膠（低溫蠟）型殼
這一工藝符合國情，在鑄造1kg以上，特別是5kg以上中大件鑄件時，具有更大的適應性和優越性(與中溫蠟相比)。
一般來說，中大鑄件的質量要求，特別是表面粗糙度、尺寸精度以及形位公差的要求不會太高，采用高熔點中溫蠟并無必要。中溫蠟需要高壓(大于6-7MPa)或液態蠟壓注蠟模，設備投資大。中溫蠟厚大蠟模易縮陷、變形、成本高。低溫蠟成型容易、設備簡單，而蠟模表面粗糙度相差不大。
這一工藝比復合型殼質量穩定，尤其是鑄件尺寸精度高，因它沒有水玻璃存在，型殼高溫性能好，在1000-1200℃焙燒后型殼透氣性高，抗蠕變能力強，既可適用于薄壁件，復雜結構的中小件，又可生產重達50-100kg的特大件，如水泵、葉輪、導流殼、泵體、球閥體、閥板等。對于薄壁中小件或大件可以采用叉殼或抬殼在爐前直接澆注，更可獲得高成品率。
3.1存在問題
(1)由于采用低溫蠟，大部分型殼在水中脫蠟，難免有皂化物殘留進入型殼中(尤其是復合型殼及水玻璃型殼同時脫蠟時)易產生鑄件表面夾雜，返修率稍高，這是其缺點之一。
(2)制殼生產周期長是它的zui大缺點和不足，尤其在生產大件，有深孔、深槽件時，每層干燥常要24-48h。以50kg雙流道葉輪為例，常須10-15d
制殼時間，稍有未干透之死角，在水脫蠟時會造成硅溶膠回溶，型殼裂紋。
(3)硅溶膠型殼(低溫蠟)型殼成本較水玻璃型殼高5倍(每t鑄件制殼成本為5000元)，比復合型殼高17%。鑄件成本相應較高。
3.2改進方向
(1)為防止因低溫蠟回收處理不徹底及用水脫蠟時與復合型殼或水玻璃型殼共用同一熱水槽，易產生鑄件皂化物夾雜缺陷應采取以下措施。
①采用蒸氣脫蠟(蒸氣壓力0.2-0.4MPa，溫度120-130℃)代替水脫蠟，不僅可以防止皂化物夾雜而且型殼不易產生裂紋，對鑄件的質量穩定更有保障。
②若采用熱水脫蠟，應在水中加人體積分數為1%-3%的工業鹽酸，脫蠟后再用含鹽酸的熱水沖洗每組型殼以減少皂化物殘留。盡可能不要與水玻璃型殼、復合型殼共用同一槽水脫蠟，也可更換水液，單獨集中脫蠟，以減少皂化物入殼。
③回收蠟處理可用鹽酸的體積分數為3%-5%的酸化水，沸騰及沉淀時間要足夠長。冬季硬化水溫度低，水玻璃及復合型殼中Na2O的殘留量高，蠟料皂化也較嚴重，應多加鹽酸處理回收蠟，減少皂化物。蠟料處理后，及時補加硬脂酸也很重要。
(2)為縮短制殼生產周期，可采用“快干硅溶膠”制殼，此工藝已日漸成熟，其各層型殼干燥時間可縮短1/2以上。小件各層(除zui后層外)干燥僅須3h，制殼時間由原63h縮短為24h。中大件也較一般硅溶膠縮短50%。而其市場價只提高20-30%，完全可由場地、電耗的減少及生產率的提高來彌補。快干硅溶膠的推廣應用是硅溶膠制殼工藝的改革必由之路，將會逐步擴大應用。
(3)為降低硅溶膠型殼的成本，zui有效的方法是采用石英石代替鋯英石作面層型殼耐火材料。目前鋯英石耐火材料占整個硅溶膠制殼成本的60%，改用石英后每t鑄件制殼成本由5000元降為2210元，下降55.8%。中大件可采用熔融石英砂(粉)取代鋯英砂(粉)已逐步在推廣應用。
4、硅溶膠（中溫蠟）型殼
這是國際上通用的精鑄件生產工藝，它具有zui高的鑄件質量、zui低的返修率，特別適合于表面粗糙度要求高(Ra0.8-3.2)，尺寸精度高(CT3-CT5級)的中小件、特小件(2-1000g)。但由于設備及成本***，較少應用于中大件(5-100kg)。
4.1存在問題
(1)成本高，其型殼生產成本是水玻璃型殼的8倍。比低溫蠟-硅溶膠型殼也高出25%。主要原因是其制殼、蠟模材料成本高，且設備耗電也大得多，設備投資也大。
(2)生產周期與低溫蠟-硅溶膠型殼相同，比水玻璃及復合型殼長得多。
(3)生產5-50kg的中大件往往要采用中溫液態蠟(65-70℃)及高壓(4.0-7.0MPa)注蠟，厚壁蠟模易縮凹，鑄件尺寸精度并不太高，中大件對尺寸精度、表面粗糙度要求也沒有小件那么高，故中大件較少采用硅溶膠(中溫蠟)型殼。
4.2改進方向
(1)為降低成本，保證質量，在解決了石英對中溫蠟潤濕性很差的難題后，采用石英石或熔融石英代替鋯英石無疑是一方向。熔融石英其熱膨脹系數僅為5×10-7/℃，且其價格只有鋯英石的1/6。在國外，熔融石英已逐步在擴大應用范圍。
(2)采用快干硅溶膠縮短制殼周期是國內外同行共同努力的方向(見前述)。
(3)研制國產的中溫蠟或改進石蠟一硬脂酸低溫蠟是我國精鑄界的重要任務。如何解決國產中溫蠟或改進型的低溫蠟回收處理的難題，使其在生產中能長期保持蠟料性能不變化是能否推廣應用的關鍵。
5、結束語
(1)各種型殼工藝有其不同的適用對象，選擇的依據是：鑄件的質量要求、價位及交貨期。綜合考慮，正確選用zui經濟合理的制殼工藝方案是保證生產優質、低成本鑄件的基礎。
(2)水玻璃型殼雖有不少優點但粘結劑本身固有的缺點使鑄件質量難以提高，質量穩定性也差。今后將會逐步被復合型殼，尤其是成本低的石英一硅溶膠復合殼所取代。
(3)硅溶膠是理想的粘結劑，其型殼質量高，鑄件質量穩定，返修率低，是今后的發展方向。石英石、熔融石英耐火料在面層型殼中的應用，快干硅溶膠的推廣，將其生產成本及制殼周期大大降低和縮短，克服了這2點不足，硅溶膠型殼(低溫蠟或中溫蠟)將在我國精鑄界得到廣泛應用，畢竟高的鑄件質量是zui重要的指標。
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