精密鑄造4種制殼工藝特點分析及改進方向
發(fā)布時間： 2020-04-24 來源：洛陽順祥機械有限公司 點擊：2599
對目前國內(nèi)精鑄行業(yè)中廣泛應(yīng)用的4種制殼工藝的特點進行了分析對比。從精鑄件質(zhì)量比較，水玻璃型殼較差，復(fù)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(nèi)精鑄件生產(chǎn)中廣泛采用的制殼工藝有以下4種：
A．水玻璃型殼；
B．復(fù)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(zhì)量、價位的不同需求、增加市場競爭力和適應(yīng)力。
1、水玻璃型殼
這一工藝在國內(nèi)已有近50年的生產(chǎn)歷史，其廠點數(shù)至今仍占我國精鑄廠家的75%以上。經(jīng)過精鑄界同仁個半世紀的不懈努力，水玻璃型殼工藝的應(yīng)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(yīng)用，水玻璃型殼強度有了成倍增長。鑄件表面質(zhì)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(chǎn)周期、優(yōu)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(yōu)點。但鑄件的質(zhì)量，包括表面粗糙度、缺陷數(shù)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(jié)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(zhì)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(zhì)量的精鑄件。
(2)型殼生產(chǎn)條件差，缺乏嚴格的生產(chǎn)過程及參數(shù)的控制。由于硬化劑的強腐蝕性，除塵設(shè)備的簡陋，很少車間有恒溫、恒濕、除塵的生產(chǎn)環(huán)境。影響型殼和鑄件質(zhì)量的涂料配制、硬化、風(fēng)干、脫蠟等工序，極少按行業(yè)規(guī)定的操作規(guī)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(fēng)干處的溫度、濕度、風(fēng)速等更是不加控制，故常在高、低溫或梅雨季節(jié)發(fā)生批量報廢的質(zhì)量事故?？傊?，大部分工廠停留在手工作坊階段，靠技藝而不是靠科學(xué)的質(zhì)量管理進行生產(chǎn)。這是水玻璃型殼數(shù)十年來鑄件質(zhì)量不穩(wěn)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(yīng)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(xué)穩(wěn)定性，而且可以獲得高粉液比涂料。我廠用模數(shù)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(shù)要求見。
經(jīng)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(zhì)的粉粒，比人工級配更理想。已在我公司實際應(yīng)用，效果良好。
(2)加強制殼工序的現(xiàn)場質(zhì)量管理，按行業(yè)標準操作。同時應(yīng)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(zhì)量的穩(wěn)定及改善操作環(huán)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(chǎn)周期與水玻璃型殼基本相同。
2、復(fù)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(jié)合硅膠型殼的優(yōu)良的表面質(zhì)量和水玻璃低成本、短周期的優(yōu)點的一種改進方案。與水玻璃型殼相比，其鑄件表面質(zhì)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(yīng)用于不銹鋼、耐熱鋼等高合金鋼。生產(chǎn)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(jié)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(fù)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(shù)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(fù)合型殼較難應(yīng)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。總之，復(fù)合型殼的透氣性不如水玻璃型殼也不如硅溶膠型殼。
(3)復(fù)合型殼鑄件質(zhì)量穩(wěn)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(jié)劑，為降低成本仍采用價格較低、質(zhì)量不穩(wěn)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(dǎo)致鑄件質(zhì)量穩(wěn)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(fù)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(yōu)勢并不明顯。
(5)復(fù)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(chǎn)生劇烈的皂化反應(yīng)(白色泡沫狀皂化物)，不經(jīng)回收處理無法回用。而硅溶膠型殼，則可以應(yīng)用低、中溫蠟，無此弊病。
綜上所述，復(fù)合型殼是水玻璃型殼的改進，在鑄件表面質(zhì)量、成品率及返修率方面比前者優(yōu)越，但與硅溶膠型殼仍有本質(zhì)差別。除生產(chǎn)周期較短，制殼成本稍低之外其鑄件質(zhì)量及穩(wěn)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(zhì)量不完全取決于面層型殼耐火材料，而與粘結(jié)劑有密切關(guān)系，也與蠟料有關(guān)(蠟?zāi)１砻娲植诙?、皂化物殘留?。復(fù)合型殼只能采用低溫蠟，大部分應(yīng)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(zhì)量管理及環(huán)境改善(詳見本文1，2節(jié))。
(3)背層應(yīng)當(dāng)采用質(zhì)量穩(wěn)定、高溫性能優(yōu)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(yōu)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(fù)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(fù)合型殼。有些工廠復(fù)合型殼背層采用莫來石砂粉或鋁礬土，其涂料性能較穩(wěn)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(jīng)高溫?zé)?，成分?fù)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(yīng)性和優(yōu)越性(與中溫蠟相比)。
一般來說，中大鑄件的質(zhì)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(tài)蠟壓注蠟?zāi)?，設(shè)備投資大。中溫蠟厚大蠟?zāi)Ｒ卓s陷、變形、成本高。低溫蠟成型容易、設(shè)備簡單，而蠟?zāi)１砻娲植诙认嗖畈淮蟆?/p>
這一工藝比復(fù)合型殼質(zhì)量穩(wěn)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的中小件，又可生產(chǎn)重達50-100kg的特大件，如水泵、葉輪、導(dǎo)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(fù)合型殼及水玻璃型殼同時脫蠟時)易產(chǎn)生鑄件表面夾雜，返修率稍高，這是其缺點之一。
(2)制殼生產(chǎn)周期長是它的zui大缺點和不足，尤其在生產(chǎn)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(fù)合型殼高17%。鑄件成本相應(yīng)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(fù)合型殼或水玻璃型殼共用同一熱水槽，易產(chǎn)生鑄件皂化物夾雜缺陷應(yīng)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(chǎn)生裂紋，對鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定更有保障。
②若采用熱水脫蠟，應(yīng)在水中加人體積分數(shù)為1%-3%的工業(yè)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(fù)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(shù)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(fù)合型殼中Na2O的殘留量高，蠟料皂化也較嚴重，應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)率的提高來彌補?？旄晒枞苣z的推廣應(yīng)用是硅溶膠制殼工藝的改革必由之路，將會逐步擴大應(yīng)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(yīng)用。
4、硅溶膠（中溫蠟）型殼
這是國際上通用的精鑄件生產(chǎn)工藝，它具有zui高的鑄件質(zhì)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(shè)備及成本***，較少應(yīng)用于中大件(5-100kg)。
4.1存在問題
(1)成本高，其型殼生產(chǎn)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?zāi)２牧铣杀靖?，且設(shè)備耗電也大得多，設(shè)備投資也大。
(2)生產(chǎn)周期與低溫蠟-硅溶膠型殼相同，比水玻璃及復(fù)合型殼長得多。
(3)生產(chǎn)5-50kg的中大件往往要采用中溫液態(tài)蠟(65-70℃)及高壓(4.0-7.0MPa)注蠟，厚壁蠟?zāi)Ｒ卓s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(zhì)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(shù)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(yīng)用范圍。
(2)采用快干硅溶膠縮短制殼周期是國內(nèi)外同行共同努力的方向(見前述)。
(3)研制國產(chǎn)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(wù)。如何解決國產(chǎn)中溫蠟或改進型的低溫蠟回收處理的難題，使其在生產(chǎn)中能長期保持蠟料性能不變化是能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。
5、結(jié)束語
(1)各種型殼工藝有其不同的適用對象，選擇的依據(jù)是：鑄件的質(zhì)量要求、價位及交貨期。綜合考慮，正確選用zui經(jīng)濟合理的制殼工藝方案是保證生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、低成本鑄件的基礎(chǔ)。
(2)水玻璃型殼雖有不少優(yōu)點但粘結(jié)劑本身固有的缺點使鑄件質(zhì)量難以提高，質(zhì)量穩(wěn)定性也差。今后將會逐步被復(fù)合型殼，尤其是成本低的石英一硅溶膠復(fù)合殼所取代。
(3)硅溶膠是理想的粘結(jié)劑，其型殼質(zhì)量高，鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，返修率低，是今后的發(fā)展方向。石英石、熔融石英耐火料在面層型殼中的應(yīng)用，快干硅溶膠的推廣，將其生產(chǎn)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(yīng)用，畢竟高的鑄件質(zhì)量是zui重要的指標。
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