精密鑄造4種制殼工藝特點(diǎn)分析及改進(jìn)方向
發(fā)布時間： 2020-04-24 來源：洛陽順祥機(jī)械有限公司 點(diǎn)擊：2343
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(diǎn)進(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(jì)的不懈努力，水玻璃型殼工藝的應(yīng)用和研究已達(dá)到了很高水平,。
多年來由于背層型殼耐火材料的改進(jìn)和新型硬化劑的推廣應(yīng)用,，水玻璃型殼強(qiáng)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(diǎn),。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(diǎn)是Na2O含量高,，型殼高溫強(qiáng)度,、抗蠕變能力遠(yuǎn)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(yán)格的生產(chǎn)過程及參數(shù)的控制。由于硬化劑的強(qiáng)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(yán)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(bào)廢的質(zhì)量事故,?？傊蟛糠止S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(jìn)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(jìn)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(dá)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(shí)際應(yīng)用,，效果良好。
(2)加強(qiáng)制殼工序的現(xiàn)場質(zhì)量管理,，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(jì)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(diǎn),，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(diǎn)的一種改進(jìn)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?？蓱?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(qiáng)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(dá)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(qiáng)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(qiáng)度不及硅溶膠型殼，更易造成上述廢品,?？傊瑥?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(yuǎn)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(jìn)，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(jìn)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砻娲植诙取⒃砘餁埩舻?,。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(shí)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(qiáng)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(diǎn)是來源廣,、價格低,，其型殼高溫強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng),，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(dá)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(jìn)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(diǎn)之一,。
(2)制殼生產(chǎn)周期長是它的zui大缺點(diǎn)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(jìn)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?jǐn)?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(dú)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?jǐn)?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(yán)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(bǔ)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(bǔ),。快干硅溶膠的推廣應(yīng)用是硅溶膠制殼工藝的改革必由之路,，將會逐步擴(kuò)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(jìn)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(diǎn)但粘結(jié)劑本身固有的缺點(diǎn)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(diǎn)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(biāo),。