精密鑄造4種制殼工藝特點(diǎn)分析及改進(jìn)方向探討
對目前國內精鑄行業(yè)中廣泛應用的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，復合型殼、硅溶膠-低溫蠟型殼次之，硅溶膠一中溫蠟型殼最好。而從制殼成本比較，水玻璃型殼最低，硅溶膠一中溫蠟型殼最高。對這4種制殼工藝分別提出了改進(jìn)措施。
目前國內精鑄件生產(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(mǎn)足市場(chǎng)對精鑄件質(zhì)量、價(jià)位的不同需求、增加市場(chǎng)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(chǎn)歷史，其廠(chǎng)點(diǎn)數至今仍占我國精鑄廠(chǎng)家的75%以上。經(jīng)過(guò)精鑄界同仁個(gè)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(lái)由于背層型殼耐火材料的改進(jìn)和新型硬化劑的推廣應用，水玻璃型殼強度有了成倍增長(cháng)。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(chǎng)份額，并替代國外砂鑄件成批出口。
低廉的成本、最短的生產(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、缺陷數量、尺寸精度、成品率、返修率等均比其他3種工藝要差(見(jiàn)表1)。
1.1存在的主要問(wèn)題
(1)水玻璃粘結劑固有的缺點(diǎn)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(jià)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(guò)程及參數的控制。由于硬化劑的強腐蝕性，除塵設備的簡(jiǎn)陋，很少車(chē)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(fēng)干處的溫度、濕度、風(fēng)速等更是不加控制，故常在高、低溫或梅雨季節發(fā)生批量報廢的質(zhì)量事故?？傊?，大部分工廠(chǎng)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)。這是水玻璃型殼數十年來(lái)鑄件質(zhì)量不穩定、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)穩定性，而且可以獲得高粉液比涂料。我廠(chǎng)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(shù)要求見(jiàn)表2。
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)際應用，效果良好。
(2)加強制殼工序的現場(chǎng)質(zhì)量管理，按行業(yè)標準操作。同時(shí)應將涂料、撒砂、硬化場(chǎng)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)量的穩定及改善操作環(huán)境。
(3)采用石英-硅溶膠型殼代替第一、二層石英-水玻璃型殼，徹底取消面層和過(guò)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(見(jiàn)表3)，而制殼生產(chǎn)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(diǎn)，目前不少工廠(chǎng)將第一、二層改用鋯英石及莫來(lái)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(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?？蓱糜诓讳P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(表1)。
2.1存在的主要問(wèn)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(表4)。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(表4)。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(shí)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(shí)間不夠長(cháng)時(shí)，常會(huì )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(zhì)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(jià)格較低、質(zhì)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(zhì)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(jià)昂的鋯英石作面層，其型殼成本是水玻璃型殼的4.5倍(表1)，若背層采用莫來(lái)石砂粉，其型殼成本與硅溶膠型殼成本相差無(wú)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(shí)，由于高溫、高壓(170℃，0.7MPa)中溫蠟液會(huì )與背層中的水玻璃及殘留硬化劑產(chǎn)生劇烈的皂化反應(白色泡沫狀皂化物)，不經(jīng)回收處理無(wú)法回用。而硅溶膠型殼，則可以應用低、中溫蠟，無(wú)此弊病。
綜上所述，復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，而與粘結劑有密切關(guān)系，也與蠟料有關(guān)(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(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(jiàn)本文1，2節)。
(3)背層應當采用質(zhì)量穩定、高溫性能優(yōu)良而成本相對低廉的耐火材料，同時(shí)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(guò)篩而制成)，其優(yōu)點(diǎn)是來(lái)源廣、價(jià)格低，其型殼高溫強度和抗蠕變能力均高于莫來(lái)石、鋁礬土。價(jià)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(chǎng)復合型殼背層采用莫來(lái)石砂粉或鋁礬土，其涂料性能較穩定，殼薄、易焙燒，但成本過(guò)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(jià)格雖低，但未經(jīng)高溫燒成，成分復雜，型殼高溫開(kāi)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(shí)，具有更大的適應性和優(yōu)越性(與中溫蠟相比)。
一般來(lái)說(shuō)，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(huì )太高，采用高熔點(diǎn)中溫蠟并無(wú)必要。中溫蠟需要高壓(大于6-7MPa)或液態(tài)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(jiǎn)單，而蠟模表面粗糙度相差不大。
這一工藝比復合型殼質(zhì)量穩定，尤其是鑄件尺寸精度高，因它沒(méi)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(表4)，既可適用于薄壁件，復雜結構的中小件，又可生產(chǎn)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(wèn)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(尤其是復合型殼及水玻璃型殼同時(shí)脫蠟時(shí))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(cháng)是它的最大缺點(diǎn)和不足(見(jiàn)表1)，尤其在生產(chǎn)大件，有深孔、深槽件時(shí)，每層干燥常要24-48h。以50kg雙流道葉輪為例，常須10-15d
制殼時(shí)間，稍有未干透之死角，在水脫蠟時(shí)會(huì )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(jìn)方向
(1)為防止因低溫蠟回收處理不徹底及用水脫蠟時(shí)與復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(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(shí)間要足夠長(cháng)。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(shí)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(shí)間可縮短1/2以上。小件各層(除最后層外)干燥僅須3h，制殼時(shí)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(chǎng)價(jià)只提高20-30%，完全可由場(chǎng)地、電耗的減少及生產(chǎn)率的提高來(lái)彌補?？旄晒枞苣z的推廣應用是硅溶膠制殼工藝的改革必由之路，將會(huì )逐步擴大應用。
(3)為降低硅溶膠型殼的成本，最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(gè)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(chǎn)工藝，它具有最高的鑄件質(zhì)量、最低的返修率，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)。但由于設備及成本限制，較少應用于中大件(5-100kg)。
4.1存在問(wèn)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、蠟模材料成本高，且設備耗電也大得多，設備投資也大。
(2)生產(chǎn)周期與低溫蠟-硅溶膠型殼相同，比水玻璃及復合型殼長(cháng)得多(表1)。
(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(méi)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(wú)疑是一方向。熔融石英其熱膨脹系數僅為5×10-7/℃，且其價(jià)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(jiàn)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(cháng)期保持蠟料性能不變化是能否推廣應用的關(guān)鍵。
5、結束語(yǔ)
(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(zhì)量要求、價(jià)位及交貨期。綜合考慮，正確選用最經(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。
(2)水玻璃型殼雖有不少優(yōu)點(diǎn)但粘結劑本身固有的缺點(diǎn)使鑄件質(zhì)量難以提高，質(zhì)量穩定性也差。今后將會(huì )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(zhì)量高，鑄件質(zhì)量穩定，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用，畢竟高的鑄件質(zhì)量是最重要的指標。