熔模鑄造型殼變形等缺陷分析

潘玉洪

1 提出問題

優(yōu)質(zhì)型殼是獲得表面光滑、棱角清晰、尺寸正確熔模鑄件的主要條件之一。 據(jù)不完全統(tǒng)計，熔模鑄件的廢品中約有60%是由于型殼缺陷引起的；因此，分析型殼產(chǎn)生缺陷的原因，采取有效的糾正和預(yù)防措施，可以有效提高型殼和鑄件質(zhì)量。

熔模鑄造應(yīng)用最早、工藝比較成熟的是水玻璃型殼。由于水玻璃價格便宜、貨源充足，水玻璃配制的涂料，性能穩(wěn)定、應(yīng)用方便，采用氯化銨硬化劑進(jìn)行化學(xué)硬化，強(qiáng)度建立快，濕強(qiáng)度大，制殼周期短；因此，至今仍然被廣泛地應(yīng)用。

水玻璃型殼由粘結(jié)劑和耐火粉料經(jīng)過如圖1 所示的工藝流程而制成。

水玻璃型殼常見的缺陷中，有的缺陷在澆注前能夠及時發(fā)現(xiàn)，如型殼的裂紋等；而有的只能在澆注后，在檢驗鑄件質(zhì)量時才能發(fā)現(xiàn)，如型殼的變形、蟻孔等。

圖1 水玻璃型殼制殼工藝流程

下面分析型殼的變形、鼓脹、裂紋，蟻孔、蠕孔，以及氣孔等缺陷。

2 型殼變形

2.1 特征

型腔的尺寸不符合圖紙要求（如圖2）。

2.2 產(chǎn)生原因

（1）型殼高溫強(qiáng)度低，其抗高溫變形能力也低。 型殼變形大部分是在脫蠟、焙燒或澆注過程中產(chǎn)生的。 澆注時，靠近澆口的高溫有可能使型殼發(fā)生變形。

圖2 型腔變形

（2）涂料的粘度大，涂層過厚，涂料堆積；或硬化液濃度低，溫度低，硬化時間短，硬化不足等原因，導(dǎo)致型殼的強(qiáng)度低。

（3）脫蠟液的溫度低，脫蠟時間太長。由于蠟料的熱膨脹系數(shù)大于型殼的熱膨脹系數(shù)，脫蠟緩慢導(dǎo)致型殼在脫蠟的過程中受到各種應(yīng)力的作用，型殼在脫蠟過程中變形。

（4）中小件型殼的焙燒溫度過高、焙燒時間過長；或冷卻過快；或焙燒時擺放不當(dāng)（堆壓、擠壓等），使得型殼受力不平衡等原因，引起局部變形。

（5）焙燒爐不能滿足工藝要求。

（6）焙燒與澆注配合不當(dāng)，型殼在焙燒后的熱態(tài)時，強(qiáng)度較高；溫度下降時，強(qiáng)度隨之下降。如型殼在冷態(tài)下澆注，型殼急劇升溫?zé)崤蛎浵禂?shù)大，導(dǎo)致型殼變形。

2.3 防止措施

（1）采取以下措施，可以控制型殼的高溫變形：

①水玻璃的模數(shù)m=3.0～3.4，密度 d=1.30～1.33 g/cm3配制的加固層涂料；

②選用硬化劑； 氯化鋁硬化的型殼比氯化銨硬化的型殼強(qiáng)度高；

③鋁硅系粉、砂，代替硅石粉、砂；

④制殼工藝。 如涂料粘度與撒砂粒度的合理配合，硬化工藝參數(shù)要確保型殼充分硬化；

⑤焙燒和澆注的合理配合， 防止型殼在冷態(tài)下澆注。

⑥采用復(fù)合型殼，如水玻璃與硅溶膠型殼，水玻璃與硅酸乙酯型殼等。

（2）掌握、運用、控制涂料的“配比-粘度-溫度”關(guān)系曲線；注意涂掛操作，使涂層均勻地覆蓋；控制硬化液的濃度、溫度和硬化時間，使型殼充分硬化。

（3）型殼制成后，停放 12～24 小時再脫蠟；選擇合理的脫蠟工藝，脫蠟液的溫度控制在95 ℃～98 ℃， 脫蠟時間為 15 min～20 min， 不超過 30 min；以及控制型殼在脫蠟過程中的擺放等。

（4）選擇合理的焙燒工藝，氯化銨硬化的型殼焙燒溫度 t=850 ℃～900 ℃， 時間 h=0.5～2 小時；注意型殼在焙燒過程中的擺放，避免型殼彼此擠壓；控制焙燒出爐的冷卻速度等。

焙燒良好的型殼呈白色、粉白色或粉紅色。

（5） 加強(qiáng)焙燒爐的定期檢測和日常維護(hù)保養(yǎng)，使其滿足焙燒工藝要求。

3 型殼鼓脹

3.1 特征

型殼整體鼓脹，或局部涂層鼓脹。 型芯鼓脹見圖3，型殼內(nèi)表面鼓脹見圖4。

3.2 產(chǎn)生原因

（1）型殼分層的各種原因，如：

①水玻璃模數(shù)高，或涂料的粘度大；操作不當(dāng)，或撒砂時間控制不當(dāng)，使涂料或型砂局部堆積；硬化不良；

圖3 型芯向型腔鼓脹

圖4 型殼內(nèi)表面層向型腔鼓脹

②面層硬化前的自然風(fēng)干時間太長， 與第二層涂料潤濕和結(jié)合不好；

③涂料撒砂后，表面有浮砂；或面層砂的粒度過細(xì)， 砂中粉塵過多或砂粒受潮含水分過多；導(dǎo)致第二層涂料與面層砂結(jié)合不牢；

④面層硬化后晾干的時間短， 型殼局部表面殘留過多的硬化液等原因。

（2）型殼抗高溫變形能力低的原因，如：

①型殼高溫強(qiáng)度低， 其抗高溫變形能力也低。 型殼鼓脹大部分是在脫蠟、焙燒或澆注過程中產(chǎn)生；

②涂料的粘度大，涂層過厚，涂料堆積，或硬化液濃度低，溫度低，硬化時間短，硬化不足等原因，導(dǎo)致型殼的強(qiáng)度低，抗高溫變形能力也低；

（3）脫蠟液的溫度低，脫蠟時間太長；

（4）中小件型殼的焙燒溫度過高、焙燒時間過長；或冷卻過快；或焙燒時擺放不當(dāng)（堆壓、擠壓）等原因；

（5）焙燒與澆注配合不當(dāng)，如型殼在冷態(tài)下澆注，型殼急劇升溫?zé)崤蛎浵禂?shù)大，導(dǎo)致型殼鼓脹。

3.3 防止措施

（1）防止型殼分層的各種措施，如：

①制殼場地的溫度宜保持在20℃～25 ℃；適當(dāng)?shù)亟档屯苛险扯?，增加其流動性；必要時，在加固層涂料中適當(dāng)?shù)靥砑颖砻婊钚詣纳仆苛系耐繏煨?、覆蓋性；注意操作方法，即型殼浸入涂料中，要上下移動和不斷地轉(zhuǎn)動，提起后滴去多余的涂料，使涂料均勻地涂掛和覆蓋在型殼的表面上，立即撒砂，不能出現(xiàn)涂料或型砂的局部堆積；并充分硬化。

②型殼硬化前應(yīng)自然風(fēng)干一定的時間， 一般為 15min～40min，以型殼“不濕不白”為宜；硬化后要晾干，使型殼繼續(xù)滲透硬化，硬化更加充分；

③檢驗型砂的粒度和粉塵 （粉塵含量≤0.3%），型砂在使用中的濕度應(yīng)≤0.3%；并及時清除型殼上多余的浮砂；面層撒砂的粒度不要過細(xì)，以 40/70 或 50/100 目為宜。

（2）防止型殼變形的各種措施，如：

①選擇合適的水玻璃模數(shù)和密度， 選用涂料合理的“粉液比、粘度和溫度”；用鋁硅系粉、砂，代替硅石粉、砂；選用合適的硬化劑及選用合理的硬化工藝參數(shù)，控制硬化液的濃度、溫度和硬化時間，使型殼充分硬化；

②注意涂掛操作，使涂層間均勻地覆蓋；

③型殼制成后停放12～24 小時再脫蠟；脫蠟液的溫度控制在95 ℃～98 ℃， 脫蠟時間為15 min～20 min，不超過 30 min；

④氯化銨硬化的型殼焙燒溫度t=850 ℃～900 ℃，時間 h=0.5～2 小時；控制焙燒出爐的冷卻速度等。

總之，選用合理的（涂料、制殼、焙燒與澆注）工藝，或復(fù)合型殼等，提高型殼抗高溫變形能力。

4 型殼裂紋

4.1 概述

型殼裂紋有兩種情況，一是澆口杯產(chǎn)生裂紋（見圖5）；二是型殼表面產(chǎn)生裂紋（見圖6）：

澆口杯裂紋特征： 型殼的澆口杯有裂紋，嚴(yán)重時澆口杯開裂。

型殼表面裂紋： 在型殼的表面上有彎曲的、深淺不等的裂紋。

4.2 產(chǎn)生原因

（1）涂料中水玻璃的模數(shù)，或密度不當(dāng)；涂料中的粉液比過低；或硬化劑的濃度、溫度和硬化時間不當(dāng)，硬化不充分；或型殼在硬化前的自然風(fēng)干時間短， 不利于硬化劑的繼續(xù)滲透硬化，影響了硅凝膠的連續(xù)性和致密性；或型殼的層數(shù)不夠等原因，導(dǎo)致型殼的強(qiáng)度低，出現(xiàn)了裂紋。

（2）涂料層涂掛的不均勻，或撒砂層厚薄不均；尤其是浸涂料后沒有撒上砂的部位，硅凝膠在收縮時受力不均勻，導(dǎo)致型殼產(chǎn)生裂紋。

圖5 澆口杯裂紋

圖6 型殼表面裂紋

（3）脫蠟液的溫度低，脫蠟時間太長。由于蠟料的熱膨脹系數(shù)大于型殼的熱膨脹系數(shù)，脫蠟緩慢將導(dǎo)致型殼在脫蠟的過程中受到各種應(yīng)力的作用；如果超過此時型殼的強(qiáng)度極限，就會產(chǎn)生裂紋，甚至開裂。

（4）焙燒時，型殼入爐溫度高，升溫過快，或高溫出爐急冷；或型殼多次焙燒，產(chǎn)生微裂紋，甚至裂紋，降低了強(qiáng)度；或型殼的高溫強(qiáng)度低，使型殼在焙燒時產(chǎn)生裂紋。

（5）清理澆口杯時，機(jī)械損傷澆口杯。

4.3 防止措施

（1）采用下列措施，可以提高型殼的高溫強(qiáng)度。

①水玻璃的模數(shù)m=3.0～3.4， 密度d=1.30～1.33 g/cm3配制的加固層涂料；

②采用合理的涂料配制工藝， 并執(zhí)行涂料的“配比-溫度-粘度”曲線；

③采用合理的硬化工藝，控制硬化劑的“濃度-溫度-硬化時間”； 或選用氯化鋁代替氯化銨硬化型殼；

④合理的制殼工藝， 如涂料粘度與撒砂粒度的合理配合，硬化工藝參數(shù)要確保型殼充分硬化；

⑤采取措施增加型殼強(qiáng)度， 如常用的增加型殼層數(shù)，或采用復(fù)合型殼等；必要時大件型殼可用鐵絲加固等。

（2）蠟?zāi)＝霗z驗合格的涂料中，上下移動和不斷地轉(zhuǎn)動，提起后滴去多余的涂料，使涂料均勻地覆蓋在模組或涂層的表面上；不能漏涂或出現(xiàn)涂料的局部堆積；并及時、均勻撒砂。

（3）適當(dāng)提高脫蠟液的溫度，控制在95 ℃～98 ℃；縮短脫蠟時間，以 15 min～20 min，不超過30 min 為宜；水玻璃型殼脫蠟的要點：高溫快速。必要時，改進(jìn)脫蠟方法。

（4）選用合理的焙燒工藝，氯化銨硬化的型殼焙燒溫度 t=850 ℃ ～900 ℃， 時間 h=0.5～2 小時 ；并嚴(yán)格執(zhí)行；必要時，采用階段升溫，或冷卻；型殼焙燒不能超過2 次。

焙燒良好的型殼呈白色、 粉白色或粉紅色；焙燒不良的型殼呈深色或深灰色，表示型殼殘留較多的碳分。

（5）清理澆口杯時應(yīng)仔細(xì)，避免機(jī)械損傷；必要時，改進(jìn)澆口杯的結(jié)構(gòu)。

5 蟻孔

5.1 特征

型殼的內(nèi)表面上有分散或密集的小孔洞，如圖 7、圖 8 所示。

5.2 產(chǎn)生原因

（1）配制面層涂料時，涂料中的粉液比太低（≤1：0.8）。 在正常使用溫度下， 涂料的粘度低（涂料在粉液比相同的條件下， 其粘度隨著溫度的提高而降低），蠟?zāi)Ｉ系耐苛蠈犹。欢鎸由暗牧６容^大。 尤其是使用沸騰法撒面層砂時，砂粒易穿透涂料層，在型腔形成蟻孔。

（2）蠟?zāi)Ｖ械挠仓岷窟^低，或蠟?zāi)Ｔ谕繏烨皼]有進(jìn)行表面脫脂處理，降低了蠟?zāi)５臐櫇裥院屯繏煨浴?/p>

（3）涂料對蠟?zāi)５臐櫇裥圆睢⑼繏煨圆睢?/p>

（4）蠟?zāi)＝M裝不當(dāng)，或涂掛面層的浸涂、撒砂方法不當(dāng)，或控料時間太長，使模組的中、上部局部涂料層太薄，如圖8 所示，甚至沒有涂料層，易使型腔產(chǎn)生局部蟻孔。

5.3 防止措施

圖8 型腔內(nèi)，均在蠟?zāi)さ纳喜慨a(chǎn)生蟻孔

（1）配制面層涂料時，在專用配料桶中，不斷攪拌水玻璃、表面活性劑，再徐徐加入粉料；當(dāng)水玻璃模數(shù)為 3.0～3.4，密度為 1.25～1.28 g/cm3時，粉液比為1：1.0～1.3 為宜； 充分?jǐn)嚢韬蟮耐苛弦M(jìn)行8～12 小時的回性處理； 再選用相應(yīng)的面層砂粒度， 一般選用50/100 或40/70 目的石英砂；面層砂應(yīng)使用雨淋法撒砂。

（2）蠟料中的硬脂酸含量不能低于50%，可以適當(dāng)?shù)奶岣哂仓岬暮?（一般為5%～10%），以利于提高蠟?zāi)５臐櫇裥裕纳葡災(zāi)５耐繏煨浴?/p>

模組浸涂前要用脫脂液 （濃度為0.3%的表面活性劑或中性軟肥皂水溶液）去除蠟?zāi)１砻鏆埩舻姆中蛣┗蛎撃?，以改善蠟?zāi)１砻鎸ν苛系臐櫇衲芰Γ纳仆苛系母采w性，提高型殼的表面質(zhì)量。

（3）在面層涂料中加入適量（一般為粘結(jié)劑質(zhì)量的0.1%～0.3%）的表面活性劑（如農(nóng)乳130，或JFC），以利于降低涂料的表面張力，增加涂料對蠟?zāi)５臐櫇褡饔?，改善涂掛性?/p>

涂料中加入表面活性劑后，在攪拌過程中易產(chǎn)生氣泡，所以應(yīng)加入消泡劑（常用有機(jī)硅樹脂系消泡劑，加入量為粘結(jié)劑質(zhì)量的0.05%～0.1%）。

（4）改進(jìn)蠟?zāi)＝M裝，注意型殼面層的涂掛操作，使涂料均勻、完整地覆蓋在蠟?zāi)５谋砻嫔希患皶r撒砂。

6 蠕孔

6.1 特征

型殼的內(nèi)表面上有分散的，或密集的蠕蟲狀孔洞，如圖 9、圖 10 所示。

6.2 產(chǎn)生原因

（1）涂料中的粉液比過低（≤1：0.6）。 蠟?zāi)Ｉ系耐苛蠈犹。?/p>

（2）產(chǎn)生“蟻孔”的（2）、（3）、（4）同樣適用于蠕孔。

6.3 防止措施

“蟻孔”防止措施的（1）、（2）、（3）和（4）均適用于蠕孔。

7 氣孔

7.1 特征

圖9 蠕孔（粉液比1：0.6）

型殼的內(nèi)表面留有氣泡的光滑孔洞， 如圖11 所示。

7.2 產(chǎn)生原因

（1）面層涂料在攪拌過程中，卷入過多的氣體；攪拌后沒有進(jìn)行回性處理，或回性處理時間短；使涂料中殘留過多的氣體。

（2）面層涂料中加入發(fā)泡較高的表面活性劑。

（3）面層涂料在攪拌過程中，沒有加入消泡劑。

（4）面層涂掛操作不當(dāng)，在蠟?zāi)５睦饨翘幜粲袣馀荨?/p>

7.3 防止措施

圖10 蠕孔 ×16

（1） 配制面層涂料過程中應(yīng)控制攪拌速度，避免卷入或產(chǎn)生過多氣泡；充分?jǐn)嚢韬蟮耐苛弦M(jìn)行8～12 小時的回性處理，使氣體充分溢出。

（2）攪拌面層涂料時，應(yīng)加入發(fā)泡較低的潤濕劑，常用農(nóng)乳130 或JFC，加入量為水玻璃粘結(jié)劑的0.1%～0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；

（3）在配制面層涂料過程中，應(yīng)加入消泡劑；加入量為水玻璃粘結(jié)劑的0.05%～0.10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

（4）注意面層涂掛操作；必要時，用毛刷刷涂，或用壓縮空氣吹除蠟?zāi)＠饨翘幍臍馀荨?/p>

8 結(jié)語

（1）提高水玻璃型殼的強(qiáng)度，是防止型殼產(chǎn)生裂紋、變形、鼓脹等缺陷的有效措施。

圖11 氣孔

（2）水玻璃涂料是一種非均勻、介穩(wěn)定的懸浮體。涂料應(yīng)保證型殼良好的性能，如強(qiáng)度、透氣性、熱穩(wěn)定性和脫殼性等；同時涂料又要具有良好的工藝性，如涂掛性、流動性和分散穩(wěn)定性，及懸浮穩(wěn)定性等。涂料的配比（粉液比）是防止型殼產(chǎn)生蟻孔和蠕孔的關(guān)鍵因素。

（3）合理的制殼工藝，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮饕?guī)程，適時的員工培訓(xùn)，必要的獎懲制度是獲得優(yōu)質(zhì)型殼的保證。

[1]潘玉洪.熔模鑄造缺陷圖冊[C]//.中國工程學(xué)會鑄造學(xué)會質(zhì)量控制與測試技術(shù)學(xué)組第一屆年會展覽論文，1979.

[2]中國鑄造協(xié)會.熔模鑄造手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]P.R.泰勒[英].陶瓷型殼掛砂方案與穿透缺陷的關(guān)系[C]//.第三屆國際熔模鑄造會議文集，北京：國防工業(yè)出版社，1978.

[4]熔模精密鑄造編寫組.熔模精密鑄造（下冊）[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.

[5]張家駿 等.水玻璃型殼的質(zhì)量控制[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1984（2）.

[6]姜不居.熔模精密鑄造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.