熔模鑄造型殼缺陷分析

潘玉洪

一、概述

優(yōu)質(zhì)型殼是獲得表面光滑、棱角清晰、尺寸正確的熔模鑄件主要條件之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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，并及時(shí)采取有效的糾正和預(yù)防措施，以便提高型殼和鑄件質(zhì)量顯得尤為重要。

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(jià)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。

水玻璃型殼是由粘結(jié)劑和耐火粉料經(jīng)過(guò)如圖1所示的工藝流程而制成的。型殼是粘結(jié)劑與耐火材料顆粒表面，即涂料層、砂粒間，以及涂料與砂粒間的黏附力、摩擦力和粘結(jié)劑本身的內(nèi)聚力，使其成為一個(gè)整體。

圖1 水玻璃型殼制殼工藝流程

水玻璃型殼常見(jiàn)的缺陷中，有的缺陷在澆注前能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，如型殼的裂紋、型殼表面析出的茸毛（也稱(chēng)“白毛”）等；而有的只能在澆注后檢驗(yàn)鑄件質(zhì)量時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，如型殼的分層、面層剝落等?，F(xiàn)對(duì)型殼的分層、面層剝落和酥松，以及茸毛等缺陷分析如下。

二、型殼分層

當(dāng)型殼各組分之間結(jié)合不牢固，就會(huì)產(chǎn)生型殼分層。型殼分層常有三種形式（見(jiàn)圖2～圖4），有時(shí)一只型殼上只出現(xiàn)一種分層缺陷，而有時(shí)在一只型殼上同時(shí)出現(xiàn)兩種甚至三種缺陷，如圖5所示。

型殼分層特征如下：

（1）涂料層中分層 型殼的局部涂料層中存在分層，常出現(xiàn)在加固層涂料層中。

（2）砂粒之間分層 型殼的局部砂粒之間存在分層，常出現(xiàn)在加固層撒砂層中。

（3）涂料-砂粒之間分層 型砂與涂料層之間存在局部分層，常出現(xiàn)在面層砂與過(guò)渡層涂料之間。

在實(shí)際生產(chǎn)中，要對(duì)型殼分層缺陷具體問(wèn)題具體分析，現(xiàn)分述如下。

1.涂料層中分層

（1）產(chǎn)生原因 加固層的涂料黏度大，使涂料的流動(dòng)性變差，操作性能變壞，很容易使涂料局部堆積，還有硬化不良等原因，使涂料層中形成了沒(méi)有硬化的涂料夾層。硬化的涂料中，水玻璃轉(zhuǎn)變成硅凝膠；而未硬化的涂料中，仍然保留著水玻璃狀態(tài)。硅凝膠在收縮時(shí)，勢(shì)必在已經(jīng)硬化與未硬化的涂料層間產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致涂料層分層。

當(dāng)涂料層堆積過(guò)多時(shí)，焙燒后，涂料層中堆積的涂料受熱急劇膨脹，沖破涂料層進(jìn)入型腔（見(jiàn)圖6），型芯中堆積的涂料焙燒后進(jìn)入型腔（見(jiàn)圖7），使?jié)沧⒑蟮蔫T件產(chǎn)生廢品。

（2）防止措施 ①適當(dāng)降低加固層涂料黏度，增加其流動(dòng)性，使其在工藝要求范圍內(nèi)。必要時(shí)，在涂料中適當(dāng)添加表面活性劑，以改善涂料的涂掛性、覆蓋性。②注意浸涂料時(shí)的操作方法，即型殼浸入涂料中，要上下移動(dòng)并不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，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，不能出現(xiàn)涂料的局部堆積。③型殼硬化前應(yīng)自然風(fēng)干一定的時(shí)間，以“不濕不白”為選擇自然風(fēng)干時(shí)間的依據(jù)，“濕”就是沒(méi)有干好；“白”就是太干。要選擇合理的硬化工藝參數(shù)，并嚴(yán)格控制。硬化后要進(jìn)行晾干，使型殼繼續(xù)進(jìn)行更充分的滲透硬化。

2.砂粒之間分層

（1）產(chǎn)生原因 下列原因之一，會(huì)大幅度地降低砂粒之間的結(jié)合力和摩擦力，使型殼的砂粒之間產(chǎn)生分層。①同一層型砂粒度不均勻，型砂中的粉塵多。②型砂濕度大或撒砂時(shí)的浮砂多。③操作不當(dāng)，產(chǎn)生型砂局部堆積等。

圖2 涂料層中分層

圖3 砂粒之間分層

圖4 涂料-砂粒之間分層

圖5 一個(gè)型殼同時(shí)出現(xiàn)三種分層缺陷

圖6 焙燒后，堆積的涂料進(jìn)入型腔

圖7 型芯中堆積的涂料進(jìn)入型腔

（2）防止措施 ①檢驗(yàn)型砂的粒度和粉塵（粉塵含量≤0.3%），滿(mǎn)足工藝要求后，方可用于生產(chǎn)。②控制型砂在使用中的濕度應(yīng)≤0.3%，必要時(shí)予以更換，并及時(shí)清除型殼上多余的浮砂。③嚴(yán)格執(zhí)行撒砂操作規(guī)程，防止型砂堆積。

3.涂料-砂粒之間分層

（1）產(chǎn)生原因 ①涂料中的水玻璃模數(shù)高，降低涂料的穩(wěn)定性，易老化，不易粘砂，或制殼場(chǎng)地溫度高，這些因素導(dǎo)致了涂料的表面已經(jīng)結(jié)殼，撒上的砂子只能浮在涂料結(jié)殼的表面，砂子黏附不牢而易造成涂料層與砂粒間的分層。另外，撒砂時(shí)間控制不當(dāng)，浸涂料后撒砂過(guò)早，涂料尚在流動(dòng)，也容易產(chǎn)生堆積（見(jiàn)圖8），且砂子也不易撒均勻；撒砂過(guò)晚，又不易撒上砂，而且撒上的砂子也黏附不牢，容易分層和剝落。②面層硬化前的自然風(fēng)干時(shí)間，或硬化后的晾干時(shí)間控制不當(dāng)。面層撒砂后，如果硬化前的自然風(fēng)干時(shí)間太長(zhǎng)，與第二層涂料潤(rùn)濕和結(jié)合不好，易產(chǎn)生分層。面層硬化后晾干的時(shí)間短，型殼局部表面殘留過(guò)多的硬化液。如果此時(shí)浸入涂料，涂料接觸到表層硬化劑時(shí)就迅速硬化結(jié)皮，因此影響了涂層與型砂之間的緊密黏附結(jié)合，導(dǎo)致分層。③第二層涂料的黏度過(guò)高，降低了涂料的流動(dòng)性、覆蓋性和涂掛性、一般面層砂較細(xì)，砂粒間的間隙細(xì)??；涂料不能很好地滲入到細(xì)小的砂粒間隙中，從而造成分層。④涂料撒砂后，表面有浮砂；或面層砂的粒度過(guò)細(xì)，砂中粉塵過(guò)多或砂粒受潮含水分過(guò)多，導(dǎo)致第二層涂料與面層砂結(jié)合不牢而產(chǎn)生分層。⑤面層砂過(guò)細(xì)會(huì)造成背面過(guò)平，不利于上下兩層牢固結(jié)合，易造成型砂-涂料分層。

（2）防止措施 ①調(diào)整涂料中水玻璃的模數(shù)，使其在M=3.0～3.4；控制制殼場(chǎng)地的溫度不要過(guò)高，應(yīng)保持在22～26℃為宜，在可能的情況下應(yīng)安裝空調(diào)；浸涂料后要控制撒砂時(shí)間，當(dāng)涂料均勻、完整地覆蓋在蠟?zāi)５谋砻嫔蠒r(shí)，應(yīng)立即撒砂。②型殼硬化前的自然干燥時(shí)間由模組的大小、復(fù)雜程度、粘結(jié)劑中的Na2O含量、涂料的黏度，以及制殼場(chǎng)地的室溫、空氣的相對(duì)濕度和空氣的流通等因素有關(guān)，一般選用15～40min。生產(chǎn)中常以型殼“不濕不白”為選擇時(shí)間的依據(jù)。硬化后應(yīng)充分晾干，可以使殘留的硬化液繼續(xù)對(duì)型殼擴(kuò)散滲透硬化，可以減少型殼表面殘留硬化劑，以利于涂料層之間的緊密結(jié)合；晾干時(shí)間的長(zhǎng)短與制殼場(chǎng)地的溫度、相對(duì)濕度、硬化劑種類(lèi)等因素有關(guān)。當(dāng)室溫為18～30℃，相對(duì)濕度為40%～60%，用氯化銨硬化劑硬化時(shí)，面層晾干時(shí)間為30～45min，加固層晾干時(shí)間為15～30min（為了提高生產(chǎn)效率，加固層可以不晾干，或縮短晾干時(shí)間）。氣溫低，濕度大時(shí)則應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)晾干時(shí)間，以型殼“不濕不白”為佳。③降低第二層（過(guò)渡層）的涂料黏度，必要時(shí)加入適量的表面活性劑，降低涂料的表面張力，增加涂料的潤(rùn)濕作用，改善涂掛性；還可以改善涂料的滲透性，使涂料均勻地滲入面層砂粒的間隙之中。④注意撒砂操作，及時(shí)清除浮砂。面層撒砂的粒度不要過(guò)細(xì)，以40/70目（粒徑為0.45～0.224mm）為宜；面層砂要干燥，粉塵少，一般要求面層砂的含水量和粉塵量≤0.3%（占水玻璃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。⑤合理地選用面層砂，一般選用50/100目（粒徑為0.355～0.154mm）或40/70目的型砂。

三、酥松

特征：型殼層間結(jié)合松散，呈現(xiàn)酥松狀態(tài)，如圖9所示。

（1）產(chǎn)生原因 ①粘結(jié)劑中起粘結(jié)作用的SiO2含量太低，如水玻璃的模數(shù)過(guò)低或密度過(guò)小，因而降低了型殼層間的結(jié)合力，使型殼產(chǎn)生酥松。②涂料中的粘結(jié)劑與耐火材料配比過(guò)低，即粘結(jié)劑的含量太低，因而使型殼產(chǎn)生酥松。③粘結(jié)劑存放時(shí)間長(zhǎng)而變質(zhì)，導(dǎo)致型殼各層間結(jié)合不牢，使型殼產(chǎn)生酥松。④耐火材料中的雜質(zhì)多，尤其是堿性雜質(zhì)多，或型砂中的粉料多，這些都導(dǎo)致涂料與型砂的結(jié)合不牢，使型殼產(chǎn)生酥松。⑤型殼脫蠟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，“煮爛”型殼。

圖8 撒砂過(guò)早形成的堆積

圖9 焙燒后的型殼酥松

（2）防止措施 ①配制涂料時(shí)應(yīng)控制水玻璃的模數(shù)和密度，保證涂料中SiO2的含量。②適當(dāng)增加涂料中的粘結(jié)劑含量，使其完全浸潤(rùn)、包裹耐火材料。生產(chǎn)中執(zhí)行“涂料配比-黏度-溫度”曲線(xiàn)。③加強(qiáng)粘結(jié)劑保管；必要時(shí)，粘結(jié)劑在使用前應(yīng)檢驗(yàn)，合格后方可投入生產(chǎn)。④?chē)?yán)格控制耐火材料中的雜質(zhì)，尤其是堿性雜質(zhì)，以及型砂中的粉塵，使其滿(mǎn)足工藝要求。⑤石蠟-硬脂酸蠟料，水玻璃型殼脫蠟時(shí)，應(yīng)“高溫快速”，即脫蠟液的溫度控制在95～98℃，脫蠟時(shí)間為15～20min，不超過(guò)30min。

四、面層剝落

當(dāng)面層砂與過(guò)渡層涂料分層進(jìn)一步加劇時(shí)，型殼面層剝落，如圖10、圖11所示。

（1）產(chǎn)生原因 ①型殼的1～2層硬化、晾干（風(fēng)干）過(guò)度。②型殼表面層析出茸毛，降低表面層強(qiáng)度。③也適用于型殼分層的逐項(xiàng)原因。

（2）防止措施 ①選用合理的制殼工藝，尤其是嚴(yán)格控制型殼面層硬化前的自然風(fēng)干時(shí)間，以及硬化效果與硬化的晾干時(shí)間，以型殼“不濕不白”為宜。②控制型殼脫蠟后的存放時(shí)間，及其存放場(chǎng)地的溫度和濕度等（參見(jiàn)“茸毛”的防止措施）。③也適用于型殼分層的逐項(xiàng)措施。

五、茸毛

特征：型殼的表面上有白色茸毛狀析出物(見(jiàn)圖12)，也稱(chēng)為白毛。

（1）產(chǎn)生原因 ①型殼在硬化時(shí)，由于硬化劑的濃度過(guò)低或硬化時(shí)間過(guò)短，或水玻璃的密度過(guò)大，涂料的黏度過(guò)高，硬化不充分；硬化過(guò)程的反應(yīng)產(chǎn)物氯化鈉和氯化銨都易溶入水，在濕態(tài)時(shí)，它們都以水溶液的形式存在于型殼中（尤其是脫蠟液中添加氯化銨補(bǔ)充硬化所生成的鹽以水溶液的形式存在于型殼中）。殘留的鈉鹽過(guò)多。②型殼脫蠟后，當(dāng)存放干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，型殼內(nèi)硬化反應(yīng)時(shí)生成的鹽分和殘留的硬化液，隨水分的蒸發(fā)擴(kuò)散、遷移到型殼的表面，并沿著析出孔道堆積生長(zhǎng)成茸毛狀物質(zhì)。而且制殼工作場(chǎng)地濕度較大時(shí)，這種現(xiàn)象更嚴(yán)重。據(jù)資料介紹，茸毛中的80%是氯化鈉，20%是氯化銨。③型殼脫蠟后，沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行低溫烘培，促使硬化反應(yīng)產(chǎn)物隨水分的蒸發(fā)擴(kuò)散、遷移到型殼的表面，并沿著析出孔道堆積生長(zhǎng)成茸毛。④脫蠟過(guò)程中，沒(méi)有及時(shí)補(bǔ)加氯化銨或鹽酸等，使其保持一定的酸度；脫蠟液沒(méi)有定期檢測(cè)或更換。

（2）防止措施 ①應(yīng)嚴(yán)格控制水玻璃的密度和涂料的黏度；采用合理的硬化工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制硬化液的濃度、溫度和硬化時(shí)間；硬化后，充分晾干，以減少型殼殘留的鈉鹽。②控制型殼存放場(chǎng)地的溫度和濕度；合理安排生產(chǎn)，型殼脫蠟后存放的時(shí)間不易過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)及時(shí)焙燒、澆注。③脫蠟后的型殼，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行低溫烘培，使水分來(lái)不及溶解較多的鹽類(lèi)就被迅速蒸發(fā)。④脫蠟液中應(yīng)及時(shí)補(bǔ)加氯化銨3%～8%，或1%的鹽酸，使其保持一定的酸度。但不宜補(bǔ)加過(guò)多，以免補(bǔ)充硬化反應(yīng)生成的鹽類(lèi)溶于水中，并定期更換脫蠟液，清理脫蠟槽。

如果型殼已經(jīng)生成茸毛，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焙燒；也可以在焙燒前，用熱水沖洗，或用濕布將其擦拭掉。

六、結(jié)語(yǔ)

（1）水玻璃涂料是水玻璃型殼的重要組成部分。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(shí)涂料又要具有良好的工藝性，如涂掛性、流動(dòng)性、分散穩(wěn)定性及懸浮穩(wěn)定性等。

（2）硬化是制殼中重要的一個(gè)工藝過(guò)程，必須嚴(yán)格控制硬化劑的濃度、溫度和硬化時(shí)間，確保型殼充分硬化。

（3）合理的制殼工藝，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮饕?guī)程，適時(shí)的員工培訓(xùn)，以及必要的獎(jiǎng)懲制度，是獲得優(yōu)質(zhì)型殼的根本保證。型殼制作不僅是一項(xiàng)技術(shù)，更是一門(mén)手藝。

圖10 型殼面層局部剝落

圖11 型殼面層大面積剝落

圖12 茸毛狀析出物