水玻璃型殼熔模鑄造制殼工藝過程控制

董麗華

摘 要：近年來，隨著中國的鑄造業(yè)發(fā)展迅速。其中由于熔模鑄造可以做到少切削，不切削，復(fù)雜件成型率高，生產(chǎn)工藝水平越來越高，其市場也越來越大。而大部分的鑄件生產(chǎn)任然采用的是水玻璃工藝，這種工藝最大的問題就是不穩(wěn)定性，所以對水玻璃制殼質(zhì)量控制要求和生產(chǎn)管理要點(diǎn)的討論就顯得很有必要。實(shí)踐證明，通過加強(qiáng)關(guān)鍵工序的控制和質(zhì)量因素的綜合控制，產(chǎn)品質(zhì)量和成品率會有了顯著的提高。

關(guān)鍵詞：水玻璃；熔模鑄造；制殼；工藝；控制

中圖分類號：TG249.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0086-02

由于水玻璃粘結(jié)劑的價(jià)格低廉，制殼周期短，因此在我國廣泛采用水玻璃工藝精密鑄造。但是，與傳統(tǒng)砂型鑄造相比，水玻璃殼型鑄造成本高，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長。型殼是影響鑄件質(zhì)量的重要因素之一。如何控制其質(zhì)量具有重要意義。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，對殼的原材料控制和管理和制殼工藝的改善，改善型殼強(qiáng)度及穩(wěn)定性，從而提高鑄件質(zhì)量及其成品率。

1 原材料的選擇與控制

1.1 水玻璃

硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，南方一般被稱為水玻璃，北方一般被稱為泡化堿。硅酸鈉的形態(tài)可分為液體、固體和水淬三種形態(tài)。水玻璃可分為鉀水玻璃和鈉水玻璃。熔模鑄造中一般采用的是鈉水玻璃。水玻璃中二氧化硅和氧化鈉（或氧化鉀）的摩爾比通常稱為模數(shù)（M）。硅酸鈉是水分散體系中的無色、淺色透明或半透明粘稠液體。固體硅酸鈉是一種無色和淺色的透明或半透明玻璃。硅酸鈉在的凝固與石灰非常相似。主要通過碳化、脫水、固化三個工序來實(shí)現(xiàn)。隨著二氧化硅含量的增加，游離水蒸發(fā)，硅膠脫水成固體SiO2并固化。由于空氣中CO2濃度低，碳化反應(yīng)和固化過程非常緩慢。

1.2 水玻璃的特性

熔模鑄造生產(chǎn)時(shí)水玻璃應(yīng)為液態(tài)，純凈的水玻璃是一種外觀顯無色透明的粘滯性溶液，含有雜質(zhì)時(shí)則顯青灰色或者淡黃色。水玻璃溶液顯堿性，一般高、中模數(shù)的水玻璃的PH值為11～13。在低溫時(shí)會凍結(jié)，其冰點(diǎn)為-2～-14℃，重溶后的水玻璃性質(zhì)不變，并且可以無限溶解于水中。

1.3 水玻璃粘結(jié)劑的質(zhì)量控制

水玻璃的主要性能參數(shù)為模量（M）、密度（d）和黏度。

水玻璃的模數(shù)M是的一個重要參數(shù)，可以表示如下。M=SiO2%/Na2O%×1.032，1.032為Na2O與SiO2相對分子質(zhì)量之比。水玻璃的密度d間接指示硅酸鈉Na2O.mSiO2的濃度。m取決于SiO2和Na2O的相對含量[1]。

M和d直接影響殼體的表面強(qiáng)度、室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。在生產(chǎn)過程中，硅酸鈉的M值一般控制在3.2～3.4，表面的涂層控制在1.25～1.28g/cm3。加固層的控制范圍為1.30～1.34g/cm3。當(dāng)M和d不滿足要求時(shí)，用酸或堿調(diào)節(jié)M，用水或高密度硅酸鈉調(diào)節(jié)d。

黏度也是硅酸鈉的重要性能參數(shù)。它直接影響涂料的流動性。影響硅酸鈉粘度的因素有模數(shù)、密度、溫度等。硅酸鈉的粘度隨著M、密度增加而增加，溫度升高而降低。由于硅酸鈉中游離SiO2的存在，在儲存一定時(shí)間后，在容器底部沉積SiO2，導(dǎo)致硅酸鈉模數(shù)降低[2]。因此，在使用過程中，為保證水玻璃的穩(wěn)定性，應(yīng)在貯存后24小時(shí)再進(jìn)行使用，以確保水玻璃的到達(dá)滿足要求。

1.4 粉料對型殼質(zhì)量的影響與控制

涂層中粉料的粗細(xì)應(yīng)該是合適的（級配粉）。當(dāng)涂層中的粉料較多時(shí)，會在硬化后析出，工藝穩(wěn)定性差，導(dǎo)致鑄件表面粗糙。微粉對表面涂層有很大影響。涂層不易控制，蠟?zāi)Ｉ系耐繉犹?，產(chǎn)品的角落和溝槽嚴(yán)重積聚。焙燒后，內(nèi)表層殼體強(qiáng)度下降，砂、砂缺陷明顯增加。在實(shí)際生產(chǎn)中，合適粒徑的平均粒徑為35～50μm[3]。用該粉末制備的涂料不僅提高了粉料比，而且提高了工藝的穩(wěn)定性。

1.5 表面活性劑對型殼質(zhì)量的影響與控制

表面活性劑的主要作用是降低涂層的表面張力，增加涂層在潤滑劑上的潤濕作用，提高涂層的質(zhì)量。表面活性劑應(yīng)溶于水，表面張力低，潤濕性好，透氣性好，泡沫少，泡沫穩(wěn)定性低，與涂料組分無化學(xué)反應(yīng)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高涂料對蠟?zāi)５臐櫇衲芰Γ災(zāi)Ｏ扔孟礉嵕逑幢砻妫缓髣儦こケ砻嫔系南灪陀托晕镔|(zhì)。常用JFC加入到涂層中，降低涂層的表面張力，改善蠟?zāi)５耐扛埠蜐櫇衲芰?，降低涂層的粘度，使凝膠均勻分布并均勻地沉淀凝膠，并有助于提高強(qiáng)度。通常添加量為0.1%～0.3%，粗粉和細(xì)粉的含量不同，適宜加入[4]。

1.6 存在的問題

（1）由于硅酸鈉粘結(jié)劑的Na2O含量高，在高溫下殼的強(qiáng)度和抗蠕變性能相對硅溶膠型殼較差。同時(shí)，由于石英砂（粉），氯化銨硬化劑的選用，使鑄件的質(zhì)量等級較差。

（2）生產(chǎn)環(huán)境普片較差，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的控制能力差，相關(guān)的操作標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)管理系統(tǒng)不能很好地實(shí)施，因此不易保證精密鑄造的質(zhì)量。因此生產(chǎn)報(bào)廢率相對較高。

1.7 改進(jìn)方法及成本優(yōu)化

在生產(chǎn)過程中，使用高輸出量的硅微粉代替原石英砂粉末作為耐火材料，這種材料表面為圓形，采用這種粉料配料可以，以提高耐火材料表面的穩(wěn)定性。此外，它對固化生產(chǎn)作業(yè)管理也非常重要。穩(wěn)定的石英粉是嚴(yán)格按照生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求進(jìn)行生產(chǎn)的基礎(chǔ)，從而可以提高生產(chǎn)質(zhì)量。

2 制殼環(huán)境的控制

制殼環(huán)境主要是指生產(chǎn)時(shí)溫濕度的控制。由于水玻璃-石英粉涂層對溫度有較大的敏感性，一方面，隨著涂層溫度的升高，流動杯的密度和粘度降低。另一方面，隨著溫度的升高，凝膠化速度更快，涂層容易發(fā)生而不易發(fā)生砂體，導(dǎo)致殼體強(qiáng)度下降。因此，應(yīng)控制涂層溫度以穩(wěn)定粉液比，提高固化劑的涂層能力和滲透性。對于高溫天氣，水玻璃的模數(shù)控制在下限（做大件可適當(dāng)提高），空氣濕度可以控制在60%和80%之間。冬季車間溫度應(yīng)保持在16℃以上，表面涂層控制在20～25℃，穩(wěn)定粉液比，克服膠凝過度、過快的問題[5]。

3 制殼有關(guān)工藝操作的控制

3.1 涂料配制過程的控制

涂料的制備是通過攪拌、時(shí)效處理來均勻穩(wěn)定漿料的過程。在制備涂層時(shí)，首先將潤濕劑加入到備用的水玻璃中混合，然后將石英粉按照規(guī)定的比例加入到水玻璃中。加入后，繼續(xù)低速攪拌1小時(shí)以上。然后停止攪拌進(jìn)行時(shí)效處理（一般大于12h以上），時(shí)效處理的目的是使粘結(jié)劑和粉末充分潤濕，并在除去攪拌過程中吸附在漿料中的氣體。時(shí)效后的涂料各項(xiàng)性能趨于穩(wěn)定[6]。使用前再進(jìn)行攪拌15-20分鐘后涂進(jìn)行涂料性能檢測。

3.2 浸涂和撒砂工藝的控制

在涂裝前，必須將涂料充分?jǐn)嚢杈鶆颍⒋_保涂料粘度和涂片重量重新測量并調(diào)整到合格的范圍內(nèi)。然后將模組浸入漿料中，上下移動和旋轉(zhuǎn)，并在提出后將多余的漿料滴除，使涂層均勻地覆蓋在模組表面上，模組沒有局部堆積或涂層。對于模組中的深孔、凹槽和凹角，應(yīng)采用壓縮空氣進(jìn)行噴涂，必要時(shí)用刷子去除多余漿料及氣泡。

制殼時(shí)砂的粒度從表層到后層逐漸增大。對于表面砂，如果粗顆粒砂將穿透涂層，破壞模組表面，最終會導(dǎo)致鑄件表面粗糙度降低，但細(xì)砂顆粒會導(dǎo)致平坦的背部，這不利于下一級的砂料的結(jié)合。從而可能會導(dǎo)致型殼出現(xiàn)分層。因此，生產(chǎn)中的一般表層砂為30-50目或50-70目（根據(jù)產(chǎn)品大小確認(rèn)），過渡層為20/40目砂，背砂為6-20目或10-20目。過分集中使用某一種目數(shù)的砂料是不合適的。同時(shí)，要注意去除撒砂后表面上的浮砂。

3.3 硬化過程的影響與控制

硬化劑的選擇和硬化過程的控制同樣是水玻璃工藝過程控制的重點(diǎn)。NH4Cl作為一種硬化劑，存在著污染環(huán)境、腐蝕設(shè)備和殼體強(qiáng)度等問題。結(jié)晶氯化鋁硬化殼具有強(qiáng)度高、收縮大、表面質(zhì)量差、砂料難清理等特點(diǎn)。為了克服這兩種固化劑的缺點(diǎn)，采用氯化銨和結(jié)晶氯化鋁兩種硬化劑硬化處理，即用氯化銨對1～3層進(jìn)行硬化處理，4～7層用結(jié)晶氯化鋁進(jìn)行固化，近些年由于環(huán)保的要求不管提高面層采用氯化銨硬化液污染環(huán)境，目前可采用氯化鎂硬化液進(jìn)行面層硬化，既可以保證模殼強(qiáng)度又減少環(huán)境污染[7]。

NH4Cl作為硬化劑的濃度一般控制在20%～25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。在生產(chǎn)中，為了縮短硬化時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，我們采用飽和溶液。硬化時(shí)間通常控制在20-40分鐘（取決于模組的大?。S后進(jìn)行自然風(fēng)干30-120分鐘（取決于溫度度），必要時(shí)可以增加電風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制快速風(fēng)干。

由于硬化劑在水中的溶解度隨著溫度的升高而增加，因此在生產(chǎn)中，特別是對于我國北方的生產(chǎn)車間，有必要對車間和溶液的溫度進(jìn)行控制。采用加熱措施以提高其溶解性，以更好的促進(jìn)硬化效果，并且提高車間或漿料溫度可以保證漿料良好的流動性及更加穩(wěn)定的生產(chǎn)環(huán)境。

4 結(jié)語

通過對上述型殼質(zhì)量影響因素的綜合控制，使殼體質(zhì)量穩(wěn)定，鑄件表面缺陷明顯減少，鑄件質(zhì)量得到提高。總之，為了穩(wěn)定水玻璃外殼在生產(chǎn)中的質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格控制水玻璃和石英粉的質(zhì)量；努力改善控制制殼車間的溫濕度；確保漿料有足夠的回性時(shí)間；砂料粗細(xì)合理，撒砂必須到位；硬化液保證足夠的濃度，硬化時(shí)間風(fēng)干時(shí)間合理。

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