精鑄硅溶膠型殼工藝設(shè)計(jì)的改進(jìn)

-.z.精鑄硅溶膠型殼工藝的改良一.前言：眾所周知，全球精鑄界通用的硅溶膠型殼工藝存在三大缺點(diǎn)：1.本錢(qián)高。2.制殼周期長(zhǎng)。3.鑄件脫殼性差〔型殼殘留強(qiáng)度高〕。據(jù)統(tǒng)計(jì)，外表層型殼通用的耐火料鋯英石砂、粉占型殼原輔材料本錢(qián)的48%，占總生產(chǎn)本錢(qián)的10%〔平均值〕[1]。優(yōu)質(zhì)鋯英石資源稀缺，因而尋找它的代用品或減少其消耗量是當(dāng)今國(guó)外精鑄界共同關(guān)心，重點(diǎn)研究的課題之一?！翱旄扫暪枞苣z的推廣應(yīng)用和真空枯燥設(shè)備的逐步完善，緩解了制殼周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。由于硅溶膠型殼高溫強(qiáng)度高〔是水玻璃型殼的6.7倍〕，其相應(yīng)的殘留強(qiáng)度也高〔是水玻璃型殼的2.8倍〕，因而鑄件的脫殼性能比水玻璃差得多。加之大局部生產(chǎn)的精鑄件是構(gòu)造復(fù)雜的中小件，型殼殘留強(qiáng)度高會(huì)嚴(yán)重影響后處理工序生產(chǎn)效率和增加材料工時(shí)本錢(qián)、降低鑄件外表質(zhì)量，延誤交貨期。我們通過(guò)學(xué)習(xí)國(guó)外同行的先進(jìn)經(jīng)歷，經(jīng)過(guò)多年的努力研究和實(shí)踐，在降低硅溶膠型殼生產(chǎn)本錢(qián)和改善脫殼性方面取得了一定成效，特向精鑄界作一介紹，以期到達(dá)拋磚引玉的目的。二.外表層制殼工藝的改良：〈一〉.鋯英石粉料的代用—長(zhǎng)期以來(lái)鋯英石是全球精鑄業(yè)首選的型殼外表層耐火料。正如2007年美國(guó)精鑄學(xué)會(huì)〔ICI〕第54屆年會(huì)論文所言：“鋯英石與多種合金反響低、密度高、熱化學(xué)性能好，要尋找替代用品是困難的〞。[2]

1.

美國(guó)在2006年前面層涂料的典型工藝是在鋯英粉中摻加5-10%〔質(zhì)量〕的熔融石英粉。其主要目的是：降低本錢(qián)，提高鑄件尺寸精度和改善脫殼性、透氣性。國(guó)外重點(diǎn)工藝改良方向是：充分利用熔融石英純度高，雜質(zhì)少，密度和熱膨脹系數(shù)小，加上高溫“析晶〞，低溫“相變〞的特點(diǎn)，使型殼在高溫時(shí)保持高強(qiáng)度而在低溫時(shí)因相變產(chǎn)生劇烈收縮〔-3.7%〕致使型殼殘留強(qiáng)度大大降低，從而使鑄件脫殼性、透氣性、尺寸精度提高。自2007年起，通過(guò)技術(shù)改良美國(guó)已有80%的精鑄企業(yè)外表層涂料中的熔融石英粉摻入量已提高至50%〔按體積比為68.7%〕。其中更有20%工廠其石英摻入量高達(dá)75%〔按體積比86.8%，鋯粉僅占14.2%〕[3]

2.

我們根據(jù)分析和試驗(yàn)證實(shí)其工藝改良的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)有兩方面：a．通過(guò)采用高致密度即優(yōu)良級(jí)配的粉料提高了外表層涂料的工藝性能。其中主要是“覆蓋性〞〔涂層平均厚度δ〕和致密性〔粉液比n或粉料在涂料中的體積濃度k%〕兩項(xiàng)。以往進(jìn)口原包裝澳大利亞鋯粉配制的涂料其粉液比多為：〔ηΦ4=40±5s〕而近年來(lái)已提高到。國(guó)加工的鋯粉則仍大局部為。b．在外表層涂料中參加少量〔0.1%-0.2%占硅溶膠質(zhì)量〕“分散劑〞。它可在不影響涂料其他工藝性能前提下提高了涂料平均厚度〔δ〕15-25%(表三)。同時(shí)還能改善涂料的均勻性，懸浮性。使涂掛性和均勻性很差的熔融石英在鋯英粉—硅溶膠涂料中摻入量有原5-10%提高到50%-75%。試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐充分證明了上述結(jié)論。從表一、二、三、四試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：1.

要提高混合涂料〔鋯英粉—熔融石英粉硅溶膠涂料〕中熔融石英的摻入量，應(yīng)采用較高致密度〔〕的鋯英粉〔表一〕及熔融石英粉〔n=1.5〕。這兩種粉料配制的混合涂料〔鋯粉70%+熔融石英粉30%〕其致密性〔k=44-48.5%〕，ηΦ4=40±5(s)，δ〔表七〕，才能滿足生產(chǎn)工藝要求。2.

混合涂料用粉料粒度要求應(yīng)符合表五規(guī)定。注：1.采用GSL-101BI型“激光顆粒度測(cè)定儀〞測(cè)定〔市儀器儀表研究所生產(chǎn)〕。2.粒度判定以DV90，DV50及Wo%三項(xiàng)指標(biāo)為主要依據(jù)。DV98，DV84為參考指標(biāo)。3.無(wú)粒度檢測(cè)條件時(shí)，可將待測(cè)粉料與“標(biāo)準(zhǔn)〞硅溶膠配制成“標(biāo)準(zhǔn)〞涂料來(lái)判定粉料粒度大小及組成是否符合〔表七〕各項(xiàng)工藝性能指標(biāo)規(guī)定。3.

砂粉料〔鋯英石及熔融石英石〕的物理化學(xué)性能要求：⑴.鋯英石砂粉的物理性能應(yīng)符合“中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)精細(xì)鑄造分會(huì)〞標(biāo)準(zhǔn)CICBA/C02.09-1999規(guī)定，但應(yīng)確定砂、粉中游離鐵〔磁性物〕含量。即加工過(guò)程中混入的磁性物雜質(zhì)〔表九〕。⑵.熔融石英砂、粉，我國(guó)尚無(wú)精鑄業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，參考國(guó)外資料結(jié)合我國(guó)生產(chǎn)廠具體情況暫按表八驗(yàn)收。4.為改善混合涂料的工藝性能，提高熔融石英的參加量，涂料嚴(yán)格選用優(yōu)質(zhì)的粉料和合理進(jìn)展兩種粉料的級(jí)配外，參加適量的“添加劑〞是不可缺少的措施[6]。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：無(wú)論在鋯英粉，熔融石英粉或兩者配制的混合涂料中參加少量的“分散劑〞能較大幅度地提高涂料的屈服值。使涂料覆蓋性〔涂層平均厚度〕提高，這正是國(guó)外精鑄界能使鋯英粉—硅溶膠涂料中熔融石英粉摻入量由原來(lái)5-10%提高到50-75%的主要原因和重要措施之一。5.由表十一，十二及十三實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：⑴.在外表層涂料中參加少量“分散劑〞能改變硅溶膠涂料的流變特性，增加涂料的屈服值從而可提高涂掛性和覆蓋性〔涂層平均厚度〕δ可提高15-25%。同時(shí)由于“分散劑〞作用能使粉料“分散〞不易“結(jié)團(tuán)〞。使平均粒徑減小因而δ增加。雖然粉液比n略有下降，但致密性k%仍在要求圍之〔表七〕。涂料的均勻性，懸浮性，涂掛性和流平性均有提高?！鞍褰Y(jié)〞“老化〞時(shí)間延長(zhǎng)〔穩(wěn)定性提高〕。⑵.由表十三可見(jiàn)：混合涂料中熔融石英粉摻入量可由原30%提高到50%，主要是通過(guò)“分散劑〞參加后得到的效果。⑶.“分散劑〞的作用原理是：高分子長(zhǎng)鏈會(huì)形成網(wǎng)狀構(gòu)造使涂料中細(xì)粉質(zhì)點(diǎn)不易按觸合并成大顆粒。使粉料在涂料中分布更分散和均勻。細(xì)粉〔0.2-10μm〕含量增加δ增厚提高了硅溶膠涂料的屈服值，不僅提高了涂料工藝性能，而且對(duì)穩(wěn)定和提高鑄件〔型殼〕外表質(zhì)量和增加型殼透氣性有利。粉液比適當(dāng)減小，涂料本錢(qián)也能降低，但應(yīng)控制在合格圍〔表七〕。<二>．外表層涂料加“鋯砂〞工藝[5]

為了提高面層型殼〔涂料〕的致密性。我們?cè)谕獗韺油苛现型鈪⒓?0%的鋯英砂〔100/200目〕〔占鋯粉質(zhì)量〕。其效果是由于“砂粒〞的摻入，提高了面層型殼枯燥時(shí)抗拉強(qiáng)度，硅溶膠在失水、枯燥收縮時(shí)可防止面層型殼產(chǎn)生裂紋。這對(duì)于大平面或外外表積較大和鑄件構(gòu)造復(fù)雜、外壁枯燥速度差異大的鑄件特別有效。長(zhǎng)江廠生產(chǎn)的“容積器〞壁厚5mm，凈重15kg，腔深200mm。過(guò)去外表層型殼須自干12小時(shí)以上，往往外外表已出現(xiàn)裂紋，鑄件60-80%出現(xiàn)“飛翅〞或“流紋〞〔線性缺陷〕。在外表層涂料中加砂后，多批生產(chǎn)260件，無(wú)一出現(xiàn)這類(lèi)缺陷?；旌贤苛现胁灰藚⒓用芏忍〉娜廴谑⑸?，否則會(huì)在攪拌機(jī)底部及四周沉積。而參加密度大的鋯砂無(wú)此現(xiàn)象。全鋯粉或混合硅溶膠涂料加鋯砂后均能改善涂料工藝性能，提高其致密性、流動(dòng)性、流平性和均勻性。減少了由涂料在復(fù)雜型腔堆積而造成的“鐵豆〞，穿鋼等缺陷。尤其可降低型殼開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，其作用猶如在大平面水泥路上摻入砂、石，可防止水泥漿在失水枯燥收縮時(shí)開(kāi)裂的原理一樣。實(shí)踐證實(shí)，細(xì)砂在涂料中參加量未影響鑄件外表粗糙度。當(dāng)然，砂粒的粒度不宜過(guò)粗，以常用的100/200目或140/270目為宜〔粒徑為最正確〕不宜超過(guò)涂料層厚度。目前這一工藝已為多家硅溶膠型殼和水玻璃型殼精鑄應(yīng)用。效果良好。綜上實(shí)驗(yàn)及一年生產(chǎn)實(shí)踐關(guān)于外表層涂料〔不管是全鋯粉或混合涂料〕中參加鋯英砂10%這一工藝措施，其主要特點(diǎn)如下：1.涂料加砂后除涂料致密性k%提高了4%左右，而其他工藝性能均未改變，但涂料的流平性，均勻性得到提高，外表層型殼強(qiáng)度〔抗裂性〕有所提高，硅溶膠在失水膠凝后的收縮應(yīng)得以分散使外表層型殼開(kāi)裂傾向降低，這對(duì)于大平面件，尤其是復(fù)雜型腔外枯燥不均勻的鑄件最有價(jià)值，可大大減少外表產(chǎn)生飛翅〔披鋒〕或“流紋〞缺陷。2.型殼外表致密性的提高，鑄件外表質(zhì)量相應(yīng)提高，致密而光潔，使外觀缺陷減少。3.這一工藝同樣適合于水玻璃型殼。適合于涂料工藝性能較差的混合涂料?！蹭喎邸廴谑⒎邸彻枞苣z，或白剛玉—硅溶膠涂料〕。<三>．鋯英砂的代用——生產(chǎn)中外表層撒砂料消耗量和本錢(qián)略高于粉料。美國(guó)精鑄業(yè)雖然大局部用熔融石英粉取代了鋯英粉，但95%的工廠仍采用鋯英石撒砂料。只有少量企業(yè)用熔融石英粉或雷馬斯砂〔相當(dāng)于我國(guó)的燒結(jié)鋁礬土〕國(guó)精鑄廠已有許多工廠已在上產(chǎn)中批量投產(chǎn)試用優(yōu)質(zhì)的電熔白剛玉砂，完全取代了鋯英砂。實(shí)踐證明，只要選用純度高、雜質(zhì)少、游離鐵〔FeO%〕及含量低的精鑄用電熔白剛玉撒砂料。不會(huì)造成型殼殘留強(qiáng)度高，鑄件脫殼性惡化的問(wèn)題。外表層型殼、撒砂料只有密度高才能順利進(jìn)入復(fù)雜型腔、小孔、窄孔固定涂層。因而生產(chǎn)復(fù)雜件，目前只有剛玉砂可以替代鋯砂。較低密度的高嶺石和熔融石英均難以應(yīng)用〔碳鋼件，簡(jiǎn)單件例外〕。撒砂料的粒度應(yīng)符合表十四規(guī)定〔參照CICA標(biāo)準(zhǔn)〕測(cè)定，商品代號(hào)為80/120目的精鑄用砂，實(shí)際大多為100/200目。撒砂粒度過(guò)粗易造成型殼“蟻孔〞，鑄件產(chǎn)生“毛刺〞缺陷。過(guò)細(xì)則會(huì)造成外表層型殼“分層〞或“裂紋〞。鑄件外表生成“流紋〞或“飛翅〞缺陷。故其粒徑應(yīng)在為宜，即100/200目〔表十四〕。其含粉量＜0.2%〔過(guò)300目即d＜0.045mm〕外表層撒砂的粒徑分布的要：相對(duì)集中，適度分散<四>．目前我們廠精鑄件外表層型殼生產(chǎn)工藝為：1.外表層制殼工藝—①.涂料配比：鋯英粉70%+熔融石英粉30%，外加10%鋯英砂〔占鋯粉質(zhì)量〕〔300-400目〕(200-270目)

②.撒砂：100%電熔白剛玉〔100/200目〕〔三星白剛玉廠〕2.鋯英砂物化性能：按CICBA/C02-09-1999，粒度按表五或表七驗(yàn)收。FeO則應(yīng)符合表九規(guī)定。涂料中加鋯砂粒度按表十四。3.外表層型殼用電熔白剛玉砂的物化性能同鋯英石可查標(biāo)準(zhǔn)。4.目前我們正在小批試用涂料中加“分散劑〞，盡早采用鋯粉50%+熔融石英粉50%的外表層混合涂料，力爭(zhēng)早日到達(dá)國(guó)外先進(jìn)工藝水平。5.據(jù)統(tǒng)計(jì)，外表層涂料熔融石英粉摻入量30%，撒砂100%改用電熔白剛玉砂，工藝改良后，型殼材料本錢(qián)每月可降低2.3萬(wàn)元，年節(jié)約達(dá)27萬(wàn)元。三．背層制殼材料的選用及工藝改良：(一)砂粉料合理選用：硅溶膠型殼三大缺點(diǎn)之一是型殼殘留強(qiáng)度過(guò)高，鑄件脫殼性差。不僅與外表層或過(guò)渡層有關(guān)，還常和背層型殼耐火材料的合理選擇關(guān)系密切。背層型殼耐火砂、粉料雖在其單價(jià)本錢(qián)比面層低得多(只有鋯英石的1/10以下)，但因?qū)訑?shù)多，每噸合格鑄件約須消耗1.2噸耐火料，因而其在生產(chǎn)本錢(qián)中也占相當(dāng)大的比例，國(guó)不少精鑄企業(yè)在背層耐火料的選用上常將價(jià)格因素放在第一位，選購(gòu)“價(jià)廉、質(zhì)次〞的砂粉料，其后果往往是鑄件返修率、報(bào)廢率和型殼破損、漏鋼率增加，后處理本錢(qián)大幅增高，鑄件生產(chǎn)綜合本錢(qián)往往高過(guò)耐火料差價(jià)，結(jié)果是得不償失。背層耐火料選購(gòu)也應(yīng)以“高性價(jià)比〞為宗旨才是上策，其中背層砂、粉料要特別注意以下幾項(xiàng)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：1．鋁硅系耐火料中的游離鐵FeO%(磁性物)含量，它是影響型殼高溫強(qiáng)度和殘留強(qiáng)度的主要因素，我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中未見(jiàn)注明這一項(xiàng)重要指標(biāo)，型殼焙燒澆注時(shí)的漏裂、變形和殘留強(qiáng)度過(guò)高，脫殼困難均與此有關(guān)，不同生產(chǎn)方式，去除FeO%效果差異很大(表十)，高嶺石FeO%含量相差倍，采購(gòu)時(shí)應(yīng)按表九(推薦值)進(jìn)展。2．砂、粉料的煅燒應(yīng)以灼減(燒失量)W<0.5%為驗(yàn)收依據(jù)，但很少企業(yè)在進(jìn)料時(shí)檢測(cè)其W%值，煅燒不完全也是造成型殼變形、開(kāi)裂和殘留強(qiáng)度高的主要因素之一。3．背層鋁硅系耐火料的“礦物組成〞(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中也未見(jiàn)標(biāo)注)，其中水鋁石含量(或高嶺石含量)是驗(yàn)收判別高嶺石和低等鋁礬土的主要指標(biāo)之一(化學(xué)成分Al2O3等相近)(表十六)。4．回用型殼的應(yīng)用。全球精鑄界如美國(guó)、日本等都非常重視廢殼的回收再利用，經(jīng)過(guò)多年的探討試用，國(guó)不少硅溶膠型殼(或水玻璃型殼)精鑄廠也用于第三層以后的背層(砂或粉)，其本錢(qián)僅為新料的1/2，經(jīng)過(guò)高溫焙燒和澆注型殼煅燒完全(灼減量W<0.3%)，而且經(jīng)權(quán)威單位檢測(cè)回收砂粉中鋯英石含量高達(dá)14%左右，只要通過(guò)屢次強(qiáng)磁除鐵(去除FeO%磁性物)，F(xiàn)eO%可到達(dá)表九要求。加之篩分除灰分(砂料)及過(guò)篩到達(dá)背層型殼常用的粒度要求即可使用，不少單位在背層中摻加50%與新料搭用，連續(xù)使用五次，第一次的回用料含量?jī)H剩3.15%左右，廢殼回用變廢為寶，更是資源循環(huán)利用，降本增利的有效途徑，各廠應(yīng)根據(jù)鑄件要求，從沾漿層開(kāi)場(chǎng)采用逐步推廣到背層(第2層不用)。(二)背層涂料的工藝改良：長(zhǎng)江廠從2006年起就在探討改善硅溶膠型殼脫殼性問(wèn)題，盡管在外表層中已采用了新制殼工藝，改良了外表層涂料和撒砂材料取得了一定成效，但鑄件脫殼性仍不能令人滿意。我們決定從背層著手，在保證型殼強(qiáng)度前提下盡可能降低型殼殘留強(qiáng)度。自2013年五月份起，通過(guò)屢次反復(fù)試制，小批投產(chǎn)，目前已正式批量生產(chǎn)應(yīng)用，主要工藝要點(diǎn)是在背層(從第2—3層開(kāi)場(chǎng))在涂料中采用(高嶺石粉40%+普通石英粉60%)配比(撒砂全部仍用高嶺石砂)，其中第二層或過(guò)渡層采用精制石英粉，背層用普通石英粉即可(降低本錢(qián))，外表層按本文前述工藝。通過(guò)比照，長(zhǎng)江廠最難脫殼的鑄件支管(304，重0.8kg)，以往震殼只能將Φ18彎孔中20%砂殼震出，然后要滾拋1-2小時(shí)(鋼丸)，再由用人工用震動(dòng)鎬夾持鋼筋掏、挖彎孔存砂，清理十分困難?，F(xiàn)改用新工藝背層涂料后，型殼高溫強(qiáng)度正常，殘留強(qiáng)度大幅下降，震殼時(shí)一分鐘彎孔砂殼全部震出，再經(jīng)吊拋(丸)20-30分鐘即可酸洗鈍化，效率提高一倍以上，其他零件也相應(yīng)提高了除殼效果，生產(chǎn)15kg的容積器也未見(jiàn)型殼漏裂、制殼層數(shù)如常，尺寸精度未有變化，目前已全面投產(chǎn)，背層耐火料本錢(qián)降低了1/2，脫殼生產(chǎn)效率大大提高。四．完畢語(yǔ)：1．合理選用制殼耐火料是硅溶膠型殼工藝改良及穩(wěn)定和提高鑄件質(zhì)量的根底，“高性價(jià)比〞是采購(gòu)的根本原則。2．外表層型殼工藝改良的主要方向是：采用鋯英粉-熔融石英混合(硅溶膠)涂料，減少鋯英粉用量是降