水玻璃自硬砂在鎳鋁青銅合金中的應(yīng)用

水玻璃自硬砂在鎳鋁青銅合金中的應(yīng)用

我們工廠生產(chǎn)的主要發(fā)動機(jī)系列為銅鋁垂直銅屑，標(biāo)志為al9ni4af4mm。2007年以前,一直采用傳統(tǒng)的CO2硬化水玻璃砂制作鑄型,由于使用普通水玻璃做黏結(jié)劑,加入量較大,吃砂量較大的鑄型(芯)在烘烤后,水分殘留量仍很大,鑄件易產(chǎn)生氣源性縮孔、縮松、氣孔、渣孔、夾砂、結(jié)疤等鑄造缺陷。另外,通入CO2固化以及烘烤鑄型所需時間較長,生產(chǎn)效率較低;而且這種型砂只能一次性使用,不能回用;對于含有一定量的水玻璃廢砂還要求做無害化處理,成本很高。現(xiàn)在,我廠使用有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂制作鑄型,使鑄件的氣源性鑄造缺陷得到了有效控制,顯著提高了鑄件質(zhì)量;舊砂再生率明顯提高,大大降低了生產(chǎn)成本,同時還提高了生產(chǎn)效率,改善了環(huán)境污染。1由銅硫酸鈉al9ni4f4nm2制成的性能特征1.1固結(jié)性能合金的結(jié)晶溫度范圍小,約30℃左右,屬于層狀凝固;流動性好,體積收縮大,容易形成集中縮孔等。1.2氧化傾向合金中含有較多的、極易被氧化的鋁元素,高溫金屬液在充型過程中,極易發(fā)生氧化反應(yīng),形成懸浮性的Al2O3二次氧化渣,很難清除。1.3吸入傾斜合金的高溫金屬液的蒸汽壓比黃銅和錫青銅都低,再加上鎳元素的存在,因此吸氣傾向大。2鑄造鎳鋁青銅的自硬砂由于鑄造鎳鋁青銅合金有上述鑄造性能弱點(diǎn),采用傳統(tǒng)的CO2硬化水玻璃砂制作鑄型不僅增加了廢砂處理成本,且廢品率高。據(jù)此,我們嘗試采用有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂作為鑄造鎳鋁青銅合金造型用砂。經(jīng)近3個月的反復(fù)試驗,其工藝基本成熟。且將有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂與CO2水玻璃自硬砂的性能特點(diǎn)作了詳細(xì)分析比較、評價,如表1所示。3有機(jī)硬水玻璃自硬砂的工藝方法和特點(diǎn)3.1硬水有機(jī)化合物玻璃的制造3.1.1造原輔材料質(zhì)量鑄造原砂、再生砂、黏結(jié)劑、固化劑等鑄造原輔材料的質(zhì)量,直接影響著型砂液料加入量、型砂性能、砂型固化速度、鑄型強(qiáng)度、再生砂回收率等各項技術(shù)工藝要求。3.1.2原砂及再生砂的物化性質(zhì)鑄造原砂選用自然成形的、經(jīng)過水洗和烘干的天然海砂,我廠選用天然海砂。根據(jù)鑄造鎳鋁青銅合金的性能,要求鑄造原砂W(SiO2)≥97%,粒度為30～50目。所用原砂和再生砂的物理技術(shù)參數(shù)如表2所示。1)由于海砂的SiO2含量高,砂粒表面硬度也相當(dāng)高,經(jīng)過砂再生處理系統(tǒng)的離心再生砂,砂損耗極少,微粉含量減少,增加再生砂復(fù)用頻次,有利于提高再生砂的回用率;2)再生砂角形系數(shù)、粒度值變化小,穩(wěn)定減少水玻璃固化劑的加入量;3)經(jīng)烘干的原砂及再生砂,在潮濕環(huán)境條件下,吸濕性小;4)鑄型孔隙率高,透氣性好,型(芯)強(qiáng)度穩(wěn)定性好。3.1.3提高水玻璃施工質(zhì)量型砂黏結(jié)劑和固化劑使用是一種牌號為HYT-S10新型水玻璃和固化劑。新型水玻璃是一種改性水玻璃,和普通水玻璃相比,具有黏度低、濕潤角大,表面張力小,使水玻璃黏結(jié)膜在短時間內(nèi)較好地包覆砂粒表面,提高型砂的強(qiáng)度,與普通水玻璃相比強(qiáng)度提高30%以上,從而使水玻璃的加入量大大減少。我廠采用牌號HYT-G134有機(jī)酯固化劑與新型水玻璃發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)是:反應(yīng)均一,強(qiáng)失水、低失堿,硬透性好,特別在低溫、高濕,硬化性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他普通有機(jī)酯固化劑。3.2再生砂質(zhì)量控制有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂的組成為:鑄造型砂、改性水玻璃、固化劑。一般情況下,液料控制范圍為:水玻璃2%～3%;固化劑占水玻璃含量的15%～18%,即占出砂量的0.3%～0.45%。在實(shí)際生產(chǎn)中,型砂和液料的配比必須參照檢驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整,以滿足生產(chǎn)需要。須注意水玻璃加入量的控制。1)當(dāng)再生砂Na2O殘留量<0.5%時,可全部采用再生砂造型;超過0.5%時,必須按照10%～15%的比列補(bǔ)充新砂,降低再生砂中Na2O的殘留量。2)在環(huán)境溫度≥35℃,或再生砂砂溫≥30℃時,工藝試驗證明,若加入G-132型固化劑,型砂固化速度就會加快到10min之內(nèi),甚至更快。這時,應(yīng)將黏結(jié)劑更換為HYT-S106型水玻璃,并按10%～15%的數(shù)量添加G-130型固化劑,降低型砂固化速度。3)當(dāng)環(huán)境相對濕度≥70%時,將固化劑用量由15%增加到17.5%左右。型砂再生設(shè)備選用無錫錫南鑄造機(jī)械廠制造的熱法再生系統(tǒng)。砂型經(jīng)落砂機(jī)、振動破碎機(jī)、高溫焙燒爐、離心再生機(jī)、逆流冷卻器、砂溫冷卻器、再生砂氣力輸送裝置等設(shè)備系統(tǒng),自動完成型砂的落砂、破碎、除膜再生、降溫、輸送等工序的運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)場測定,處理后的再生砂,殘留的Na2O穩(wěn)定保持在0.30%以下,100目以下及微粉含量控制在0.5%～1.0%及以下,再生砂各項技術(shù)指標(biāo)能滿足造型材料的技術(shù)要求,舊砂回收率≥85%。有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂加入的改性水玻璃量少,具有潰散性良好、鑄型吸濕小、發(fā)氣量小、舊砂再生率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn);CO2硬化水玻璃砂加入的水玻璃量高,具有潰散性差、舊砂無法再生等缺點(diǎn)。針對鑄造鎳鋁青銅合金高溫金屬液極易出現(xiàn)氧化、吸氣等鑄造工藝特性,我們廣泛應(yīng)用了有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂替代CO2水玻璃砂作為鑄造螺旋槳等船用鑄件的造型材料。3.3鑄型砂箱設(shè)計有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂具有良好的流動性、硬透性、退讓性,并且強(qiáng)度比較穩(wěn)定,再根據(jù)鑄件的特點(diǎn),制定了以下的造型工藝原則:1)鑄型椿砂造型時,首先將模型的深槽(溝)、側(cè)平面、死角等部位用手或合適的椿砂工具填砂、搗實(shí);并延伸至整個鑄型平面。2)在模型型腔表面均勻分布面砂,用氣動或手動椿砂工具搗實(shí)。3)鑄型吃砂量可控制在200～250mm,提高了型砂的透氣性,也在很大程度上節(jié)約了型砂。4)由于砂箱平面面積大,并全部采用鋼板結(jié)構(gòu)焊制,為保證鑄型的整體強(qiáng)度,防止鑄型脫箱,因此在砂箱內(nèi)部設(shè)計了相應(yīng)的砂型筋骨。一般在距離鑄型型腔50～100mm的空間內(nèi),用羅紋鋼直接焊接在砂箱的箱筋(帶)下部,即可作為鑄型的筋骨。5)造型完畢,必須在鑄型上箱的型腔部位,均勻插出多個排氣孔。6)在確保鑄型質(zhì)量的前提下,確定鑄型的起模時間,當(dāng)環(huán)境溫度≥28℃時,起模時間為2～4h;當(dāng)環(huán)境溫度<28℃時,起模時間為3～4h。3.4鑄型打干鑄型由于鑄造鎳鋁青銅合金(Al9Ni4Fe4Mn2)的高溫金屬液吸氣量大,并且在充型過程中極易發(fā)生氧化反應(yīng),因此為防止型腔表面返潮,確保型腔表面干燥,并具有一定的干燥層厚度和一定的表面溫度,必須設(shè)計合理的鑄型涂料涂刷、合箱烘烤工藝。這樣能使鑄型形成高溫?zé)釟夥?與環(huán)境氣氛相對隔絕,使高溫金屬液在充型過程中降低降溫速度,有效減少吸氣傾向和2次氧化夾雜的產(chǎn)生。其注意事項如下。1)鑄型涂刷涂料前,應(yīng)先用火焰噴槍烘烤型腔表面至干燥,然后在空氣中自然冷卻,在其表面高出環(huán)境溫度10℃左右時,開始涂刷涂料。涂料采用專用的醇基剛玉涂料,涂刷前涂料必須攪拌均勻。2)對表面積大的大型鑄型型腔表面,應(yīng)分段涂刷,并及時點(diǎn)燃;對表面積小的型腔表面,可一次性涂刷完畢后,再及時點(diǎn)燃。3)完成整個鑄型型腔表面涂料涂刷后,在點(diǎn)燃燃燒的同時,應(yīng)繼續(xù)使用火焰噴槍烘烤型腔表面15～20min,然后再進(jìn)行合箱烘烤。4)鑄型等待合箱烘烤的時間不得超過2h,防止放置時間過長,型腔表面涂料產(chǎn)生返潮現(xiàn)象。5)烘烤設(shè)備采用可移動的熱風(fēng)機(jī),熱風(fēng)主要通過直澆道和冒口部位吹入,對于大型鑄件或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件,可以設(shè)計1個或幾個附加熱風(fēng)吹入口。同時在熱風(fēng)吹入口的對面或型腔末端,設(shè)置3～5個直徑為30～60mm的通風(fēng)出口。6)熱風(fēng)吹入溫度設(shè)定在200～250℃,但必須保證熱風(fēng)出口的溫度在100～150℃。根據(jù)鑄型型腔(芯)吃砂量和結(jié)構(gòu)的不同,可適當(dāng)調(diào)整溫度上限。7)根據(jù)環(huán)境溫度的變化,確定相應(yīng)合理的烘烤時間。通常情況下,環(huán)境最低氣溫≤20℃時,烘烤時間為25～30h;環(huán)境最低氣溫>20℃時,烘烤時間為15～20h。具體烘烤時間的確定,還要結(jié)合生產(chǎn)環(huán)境溫度、空氣相對濕度、生產(chǎn)條件等進(jìn)行綜合考慮。4發(fā)揮有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂生產(chǎn)工藝的作用1)鑄件質(zhì)量顯著提高。應(yīng)用有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂制作鑄型后,水玻璃加入量為2%～3%,僅是CO2硬化水玻璃砂中水玻璃加入量的1/3,同時鑄型的強(qiáng)度穩(wěn)定提高,使得鑄型的吃砂量由300～400mm降低為200～250mm,從而鑄型烘烤后的殘留水分量顯著減少,因此顯著提高了鑄件質(zhì)量,氣源性縮孔、渣孔缺陷由48.0%降低為3.5%,表面夾砂結(jié)疤缺陷由25.4%降低為4.5%。2)舊砂再生回用率顯著提高,生產(chǎn)成本明顯降低。應(yīng)用有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂生產(chǎn)工藝,舊砂再生回用率達(dá)到85%～90%,新砂的加入量僅為10%～15%,徹底改變了水玻璃砂只能一次性使用的缺點(diǎn),節(jié)約了大量原砂,大幅降低了生產(chǎn)成本。同時從根本上減少了鑄造廢砂對環(huán)境的污染,大大節(jié)省了廢砂無害化處理的費(fèi)用。我廠按年產(chǎn)150套計算,每年生產(chǎn)鑄件為1050t,如采用CO2硬化水玻璃砂生產(chǎn)工藝,累計產(chǎn)生廢砂9700t,每噸廢砂的無害化處理費(fèi)約820元,則無害化費(fèi)用高達(dá)795.4萬元。應(yīng)用有機(jī)酯硬化水玻璃自硬砂生產(chǎn)工藝,不但不需要廢砂的無害化處理費(fèi)用,而且每年還可降低新砂成本費(fèi)65