综上分析 ,采用“煤系”高岭石熟料作型壳过渡层或 背层耐火料, 具有较高的脱壳性和适当的 σ高 、σ残 。曾批 量生产过 30 ～ 160 kg 的大件(8 ～ 13 层), 型壳强度正 常 ,脱壳性良好。

 2 .2.3 高岭石砂 、粉料煅烧的影响。

 高岭石须经 1 250 ～ 1 400 ℃高温充分煅烧, 才能 保证型壳在高温焙烧和浇注时有足够的高温强度、抗蠕 变能力和良好的脱壳性能。较低温度锻烧的砂粉,在高 温浇注(1 600 ～ 1 700 ℃)时型壳产生液相 ,冷却后烧结 残留强度剧增 ,脱壳性恶化 。因而在型壳耐火料验收时 必须要测试其在 1 300 ℃灼减(烧失)值 ,若 >0 .5%则 说明未经充分锻烧 。

 2 .2.4 砂粉料中的游离铁含量 。 高岭石料除其化学成分、杂质含量应符合要求外,

 在砂粉加工过程中混入的 FeO 含量对型壳有重要影 响 ,它与各种杂质及 SiO2 、Al2 O3 等在高温时会生成低 熔点液相 ,恶化脱壳性能。验收时应严格控制 w(FeO) ≤0 .3%。

 2 .2.5 熔融石英对脱壳性的影响。

   绝大多数制壳耐火料其 σ高 与 σ残 呈正比关系 , 但只有熔融石英是例外 。精铸生产中应用的是石英砂熔 融后速冷制得的“不透明”熔融石英, 有别于水晶石制成 的“透明”熔融石英(石英玻璃)。但它们的共同特点是, 高温“析晶”, 低温“相变” 。即在 1 100 ℃以上会由非晶 型熔融石英转变为晶型的 α方石英(析晶),1 525 ℃达 最高值 。在浇注温度(钢液 1 500 ～ 1 700 ℃)时型壳约 有 70 %熔融石英产生“析晶”^{[ 3]} 。当型壳冷至 180 ～ 270 ℃时, α方石英又相变成稳定的 β 方石英 , 体积收缩率 为3 .7%,型壳会骤然开裂 、松散, 使脱壳性改善。试验 证实,用熔融石英代替高岭石砂粉制壳 , 其型壳高温强 度平均会降低 20 %, 但 σ残 仅为高岭石型壳的 20 %～ 30 %,透气性则提高 100 %以上^{[ 3]} 。目前 , 充分利用熔 融石英这一特点来改善型壳脱壳性是国外精铸界的主要动向。

 2 .3 其他因素的影响

 2 .3.1 型壳各层对脱壳性的影响。 表面层型壳只要采用优质的锆英石, 极少会与金属液产生化学或机械粘砂 ,也不会导致面层型壳脱壳性恶化。故正常情况下,表面层型壳对型壳脱壳性影响不大 。

过渡层及背层是影响型壳 σ高 、σ残 的主要因素。其中过渡层(第 2 层)仅为 1 ～ 2 层对型壳整体强度影响不 大 ,但对脱壳性有重要影响 。美国不少精铸厂不论型壳 其他层数采用何种耐火料 ,但过渡层均采用“熔融石英” 砂 、粉来改善脱壳性 。背层层数多 ,对型壳强度影响 大于对脱壳性的影响 。

 2 .3.2 型壳中砂和粉料的影响 。 粉料比表面积比砂料大得多, 与硅胶接触面也大。

型壳强度是粘结剂中 SiO2 含量和耐火粉料粒子的表面 积的函数^＊＊。由此可知 ,粉料对型壳强度及脱壳性的影 响比撒砂料要大, 生产实践也证实了这一点 。必须指 出 ,撒砂料, 尤其是第 1 ～ 3 层对铸件表面质量及强度、 型壳脱壳性等也存在一定影响 。

 国外试验表明, 在涂料及撒砂中均采用熔融石英, 则其脱壳性能比只在涂料中使用,撒砂仍用高岭石砂要 高出 100 %以上(σ残 低 60 %) 。

 3  改善型壳脱壳性能的途径

 (1)采用较低 SiO2 含量的硅溶胶配制涂料 对于铸钢(铁 、铜)小件(≤0 .1 kg), 用 w(SiO2 )=25 %的硅溶胶配制表面层涂料 。熔点低、密度小的铝合 金铸件更可采用 w(SiO2 )=25 %和 w(SiO2 )=20 %的硅溶胶配制表面层及背层涂料。以达到不影响型 壳强度前提下改善脱壳性的目的。

 (2)在表面层锆英粉涂料中加入占锆粉质量 5 %～ 10 %的熔融石英粉,或应用“混合石英砂”代替锆英砂作 中小件面层撒砂料 , 以提高型壳的脱壳性和透气性。

 (3)在型壳各层, 特别是过渡层和背层中采用熔融 石英砂粉全面代替高岭石砂粉以改善脱壳性、透气性, 提高铸件尺寸精度。也有不少国外精铸厂为降低成本, 只在型壳过渡层或背层中应用熔融石英粉涂料 ,砂仍用 高岭石 。(4)在面层涂料中加入高聚物(聚乙烯醇)或采用 “快干硅溶胶”配制涂料来提高型壳的脱壳性 。

 通过试验及生产验证 ,针对上述几种改善型壳脱壳 性的途径进行了分析 。

(1)降低涂料中硅溶胶 SiO2 含量将造成型壳 σ残 下 降 ,会直接影响到型壳常温和高温强度。其生产适用范 围小, 仅限于小件或特小件, 此工艺通用性不强。表层 SiO2 含量低常会引起型壳裂纹, 造成铸件产生“ 飞翅”或“流纹”缺陷 ,尤其是平面较大、结构复杂、有深孔、盲 孔 、深槽等不易干透的铸件更易因常温强度低在脱蜡或 浇注时引起局部“穿钢” 。故这一方法只适合某些小于 100 g 的特小件(如缝纫机零件)或熔点较低的铝合金 铸件。背层中降低 SiO2 含量风险更大, 除铝铸件外一 般很少采用。

 (2)面层中加入 5 %～ 10 %熔融石英粉 , 其对涂料 工艺性影响较大, 而对脱壳性改善并不显著 ,对铸件表 面质量则有一定影响。熔融石英与锆英石比较 ,膨胀系 数 α值相差近 10 倍(见表 1), 常会引起面层型壳裂 纹。表面层撒砂用“混合石英砂” 虽能对脱壳性稍有 改善,但其适用范围受限制 。目前也只在一些内腔不太 复杂的中小件上应用, 其工艺性、质量稳定性仍比不上 锆英砂 ,但在过渡层中使用风险要小很多 。

 (3)在型壳过渡层 、背层全部采用熔融石英砂、粉则 成本过高,对于附加值不高的精铸件难以推广。实践表 明 ,熔融石英粉涂料其涂料性、覆盖性 、流平性及均匀性 均不及锆英粉及高岭石 。全熔融石英型壳整体强度比 典型型壳组合要低约 20 %^{[ 3]} , 因而在脱蜡、焙烧或浇注 时壳损 、漏钢较多 ,还因膨胀系数差别大,易产生型壳裂 纹 。虽然脱壳性很好但质量风险大 ,性价比低, 较难推 广应用 。

 (4)采用“快干硅溶胶”虽有许多优点 ,但目前成本 偏高仍是其广泛推广的最大障碍 。应指出 ,采用快干硅 溶胶再结合耐火材料的正确选用是今后改善型壳脱壳 性的必然趋势 ,也是最佳型壳组合。国外已在不断推广 应用。

  目前使用普通硅溶胶生产精铸件要提高型壳的脱 壳性能 ,最有效的方法是:在过渡层型壳中采用“混合涂 料” 。其最大特点是,不会过多降低型壳整体强度,改善 脱壳性效果好 ,成本增加少 ,铸件通用性强 ,对铸件表面 质量影响小, 性价比高。如过渡层再撒“ 混合石英砂” ,脱壳性则更好。它具有以下的特点 : (1)可改善型壳脱壳性而不影响其整体强度(σ常 ,σ高),过渡层(第 2 或第 3 层)不会过分影响型壳强度。 但因熔融石英的作用会使型壳 σ残 有较大幅度的降低, 型壳总脱壳效率可提高 100 %左右。型壳层数也不必 增加。

 (2)成本增加不多 。计算表明, 使用 1 ～ 2 层混合涂 料或混合石英砂料与原工艺相比, 其成本仅增加 0 .1～ 0 .2元/kg(铸件)。

 (3)型壳各层间膨胀系数相匹配, 不致使型壳产生 开裂而影响铸件质量 。

 (4)过渡层中高岭石含量降为 20 %, 杂质含量(尤 其是 Fe2 O3 )大幅降低 , 铸件表面质量提高 ,可减少“墨 点”“黑斑”等缺陷 。

4  工艺试验及生产验证

   (1)对不同配比的 8 种涂料进行工艺性能测定及型 壳脱壳性比较(见表 3)。结果显示 , 第 2 和第 3 方案, 涂料工艺性不良 ,涂挂性、流平性差 , 覆盖性偏小 ,脱壳 性良好 。为改善涂挂性,在熔融石英及精铸石英粉涂料 中补加了高岭石粉,结果证明, 加入 50 %高岭石后脱壳 性不良 ,10 %时则涂挂性差, 以 20 %最适中, 兼顾了涂 挂性及脱壳性 。熔融石英粉选用 300 目及 140/200 目 各 50 %^[3] ,以期提高涂料粉液比及涂挂性能, 但生产中 140/200 目粉太粗 ,导致沉降严重, 反而降低了涂料粉液 比,甚至使 L 型搅拌机因叶片被沉淀的粗粉阻挡而停转 , 故改用了 300 目粉料。方案 6 为最佳配方, 即混合涂料 (过渡层)配方为:熔融石英粉(300 目)50 %+精制石英粉(300 目)30 %+高岭石粉(煤系)(200 目)20 %。

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(2)“混合涂料”中各种涂料的作用:熔融石英(粉)是改善脱壳性的主要成分(利用其“析晶” 、“相变” 特点)。精制石英(粉)是为克服高岭石及锆英石 α值不匹配的缺点。

高岭石粉的加入是为改善涂料的工艺性能 ,提高覆盖性(δ值), 并可作为矿化剂, 有利于提高熔融石英粉的“析晶率”, 这点与硅质陶瓷芯中加入铝硅系粉料改善析晶率原理相同。采用 300 目的精制石英粉与熔融石英粉目的是改善涂挂性能及涂料悬浮性 ,同时也能提高熔融石英粉的“析晶率”(粉料越细, 析晶率越高)。

生产实践证明了以下两点 :

(2)生产中可根据各类铸件, 对脱壳性的要求按表 4 中的 4 种制壳方案合理选择 。

    在生产现场, 对过渡层型壳备有两只 L 型涂料搅 拌桶,一只按原工艺配制高岭石涂料(表 4 中方案 1), 另一只为“混合涂料”, 同时配有两台流态化撒砂机(30/ 60 目高岭石砂)及(40/70 目混合石英砂),分别用作过 渡层撒砂料。这样兼顾了难、易脱壳的两种铸件, 不会 过多增加成本 ,又适合于要求不同型壳强度的中大件制 壳工艺 ,方案不应“一刀切” ,也不宜过多。

   在制壳生产中两种新旧工艺方案并存 ,使我厂过去 许多难以脱壳的铸件提高后处理效率约 100 %。主管 三通的震动去壳时间缩短了 50 %, 由原每组 3 min 减 少到 1 .5 min ,老工艺 18 m m 孔震动去壳率为 20 %～ 40 %,现已可震去 80 %～ 90 %。第二道喷丸工序也由 原来 1 .5 h 减少到 40 min 。原铸件喷丸后弯孔内残砂 还须人工用振动凿(弯形钢钎)手工去除,现只需滚动抛 丸除砂 。制壳工艺 ,此件采用表 4 中方案 3 。过渡层(1 层)涂料为“混合涂料” ,撒 2 层 30/60 目高岭石砂,背层 涂料及撒砂均为高岭石(16/30 目砂), 共制壳 5 层半。 其中第 2 和第 3 层均用硅溶胶预浸模组,混合涂料粘度η6=18 ～ 20 s ,背层高岭石涂料 η6=9 ～ 11 s 。

   “喷头”零件(见图 2), 制壳工艺采用表 4 中方案 3 , 原内孔 18 mm 残壳无法震除 ,须滚动抛丸2 h ,再经人工 钻孔除砂。现震壳也只能去除开口端部分型壳, 但内孔 型壳较松散,只需滚抛 1h 可除尽残壳 ,不必经咬酸或钻孔工序。

   投产后证实 ,数十种较难脱壳的复杂内腔件脱壳或 整体除壳效率提高近 1 倍 。有些原必须使用高压喷砂 的盲孔等复杂件 ,现只须滚抛或吊抛(丸)即可除净余砂 和残壳 。

 5  工艺要点

 (1)采用“混合涂料”代替全高岭石的过渡层涂料, 可改善型壳的脱壳性而不致过多降低型壳整体强度。 若在过渡层再撒“混合石英砂”更有利于脱壳性的提高 , 可根据各零件大小、质量、结构特点选用适宜的制壳方案 (表 4),要兼顾脱壳性和强度。背层砂粉料要选用杂质 少、含游离铁 FeO 少,经充分煅烧的煤系高岭土耐火料。

 (2)铸件脱壳性不仅取决于“型壳”本身的脱壳性 能 ,还与铸件结构 、震动、抛丸、喷砂等设备效率有关 。

 采用高效率的 7655 型等凿岩机 、破碎机, 比目前广 泛使用的由 G10 风镐改装的震壳机工效要高得多(表 5)(国内 20 世纪 70 到 90 年代普遍使用该机)。

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改进震壳方式 ,有效传递冲击能量 , 不宜采用橡胶 垫等缓冲、减震方法或刚性过高的钢墩座安放铸件组 (见图 3)。采用铸铝墩既可防滑 , 又不至于缓冲减震, 降低震动冲击能量和生产效率。

http://s4/mw690/0020Ajqvgy6UvcrtsDp03&690

震壳机应安装调压阀 。根据铸件材质 、大小、震壳 或震件(震下零件)要求, 调整进气压力 , 防止壳未震除 铸件却已震落(铸铁件 、高碳钢件等),应调整震动频率, 使其与型壳或铸件固有频率相同(近),产生“共振”提高去壳(去件)效率 。

     铸件内腔被型壳堵满无空隙时 ,震壳效果比通孔内 腔差得多, 因而要求操作工在震壳时要用专用凿壳工 具 ,边震壳边凿孔 ,可加速残壳震出 ,提高生产效率 。要充分保证进气压缩空气压力最大可达到 0 .63 M Pa ,高气压才有高效率。压力越高冲击能量及频率也 越高, 生产效率相应提高(表 6)。

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(3)应按表 7 要求合理选择混合涂料及撒砂耐火 料 。

    熔融石英砂粉也可选用 2 ～ 3 级粉 、砂料 。杂质稍 多 ,成本可降低(用于过渡层)且“析晶”率反而高 ,脱壳 性好。精制石英粉应选用 300 目以上的 1 级硅微粉(通 过 300 目筛应大于 85 %), 高岭石应用煤系高岭土熟 料 ,各项要求详见表 7 。

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6  结语

 (1)型壳“过渡层”采用以“熔融石英” 为主的“混合 涂料” , 可以改善硅溶胶型壳脱壳性, 成倍提高复杂内腔 精铸件的后处理工效。

       (2)铸件(组)脱壳效率取决于型壳的脱壳性好坏及震 动冲击能量大小和震动力的合理传递等因素。选用高效 震壳机可提高震壳效率,应保证≥0 .63 MPa 的高气压。

       (3)应根据铸件特点及对脱壳性要求 ,合理选用制 壳工艺方案, 做到“高强度、高脱壳性”兼顾 。

@by 籍君豪

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