在精铸件生产过程中 ,型壳质量直接影响到铸件质 量。统计表明, 有 60 %～ 70 %的铸件返修品和废品是 因型壳质量不良造成的。例如常见的铸件表面缺陷:砂 孔、麻点、流纹、飞翅 、钢豆 、分层 、变形 、浇不足、皂化物 夹杂等。我国大部分精铸厂仍只限于测定涂料“粘度” 一个工艺参数。对型壳质量至关重要的原辅材料 ,如硅 溶胶 、锆英砂粉 、莫来石砂粉等往往只按供应商的“质保 书”选用, 缺乏有效的复验手段 。制壳生产的其他工序 , 如涂料的配制、模组的浸涂、撒砂干燥、脱蜡焙烧等均无 严格 、有效的质量控制方法和手段 。制壳工序质量的失 控,往往使生产处于混乱的状态。这正是长期以来我国 精铸件一次合格率低、返修率高 、铸件质量波动大的主 要原因。

1  原辅材料的质量控制

原辅材料包括粘结剂( 硅溶胶) 、涂料添加剂( 润湿剂和消泡剂 )和耐火材料( 砂 、粉 ) 等 。

1 .1  硅溶胶溶液

（1）目前国内常用的普通硅溶胶, 其 SiO2 含量一般在(30 ±1)%。可用测定硅溶胶密度的液体密度计来控制。硅溶胶溶 液密度与 SiO2 含量的关系见表 1 。

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(2)pH 值可用pH 精密试纸, 按JB4007-1999 标准测定。Na2O含量可按 HB5346-1986 标准用 0.1 mol盐酸标准溶液测定 。工艺要求:pH =9 ～ 10(HB5346 ,GRJ-30), 合格范 围 pH =8.5 ～ 10.5 ;w(Na2 O)≤0.5 %。

(3)粘度  运动粘度一般在(6 ～ 10)×10 ^-1 m² /s 范围内合格。生产现场可用 2 号詹氏杯(44 m L , 孔径为 1.98 m m),测定硅溶胶的流杯粘度 η2值 。

 (4)胶凝性能 可用以下两种方法测定硅溶胶的胶 凝性能: ① 按 CI CBA/ D02 . 1 2 - 1 999 标准方法测定 。取250 mL 硅溶胶放入密封的玻璃容器中 , 在 60 ℃ 的烘箱中保温 24 h , 与“ 标准” 样品比较粘度 。生产中建 议采用 2 号詹氏杯测流杯粘度进行比较 。 粘度高于“ 标准”试样( 指各项指标均符合要求的硅溶胶) 20 % 时可判断其胶凝性能不合格 。 ② 使用“ 标准” 锆英粉 与“标准” 硅溶胶按粉液比 n = 3 ∶ 1 配制成“ 标准” 涂料 , 测其粘度η 0 。将待测硅溶胶与“ 标准” 锆粉也按 n = 3 ∶ 1 粉液比配成涂料 , 测其粘度值 η 与 η 0 对比 。 当 η ≤ η 0 时合格 , η> 1 . 2η 0 时则说明该硅溶胶胶凝性能不合格 。

1 .2 涂料添加剂

 (1)润湿剂  为改善涂料在蜡模表面的润湿性(涂 挂性),常在锆粉涂料中加入非离子型或阴离子型表面 活性剂。 ①有效成分(浓度)测定, 使用 2 号詹氐杯测定 外购润湿剂粘度并与“标准”试样粘度进行对比来确定 。“标准”试样是符合CICBA/C02 .04-1999 的要求的渗透 力为标准试样的 100 %～ 110 %(建议以上海助剂厂生 产的 JFC 为“标准”样品)。 ②润湿效果测定, 可在“标 准”涂料中加入占硅溶胶质量 0 .3%的润湿剂(先加入 到硅溶胶中,再加粉配制涂料), 充分搅拌后用“60 m m ×60 mm ×2 mm 铝片”测定涂料的润湿程度 。要求 100 %铝片面积上,均被涂料均匀润湿, 无铝片表面显露 在外 。

 (2)消泡剂  在“标准”涂料中加入占硅溶胶质量 0.1 %的消泡剂 ,充分搅拌 。观察涂料表面气泡含量多 少, 判别其消泡能力 。若仍有少量气泡, 可再加入 0.1 %(最多加入 0.3 %)直至其气泡不再存在。

 1 .3 耐火材料

 生产中耐火耐料检测的项目有:砂粉粒度 、砂粉的 粒度分布(级配)、砂料中的灰分含量、砂粉的主要化学 成分及杂质含量 、莫来石砂粉的煅烧程度。

 (1)砂粉的粒度  实践证明 , 粒度粗于 320 目( > 0.045 m m)的锆粉配制的面层涂料 ,铸件表面不光洁 。 面层撒砂若粗于 100 目(直径 >0.15 mm), 常会使铸件 表面出现毛刺(脱蜡后型壳内腔表面常会有蚁孔出现)。 粉料过细 ,因其杂质含量较高 ,耐火度降低,型壳透气性 恶化 。背层粉料粒度应兼顾强度及透气性,一般莫来石 粉宜在 120 目 ～ 270 目之间。精铸型壳用砂粉粒度要 求见表 2 。

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砂料粒度的测定应用标准筛进行 。按 CICBA/ D03 .02-1999(熔模铸造用耐火材料砂粒度测量方法), 也可手工进行筛分 , 但准确度较差。莫来石砂呈尖角 形,生产现场可采用与标准粒度试样对比, 目视判定是 否合格。粉料在生产现场也可用 325 目 、270 目 、150 目 筛网按上述方法测定粒度 ,但在 325 目过筛时很难在规 定时间(15 min)内通过筛孔 。因细粉较难分离 ,建议用 两个小木刷(鬃刷或尼龙毛刷)放于筛网上,可促进经烘 干的粉料顺利通过 325 目的孔 ,提高测定准确性。有条 件时可采用 FW L 型微细粉测定仪精确测量粉料粒度 .

(2)砂粉料的粒度分配(级配) 为保证涂料高的致 密性 ,及高粉液比,在规定粒度范围内应采用“双峰型” ,即粒度粗细分布分散的粉料 。

①对于面层涂料用的锆英粉, 其粒度级配符合下 述要求才能满足涂料高致密性要求:质量平均粒径为 25 ～ 30 μm ;质量分布均方差 >17 ;比表面积 S =7 ～ 9 m² (每 100 g 粉粒表面积);松装密度为 2.3 ～ 2.8 g/cm³ 。粉粒其粗粉峰位在 45 μm(0.045 m m), 细粉峰位 在 10 μm(0.01 mm)左右 , 谷位在 20 ～ 30 μm(0 .02 ～ 0 .03 m m)。粗细粉含量为 1 ∶2 , 粗细粉粒径比 >2.5 。 生产现场用测定粉料松装密度的方法来判别粉料的粒 度分布(级配)最为简便 。

 ②背层粉料与面层相同, 应该具有良好的级配 。 即粗细粉分布分散 ,以保证涂料的高致密性 。有利于获 得高粉液比的涂料配比为:270 ～ 320 目(50 %)+200 目(25 %)+120 目(25 %) 。

 ③砂料的粒度级配越集中越好,以利于改善型壳的 透气性。实际生产中无论采用雨淋式或流态化撒砂机 都不允许采用不同粒度的砂料 ,因其质量不同时, 细粒 砂往往先撒上模组 ,易造成砂层不均 ,会增大型壳的开 裂倾向。

 (3)砂料中的灰分含量 我国精铸行业标准规定锆 砂及莫来石砂中粉量均不得大于 0.3 %, 而实际测定表 明, 大部分供应商含粉量大大超过标准 ,建议根据生产实际需要及可能按砂的粒度粗细提出合理的灰分含量 标准 。

 (4)砂粉的主要化学成分及杂质含量 面层型壳用 锆砂粉的化学成分要求见表 3 。

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背层型壳用莫来石砂粉 , 其化学成分要求见表 4 。 每批进料应分析 A l2 O3 和 Fe2 O3 的含量 。测定游离铁 及杂质含量的方法与面层粉料相同 。

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(5)莫来石砂粉料的煅烧程度  莫来石砂粉应经 1 250 ～ 1 350 ℃煅烧3 h 以上, 才能保证较高的莫来石 含量和型壳高温强度 。生产中验收时可按“灼减烧失 量”来判定煅烧程度 。方法是:精确称量 1 g 砂粉在定 碳分析用的高温管式电炉(1 300 ℃)中经 1 250 ℃保温 0.5 h 后取出 ,置于干燥的器皿中, 冷却到室温称量质 量,反复操作,每次灼烧 15 min 至恒重 ,测其灼烧减量 。

 2  涂料工艺性能的质量控制

 (1)流动性  用国际通用的 4 号詹氏杯, 测定涂料 流杯粘度来反映流动性, 用涂片观察流平性。生产中面 层锆粉-硅溶胶涂料其流杯粘度范围常在22 ～ 65 s 之间 变动 ,国内生产一般平均 η4=35 ～ 45 s , 流动性的确定 必须保证一定的覆盖性才有意义。实际上詹氏杯测定的流杯粘度值还不能完全反映 涂料真实的流动性能。例如经水洗烘干的石英粉其粒 径大于 10 μm 的含量很低 、很小时, 即使流杯粘度高达 100 s , 仍具有较高的流动性 。高屈服值时 ,涂料会形成 较强的结构,造成流杯粘度增大 ,在模组上很快会停止 流动 。

 (2)覆盖性  涂挂性表示涂料对蜡模组的润湿能力 的大小。生产中可用 60 mm ×60 m m ×2 mm 的铝片 ,浸入涂料中 10 s 取出后静置 1 min 称量涂层净质量来 计算其覆盖性大小 ,即涂料平均厚度值 。

 决定涂料覆盖性(涂片的平均厚度 δ)的主要因素 是粉料中粒径小于 10 μm 的细粉含量, 粒径为 10 μm 细粉的含量越高, 涂料的 δ越大 。对于硅溶胶涂料而 言, 为获得一定厚度的涂层, 更需要较高含量的粒径小 于 10 μm 的粒子。

 由表 5 、表 6 、表 7 、表 8 可知 ,同种粉料配料时 , 粉 液比 n 越高, 涂料粘度增大, δ值也变大 。但不同粉料 (粒度级配不同), 则涂料粘度相同时其覆盖性也不同 , 充分说明粘度 η4不能完全代表 δ值。

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(3)致密性  涂料的致密性对型壳的表面粗糙度 、 透气性及强度 、清砂性、脱壳性均有重要的影响, 在一定 流动性和覆盖性的前提下,高致密度的涂料能降低铸件表面粗糙度,减少和避免由于硅溶胶收缩产生的蚁孔造 成铸件毛刺,在脱蜡及焙烧时也不会因硅溶胶不均匀分 布导致收缩应力不均产生型壳的开裂、分层导致的铸件 表面产生流纹和飞翅或起夹缺陷 。致密性由涂料密度 ρ涂 反映 ,生产现场可用密度容器来测定。涂料致密度要求为:表面层涂料(锆粉-硅溶胶)ρ涂 ≥2.7 g/cm³ ,n ≥3.4 ;背层涂料(莫来石粉-硅溶胶)ρ涂 ≥1.70 ～ 1.80 g/cm³ ,n ≥1.2 。

 (4)均匀性  含有杂质或不均匀的涂料常导致铸件 表面质量低下, 出现凹坑 、麻点 ,且极易在干燥或焙烧浇 注时出现纹裂 。涂料的均匀性可用 100 mm ×80 mm × 3 m m 玻璃片测定(JB/T4007-1999), 对光观察是否有 粉粒 、蜡屑 、或不均匀透光的纹路。

 (5)稳定性  对于面层涂料 ,必须用标准硅溶胶与 粉料配成涂料, 按硅溶胶胶凝性能测定法, 测其粘度值 与标准涂料对比来判定其老化程度 ,即稳定性 。背层涂 料用莫来石粉, 其中常见杂质 Na 、K 、Fe 、Ti 等过多 ,在浇注时低熔点的 Na2 O-SiO2 、K2 O-SiO2-Al2 O3 、Na2O-Fe-SiO2 等会引起型壳变形 、开裂及脱壳性能恶化 。即 使粉料、硅溶胶稳定性能完全合格 ,涂料在使用及不停 搅拌的过程中, 由于模组上撒砂料在涂料上的污染和水 分的挥发 ,涂料的稳定性也会下降 。可以通过对涂料的 粘度 、涂片质量 、密度的检测, 发现异常的变化来判断涂 料是否老化,以便及时补加新料 ,或报废以防止出现批 量铸件报废事故 。

3  型壳生产过程的质量控制

3 .1 涂料的合理配制方法

 (1)涂料搅拌 采用低速的 L 型搅拌机(转速 ≤30 r/min)配制涂料无法使涂料达到稳定的工艺性能 ,粉料 越细 ,其粉粒的凝聚引力越大 。这样硅溶胶胶体溶液很 难均匀地分布于粉粒四周 ,而只是分布在由许多紧密相 连的靠引力吸附的粉粒组成的粉团周围。故涂料的实 际均匀性较低。硅溶胶膜在粉粒周围分布的均匀程度 不理想,在胶凝 、干燥 、烧焙、高温浇注钢水下 ,其液相的 分布也不均匀, 这是导致型壳开裂 、高温抗蠕变能力低 的原因之一。

(2)配料方法 将粉料倒入已加入润湿剂的硅溶胶 溶液中(全部浸入不能搅动)密封静置 12 ～ 24 h , 使硅 溶胶和粉料充分润湿“熟化” 。用叶片高速搅拌均匀(转速=1 410 r/min ,搅拌时间为 15 ～ 30 min),搅拌中加 入消泡剂 。将搅拌好的涂料经 40 目的不锈钢筛网过滤 到 L 型搅拌机内再充分搅拌 0 .5～ 1 h 即可使用 。面层 与背层都应用此方法配料 ,且背层涂料中也应加入润湿 剂和消泡剂,这样可使涂料充分润湿前层的砂粒及渗透硅溶胶干燥后的空隙中, 有利于涂层间的结合, 减少型 壳开裂倾向,提高型壳强度。

 3 .2 涂料工艺性能的调整

 各项工艺性能指标均合格的涂料 ,在生产过程中其 工艺性能会随时间的延长和浸涂模组增多而发生变化 , 最常遇到的情况有以下几种 :

 (1)涂料粘度增高 由于 24 h 不间断的搅拌 ,及浸 涂模组的污染 ,涂料中的水分逐渐挥发 ,必需每班补加 蒸馏水(或纯净水),否则会导致硅溶胶老化 。为使涂料 性能保持在控制的范围内 , 严禁补加硅溶胶来降低粘 度。这将使粉液比变小, 涂料的致密性降低, 会恶化型 壳及铸件表面质量 。

 (2)涂层质量增加  粘度调整合格后, 但涂片质量 急剧增加 ,说明涂料中的硅溶胶出现胶凝 , δ值增大, 应 尽快补充新料 ,补充新料超过 20 %时 ,涂料废弃。

 (3)涂料的密度减小或增大  长期使用的涂料 , 若 其密度减小,说明补加水分过多 , 硅溶胶密度下降会使 粉液比降低 , ρ涂 也降低 。补加水分后虽然 η4及 δ均合 格, ρ涂 增大也说明硅溶胶严重老化 。生产中必须在配 料 1 ～ 12 h 内更新配料或补加料后测定涂料的工艺参 数 η4、G 、ρ涂 及均匀性 。合格后方可用于生产。

3 .3 模组的浸涂

 (1)喷涂 对于结构复杂 ,有盲孔 、小孔 、窄槽齿形 、 字模 、直角的铸件, 直接浸涂 ,表面层锆粉涂料常会出现 “钢豆”缺陷。应采取以下措施:①将已经配制的锆粉涂 料用硅溶胶稀释到 η4=5 ～ 8 s , 用喷漆枪在 0.2 ～ 0.6 M Pa 压力下对模组零件上进行喷涂(喷涂处要注意安装通风罩),再浸入面层涂料中,取出后用喷枪轻吹零件 后即进行撒砂 ,能完全避免产生钢豆;②喷涂硅溶胶, 将 硅溶胶加入质量分数为 0.3 %的表面活性剂及 0.1 %的 消泡剂(放入喷漆枪中按上述喷涂后再浸涂料), 也可防 止“钢豆”并提高涂料对零件细微痕迹的复制能力 。

 (2)过渡层及背层的预湿  为保证型壳层间结合及 第 2 层(或第 3 层)涂料对前层干燥砂粒的充分润湿, 使 小孔 、窄槽顺利流入涂料, 涂挂第 2 层前应将模组浸入 硅溶胶溶液中预湿(内加 0 .3%润湿剂及 0 .1%的消泡 剂),再浸入下层涂料(个别小孔、窄槽 、盲孔等第 3 层涂 料也应预湿)。生产中预湿硅溶胶每天应及时更换(可 用于沾浆层配料)。

 3 .4 撒砂

 撒砂粒度应合理选用 , 遵循逐层加粗的原则, 例如 面层锆砂应用 100/200 目,过渡层莫来石砂应用 60/80 目。特别是1 kg 以下的小件 、特小件或小孔窄槽件第 3 层用 30/60 目 ,第 4 层用 16/30 目 ;对于 3 kg 以下的小 件, 一般采用 5 层半已够(铸件最大厚度小于 20 mm)。但 16/30 目砂不得少于 2 层 ,铸钢件不论零件多小 ,总 层数必须为 5 层半, 否则漏钢率会大幅度提高 。往往型 壳整体强度足够 ,但零件锐边尖角处由于粘砂困难 ,涂 层 δ过小 ,极易穿钢、开裂。零件越重, 面积越大, 无疑型壳层数应越多 ,总之 , 目前不少工厂(尤其是低温蜡-硅溶胶型壳)生产中大件 (10 ～ 150 kg)背层仍只用 16/30 目莫来石砂 ,这是不合 理的 。工艺应规定 10 kg 以上的大铸件最后几层砂用 10/20 目粗砂 ,可提高型壳强度和透气性。

 3 .5 型壳干燥

 国内外典型工艺规定 ,型壳干燥处面层和过渡层型 壳温度要求为(24 ±2)℃,湿度为 50 %～ 70 %时禁止吹 风。背层干燥处 , 温度为(24 ±2)℃, 湿度为 40 %～ 60 %,风速为 6 ～ 8 m/s 。国内精铸厂实际上极少能严 格控制上述参数。在霉雨季节相对湿度常超过 70 %, 而冬季则更普遍低于 60 %或 50 %(常在 35 %～ 45 %)。 面层型壳干燥处大部分无增湿装置 , 靠洒水来提高湿 度。这是冬季低温、低湿条件下面层型壳易开裂的主要 原因 。面层型壳干燥室除安装除湿机控制湿度在 60 %～ 70 %外,更应该安装自动控制的负离子增湿机或机械式 水雾机进行增湿 。大面积干燥室要严格控温很困难, 但对于尺寸精度 要求稳定在 C T4 ～ CT1 的高精度铸件 , 可在干燥室内 另辟小范围“特区” ,严格控制温湿度 。对于深孔 、盲孔 等复杂件也可在“特区”低湿度(湿度 ≤30 %, 高风速 6 ～ 8 m/s)下进行风干 ,以缩短复杂型腔的零件型壳干燥 速度 ,提高生产率和稳定型壳质量 。其他件可适当放宽 温湿度要求,温度为(24 ±5)℃,湿度为 50 %～ 60 %,风 速为 2 ～ 4 m/ s(背层)。将制壳操作区涂料 、撒砂与型壳干燥区分开 , 尽力 缩短蜡模组或型壳在操作区的停留时间 ,则可降低操作 区的恒温恒湿要求。为减少粉尘对空调装置的损害,采 用中央空调顶部向下吹风方式最合理。生产批量特大(月产超过 80 t)的工厂 ,可采用封闭式的流水线,严格控制温度、湿度和风速,有利于稳定型 壳和铸件质量 。

 3 .6 脱蜡

 (1)低温蜡 硅溶胶型壳宜用 90 ～ 98 ℃热水脱蜡 ,水中加入 0.1 %～ 0.3 %的工业盐酸(31 %的 HCl), pH值为 1.5 ～ 1.2 , 以减少皂化物含量 ,防止铸件产生夹杂 缺陷 。脱蜡后应用含0 .1%～ 0 .3%的 H Cl 热水冲洗型 壳内腔, 清除残余皂化物 。电热保温水槽脱蜡可以达到 升温快、保温准确、水不沸腾的要求 。可设置多个小槽 交替脱蜡 、换水 , 槽体体积小 、升温快, 保温易、换水方 便。

(2)中温蜡  硅溶胶型壳大多采用蒸汽脱蜡 。要求 特别高的零件在脱蜡后在型壳内盛水 ,在高压釜中二次 升温 、加压、快速降压后热水会沸腾, 带出壳内残蜡 , 使 蜡料脱净 ,减少夹杂 。

 3 .7 型壳焙烧(壳)

 国内大部分工厂只重视炉内温度显示和控制 ,而忽 略温度记录 。应安装机械式电子电位差计(圆盘记录 纸),以便严格控制并记录焙烧温度、时间等工艺参数 。 型壳充分的焙烧,可大大减少因保温时间短或温度低造 成的铸件废品 ,例如 ,弥散性皮下气孔 、浇不足、冷隔等 。

 采用天然气、煤气、发生炉煤气等代替油炉、电炉焙 烧, 具有温度高(1 000 ～ 1 300 ℃)、火势均匀、燃烧完 全、热值高、能耗低等优点,可降低动力成本 50 %(较柴 油),结合双体炉效果会更理想。

4  结语

为稳定和提高硅溶胶型壳精铸件质量, 必须对制壳 的原辅材料和型壳生产的全过程进行质量控制, 从而有 效地提高我国的精铸件的质量。

@by 籍君豪   徐广民   许宏伟

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