水玻璃型壳熔模铸造制壳工艺过程控制

董丽华

摘 要：近年来，随着中国的铸造业发展迅速。其中由于熔模铸造可以做到少切削，不切削，复杂件成型率高，生产工艺水平越来越高，其市场也越来越大。而大部分的铸件生产任然采用的是水玻璃工艺，这种工艺最大的问题就是不稳定性，所以对水玻璃制壳质量控制要求和生产管理要点的讨论就显得很有必要。实践证明，通过加强关键工序的控制和质量因素的综合控制，产品质量和成品率会有了显著的提高。

关键词：水玻璃；熔模铸造；制壳；工艺；控制

中图分类号：TG249.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0086-02

由于水玻璃粘结剂的价格低廉，制壳周期短，因此在我国广泛采用水玻璃工艺精密铸造。但是，与传统砂型铸造相比，水玻璃壳型铸造成本高，工艺复杂，生产周期长。型壳是影响铸件质量的重要因素之一。如何控制其质量具有重要意义。本文结合生产实践，对壳的原材料控制和管理和制壳工艺的改善，改善型壳强度及稳定性，从而提高铸件质量及其成品率。

1 原材料的选择与控制

1.1 水玻璃

硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，南方一般被称为水玻璃，北方一般被称为泡化碱。硅酸钠的形态可分为液体、固体和水淬三种形态。水玻璃可分为钾水玻璃和钠水玻璃。熔模铸造中一般采用的是钠水玻璃。水玻璃中二氧化硅和氧化钠（或氧化钾）的摩尔比通常称为模数（M）。硅酸钠是水分散体系中的无色、浅色透明或半透明粘稠液体。固体硅酸钠是一种无色和浅色的透明或半透明玻璃。硅酸钠在的凝固与石灰非常相似。主要通过碳化、脱水、固化三个工序来实现。随着二氧化硅含量的增加，游离水蒸发，硅胶脱水成固体SiO2并固化。由于空气中CO2浓度低，碳化反应和固化过程非常缓慢。

1.2 水玻璃的特性

熔模铸造生产时水玻璃应为液态，纯净的水玻璃是一种外观显无色透明的粘滞性溶液，含有杂质时则显青灰色或者淡黄色。水玻璃溶液显碱性，一般高、中模数的水玻璃的PH值为11～13。在低温时会冻结，其冰点为-2～-14℃，重溶后的水玻璃性质不变，并且可以无限溶解于水中。

1.3 水玻璃粘结剂的质量控制

水玻璃的主要性能参数为模量（M）、密度（d）和黏度。

水玻璃的模数M是的一个重要参数，可以表示如下。M=SiO2%/Na2O%×1.032，1.032为Na2O与SiO2相对分子质量之比。水玻璃的密度d间接指示硅酸钠Na2O.mSiO2的浓度。m取决于SiO2和Na2O的相对含量[1]。

M和d直接影响壳体的表面强度、室温强度、高温强度和残余强度。在生产过程中，硅酸钠的M值一般控制在3.2～3.4，表面的涂层控制在1.25～1.28g/cm3。加固层的控制范围为1.30～1.34g/cm3。当M和d不满足要求时，用酸或碱调节M，用水或高密度硅酸钠调节d。

黏度也是硅酸钠的重要性能参数。它直接影响涂料的流动性。影响硅酸钠粘度的因素有模数、密度、温度等。硅酸钠的粘度随着M、密度增加而增加，温度升高而降低。由于硅酸钠中游离SiO2的存在，在储存一定时间后，在容器底部沉积SiO2，导致硅酸钠模数降低[2]。因此，在使用过程中，为保证水玻璃的稳定性，应在贮存后24小时再进行使用，以确保水玻璃的到达满足要求。

1.4 粉料对型壳质量的影响与控制

涂层中粉料的粗细应该是合适的（级配粉）。当涂层中的粉料较多时，会在硬化后析出，工艺稳定性差，导致铸件表面粗糙。微粉对表面涂层有很大影响。涂层不易控制，蜡模上的涂层太厚，产品的角落和沟槽严重积聚。焙烧后，内表层壳体强度下降，砂、砂缺陷明显增加。在实际生产中，合适粒径的平均粒径为35～50μm[3]。用该粉末制备的涂料不仅提高了粉料比，而且提高了工艺的稳定性。

1.5 表面活性劑对型壳质量的影响与控制

表面活性剂的主要作用是降低涂层的表面张力，增加涂层在润滑剂上的润湿作用，提高涂层的质量。表面活性剂应溶于水，表面张力低，润湿性好，透气性好，泡沫少，泡沫稳定性低，与涂料组分无化学反应。

在实际生产中，为了提高涂料对蜡模的润湿能力，蜡模先用洗洁精清洗表面，然后剥壳除去表面上的蜡和油性物质。常用JFC加入到涂层中，降低涂层的表面张力，改善蜡模的涂覆和润湿能力，降低涂层的粘度，使凝胶均匀分布并均匀地沉淀凝胶，并有助于提高强度。通常添加量为0.1%～0.3%，粗粉和细粉的含量不同，适宜加入[4]。

1.6 存在的问题

（1）由于硅酸钠粘结剂的Na2O含量高，在高温下壳的强度和抗蠕变性能相对硅溶胶型壳较差。同时，由于石英砂（粉），氯化铵硬化剂的选用，使铸件的质量等级较差。

（2）生产环境普片较差，生产标准的控制能力差，相关的操作标准和相关管理系统不能很好地实施，因此不易保证精密铸造的质量。因此生产报废率相对较高。

1.7 改进方法及成本优化

在生产过程中，使用高输出量的硅微粉代替原石英砂粉末作为耐火材料，这种材料表面为圆形，采用这种粉料配料可以，以提高耐火材料表面的稳定性。此外，它对固化生产作业管理也非常重要。稳定的石英粉是严格按照生产标准和技术要求进行生产的基础，从而可以提高生产质量。

2 制壳环境的控制

制壳环境主要是指生产时温湿度的控制。由于水玻璃-石英粉涂层对温度有较大的敏感性，一方面，随着涂层温度的升高，流动杯的密度和粘度降低。另一方面，随着温度的升高，凝胶化速度更快，涂层容易发生而不易发生砂体，导致壳体强度下降。因此，应控制涂层温度以稳定粉液比，提高固化剂的涂层能力和渗透性。对于高温天气，水玻璃的模数控制在下限（做大件可适当提高），空气湿度可以控制在60%和80%之间。冬季车间温度应保持在16℃以上，表面涂层控制在20～25℃，稳定粉液比，克服胶凝过度、过快的问题[5]。

3 制壳有关工艺操作的控制

3.1 涂料配制過程的控制

涂料的制备是通过搅拌、时效处理来均匀稳定浆料的过程。在制备涂层时，首先将润湿剂加入到备用的水玻璃中混合，然后将石英粉按照规定的比例加入到水玻璃中。加入后，继续低速搅拌1小时以上。然后停止搅拌进行时效处理（一般大于12h以上），时效处理的目的是使粘结剂和粉末充分润湿，并在除去搅拌过程中吸附在浆料中的气体。时效后的涂料各项性能趋于稳定[6]。使用前再进行搅拌15-20分钟后涂进行涂料性能检测。

3.2 浸涂和撒砂工艺的控制

在涂装前，必须将涂料充分搅拌均匀，并确保涂料粘度和涂片重量重新测量并调整到合格的范围内。然后将模组浸入浆料中，上下移动和旋转，并在提出后将多余的浆料滴除，使涂层均匀地覆盖在模组表面上，模组没有局部堆积或涂层。对于模组中的深孔、凹槽和凹角，应采用压缩空气进行喷涂，必要时用刷子去除多余浆料及气泡。

制壳时砂的粒度从表层到后层逐渐增大。对于表面砂，如果粗颗粒砂将穿透涂层，破坏模组表面，最终会导致铸件表面粗糙度降低，但细砂颗粒会导致平坦的背部，这不利于下一级的砂料的结合。从而可能会导致型壳出现分层。因此，生产中的一般表层砂为30-50目或50-70目（根据产品大小确认），过渡层为20/40目砂，背砂为6-20目或10-20目。过分集中使用某一种目数的砂料是不合适的。同时，要注意去除撒砂后表面上的浮砂。

3.3 硬化过程的影响与控制

硬化剂的选择和硬化过程的控制同样是水玻璃工艺过程控制的重点。NH4Cl作为一种硬化剂，存在着污染环境、腐蚀设备和壳体强度等问题。结晶氯化铝硬化壳具有强度高、收缩大、表面质量差、砂料难清理等特点。为了克服这两种固化剂的缺点，采用氯化铵和结晶氯化铝两种硬化剂硬化处理，即用氯化铵对1～3层进行硬化处理，4～7层用结晶氯化铝进行固化，近些年由于环保的要求不管提高面层采用氯化铵硬化液污染环境，目前可采用氯化镁硬化液进行面层硬化，既可以保证模壳强度又减少环境污染[7]。

NH4Cl作为硬化剂的浓度一般控制在20%～25%（质量分数）。在生产中，为了缩短硬化时间，提高生产效率，我们采用饱和溶液。硬化时间通常控制在20-40分钟（取决于模组的大小），随后进行自然风干30-120分钟（取决于温度度），必要时可以增加电风扇进行强制快速风干。

由于硬化剂在水中的溶解度随着温度的升高而增加，因此在生产中，特别是对于我国北方的生产车间，有必要对车间和溶液的温度进行控制。采用加热措施以提高其溶解性，以更好的促进硬化效果，并且提高车间或浆料温度可以保证浆料良好的流动性及更加稳定的生产环境。

4 结语

通过对上述型壳质量影响因素的综合控制，使壳体质量稳定，铸件表面缺陷明显减少，铸件质量得到提高。总之，为了稳定水玻璃外壳在生产中的质量，应严格控制水玻璃和石英粉的质量；努力改善控制制壳车间的温湿度；确保浆料有足够的回性时间；砂料粗细合理，撒砂必须到位；硬化液保证足够的浓度，硬化时间风干时间合理。

参考文献

[1]胡春良.熔模铸造水玻璃型壳制壳工艺质量控制[A].中国机械工程学会铸造分会铸件质量控制及检测技术委员会.中国机械工程学会铸造分会铸件质量控制及检测技术委员会第十一届学术年会暨天津市第十届铸造学术年会论文集[C].中国机械工程学会铸造分会铸件质量控制及检测技术委员会，2016：3：104-106.

[2]张玉林.水玻璃型壳熔模铸造制壳工艺的环保化改进[A].中国机械工程学会.2014中国铸造活动周论文集[C].中国机械工程学会，2014：1-6.

[3]原一高，吴学政，苏俊义.钢铸件熔模铸造水玻璃型壳中发气物质的研究[J].铸造，1996，（02）：5-9.

[4]许云祥，杨振和.熔模铸造水玻璃型壳性能预测系统的开发[J].特种铸造及有色合金，1993，（05）：31-32.

[5]张安民，朱显岳.熔模铸造水玻璃型壳质量的综合控制[J].机械工人（热加工），1993，（06）：10-12.

[6]佟天夫，李桂芝.熔模铸造水玻璃型壳溃散性的研究[J].特种铸造及有色合金，1992，（03）：4-6.

[7]佟天夫，程德富，赴恒义，谭锁奎，白莹.熔模铸造水玻璃型壳Na_2O行为的研究[J].特种铸造及有色合金，1990，（05）：17-22.