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硅溶胶生产项目可行性研究报告
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你可能喜欢硅溶胶型壳精铸件生产经验点滴(一)
自上世纪九十年代初引进硅溶胶型壳生产精铸件后，我国熔模精密铸造生产获得了飞速发展和长足进步。至今采用中、低温蜡硅溶胶型壳工艺的工厂已近600多家，许多先进的工艺，高效的设备和优质的材料在精铸件生产中得到了应用和推广，铸件质量和生产率有了很大的提高。
近年来由于市场竞争，精铸行业的技术交流受到一定影响，许多工厂的技术革新和宝贵的生产实践经验未能及时推广和交流。为此，作者收集了近年来国内部分硅溶胶型壳工艺精铸厂的生产经验、技术创造和小改小革，简要地向精铸同行介绍和推荐，希望有助于我国精铸件质量生产效率和工艺水平的提高。
限于篇幅和阅历，仅将在生产中已投入应用并取得实效的点滴经验摘要列出，期望能“抛砖引玉”，起到促进国内精铸业的经验交流广泛开展的作用。
以下内容按精铸件生产工序逐项进行介绍。
Ⅰ 制蜡模(组)工序
　　一．防止浇口杯“落砂”的措施
1．“翻边”浇口杯的制作。
为减少铸件“砂孔”缺陷，无论中、低温蜡硅溶胶型壳均应采用“翻边”浇口(图一)，在浇口(杯)模具上安放两个半圆镶圈，压蜡后浇口杯端面会形成凹槽(图二)。制壳后浇口会形成光滑的“翻边”，能有效防止浇口杯边缘的砂壳落入型腔内造成铸件“落砂”。
2．“防砂盖”的合理结构。
大部分工厂应用碳钢平板(厚2毫米的冲压件)作浇口杯上的“防砂盖”。在制壳后脱蜡前取下，经抛丸处理去除粘砂后再回用。平板形盖易在抛丸后翘曲、变形。若按图三形式采用凹凸的“帽式”盖，刚性大大提高，与浇口杯上平面接触面减少，制壳时不易出现缝隙防落砂效果更好，使用寿命可提高一倍以上。
3．低温蜡模组的浇口吊具。
由于硅溶胶型壳大多采用蒸汽脱蜡，故低温蜡组不宜沿用水玻璃型壳的木制浇口棒。为能按放“防砂盖”及在脱蜡釜中便于安放模组，应与中温蜡一样采用可卸式手柄作浇口吊具。低温蜡强度比中温蜡低，应根据浇口棒形式(直棒或丁字形、多叉型等)在制蜡棒时使用耐酸不锈钢制芯骨进行加固(图四、五、六)，在使用长型芯骨时应在浇口棒模具上两端定位，防止芯骨移位。
生产小件(≤200克)低温蜡模组也可采用工艺出品率较高的多叉型浇口形式。为防止蜡棒断裂，其截面积要比中温蜡大些。中心部分要加长芯骨(图五、六)。
二．低温蜡回收处理的改进
低温蜡(指石蜡、硬脂酸各50%，下同)由于硬脂酸有较高的酸值(210)，与型壳粘结剂中的Na2O会产生“皂化”反应，其皂化物在焙壳浇注高温下也不能消除，它是造成铸件夹杂的主要根源之一。硅溶胶中Na2O含量很低(0.25-0.5%)，仅为水玻璃(7-9%)的1/30，但在蒸汽脱蜡高压、高温条件下(0.2Mpa，110-140℃)皂化反应比热水脱蜡要强烈得多。其中硬脂酸还会与设备上的铁质零件反应生成硬脂酸铁(呈棕红色)，导致蜡料由白变红，收缩率增大脆性增加，使蜡模表面质量下降。严重时还会在搅蜡后糊状蜡中出现红色点状硬块(硬脂酸铁)，常会堵塞蜡枪口，恶化蜡料流动性，甚至无法进行压蜡。正确地处理回收蜡料减少皂化物及硬脂酸铁等杂质是保证蜡模和铸件质量的关键。
1．回收蜡处理时盐酸(HCl)加入量的确定。
蒸汽脱蜡时皂化反应虽激烈，但毕竟硅溶胶中Na2O含量很低，若仍按水玻璃型壳工艺加入HCl处理，则蜡料中残酸量过高，蜡料会变脆且对脱蜡设备的腐蚀会加剧。经测定，常年批量生产的三种型壳在长期未补加硬脂酸状况下其回收蜡中的酸值范围，如表一。
不同酸值时回收蜡处理时盐酸加入量可按公式计算得出(计算过程从略)[1]
由表二可知，硅溶胶型壳低温蜡处理时合理的盐酸加入量为1-3%，回收蜡酸值宜每月测定一次(方法按GB/T)，同时有两种或三种型壳工艺的工厂，低温蜡回收时若均用热水脱蜡，则应据实际测定的蜡料酸值按表二确定盐酸加入量。硅溶胶型壳用低温蜡回收处理后应每次补加3%(占回收蜡质量)新硬脂酸，以稳定蜡料酸值。
2．低温蜡中铁质的去除方法。
⑴硅溶胶型壳多数采用蒸汽脱蜡。若使用低温蜡则在长期生产中，蜡料会因硬脂酸铁的积累逐渐由白色转变为棕红色，蜡质也会恶化。一般除铁方法有电解法或加入活性白土法处理回收蜡[1]。前者须有专用设备生产效率低，后者易使蜡料夹灰增多，故至今较少在工厂中应用。最简易有效的除铁方法是：在回收蜡处理加入HCl的同时另加0.3－0.5%(蜡料质量百分数)的工业氟化钠(NaF，粉状)，氟(F)元素活性强，加热时能与硬脂酸铁生成氟化铁，其密度较大，易在水中沉降。同时，生成硬脂酸钠，在与HCl反应后可还原成硬脂酸。生产中连续加入NaF三个月后，蜡料会由棕红色渐变为洁白色，其性能也能复原。
⑵低温蜡除铁试验方法：取20克棕红色回收蜡料，置于400(或500)毫升烧杯中加入约300毫升水，同时加10克工业氟化钠(NaF)，将水煮沸5－10分钟后棕红色氟化铁(粘稠状)会沉降于水面下，蜡液倒于白纸上呈白色。
三．表面活性剂在蜡模工序中的应用
非离子型表面活性剂JFC已广泛应用于表面层涂料中，用以改善涂料对蜡模的湿润性、
涂挂性，同样它可在压制蜡模及清洗蜡组中使用。
1．用作中、低温蜡浇注系统压制时的脱模剂。
配方：将JFC加入至蒸馏水(或纯净水)中，质量比为水:JFC=4:1充分搅匀，使用前倒入装有泡沫塑料块的方形(或圆形)容器中(塑料或不锈钢制)，用小漆刷蘸后涂刷在浇口模具型腔中作脱模剂，与常用的甲基硅油(中温蜡用)或变压器油(低温蜡用)对比，JFC脱模剂有以下优点：
⑴JFC为非油性液体，附于蜡模(棒)表面能改善对硅溶胶或水玻璃涂料的润湿能力，故可大大减少在表面层涂料JFC的加入量(由原0.3%降为0.1%以下)，涂料中直接加入JFC会与硅溶胶有微弱的凝聚反应生成絮状反应物，易在铸件上生成条状“铁豆”缺陷，JFC加入量过多会影响铸件表面质量。
⑵JFC成本低，甲基硅油市价约45元/kg，变压器油25元/kg，而JFC水溶液仅3元/kg。
2．用作蜡模(组)的清洗剂。
油剂脱模剂常具有一定的粘滞性，蜡模修饰后蜡屑常会粘附于表面，难以刷、吹去除干净，这是铸件产生点状毛刺的原因之一。故无论中、低温蜡模或焊装后的模组均应经过清洗工序(多数厂忽视了蜡模清洗工序)，采用JFC水溶液作清洗液能满足中、低温蜡的质量要求，价廉而实用。
清洗剂配方：在自来水中加入0.2－0.3%(质量分数)的JFC(高纯产品，未加水者)，同时加入0.05%消泡剂(正辛醇)搅拌均匀，为避免长条形或薄壁件蜡模在清洗时损伤，也可在蜡模冷却水中加入0.2－0.3%JFC，代替水洗，蜡模水冷后表面有JFC薄膜粘附之蜡屑，极易用压缩空气或毛刷除净。
3．若采用乳化剂使水与JFC能混合均匀(乳化)，不易分离，沉淀更理想，JFC水溶液还可作中低温蜡模压制的脱模剂。配方：蒸馏水:JFC:Na2CO3＝4:1:0.5(质量分数)，外加0.05%正辛醇(消泡剂)[2]。
脱模剂中不宜加入NaNO3(亚硝酸钠)，虽可使钢压型不易锈蚀但实践证明它与硅溶胶有凝聚反应，对铸件表面质量有不良影响。压型可另采用及时除水、上油等方法防止锈蚀。
必须指出，JFC脱模剂对于复杂零件其脱模效果不如油类脱模剂，生产效率也稍低，可有选择地使用。
Ⅱ 制壳工序
　　一．型壳耐火材料的合理选用。
硅溶胶型壳的材料成本约占铸件生产过程成本的25%，其中耐火材料成本又为型壳材料成本的80%。为降本增利应针对不同材质和质量等级要求的精铸件选用性价比高的耐火料。
(一)表面层型壳砂、粉料的代用。
生产附加值较低、表面粗糙度及尺寸精度要求不高的商业铸件(Ra=12.5-25，CT7-CT10)，尤其是原为焊接件、锻件、砂型或壳型铸造件及水玻璃型壳生产的钢、铁、铜、铝有色金属
铸件，其型壳的表面层不必采用价昂、稀缺的锆英石，可改用优质高岭石熟料或石英、刚玉等耐火料，这在国内外工业、艺术品精铸生产中已成功应用[3][4][5][6][7]。
1．高岭石(莫来石)砂、粉。
优质莫来石砂、粉料因其杂质含量较低(表三)，可以用来生产熔点较低的碳钢、低合金钢、铸铁及铜、铝铸件，但不能用于生产高熔点的不锈钢、耐热钢或高合金钢件的型壳表面层，因铸件表面易产生粘砂、毛刺等缺陷。用作型壳表面层的砂粉料其质量应符合表四规定。其生产工艺要点是：
&1&粉料粒度宜用270目-320目，涂料粉液比要高(n≥1.8，η6=40-45秒)。
&2&砂料应用60/80目。因其密度比锆英砂小、硬度低(表三)、显气孔率高，砂中灰分难以去净，故不宜沿用锆英砂100/120目的细粒度，否则易造成型壳分层。
2．精制石英砂粉。
石英熔点虽仅;，由于其杂质含量很低(表三)故其耐火度接近熔点(;)。高纯度的精制石英用作型壳表面层砂、粉料可以生产不锈钢、耐热钢等各类精铸件，在艺术铸造中浇注铜、铝精铸件时也有不少工厂成功应用。由于石英热膨胀系数过大(α=123&10-71/℃)，故目前只限于平面不大(Φ＜200)或重量较小(＜5kg)的中小件，其工艺要点如下：
&1&石英粉、硅溶胶涂料对蜡模的涂挂性还比锆英粉、莫来石粉涂料要差，因而要求石英粉有较好的“双峰型”粒度级配，其粉料紧实密度ρ≥1.5g/cm3，才能保证涂料有高粉液比(n≥2.0)，否则涂料覆盖性过低，易产生铸件表面毛刺。
&2&撒砂粒度宜为70/100目，要求粒度较集中(表四)。过粗易产生毛刺，过细面层壳易分层。
&3&要充分注意调整好各层型壳砂粉热膨胀系数α值的匹配，才能保证不出现型壳开裂。
A．若面层砂、粉均为精制石英(硅溶胶型壳)，配制背层水玻璃涂料时(复合型壳)则应采用50%铝硅系耐火粉料(莫来石粉或高铝土、耐火粘土)和50%石英粉，而不能使用100%铝硅系粉料(均撒铝硅系耐火砂料)，否则高温焙烧时型壳会开裂。若采用100%铝硅系粉料的涂料，撒石英砂则也可避免型壳开裂[3]。背层涂料用100%石英粉，撒铝硅系砂料则强度过低。同理，全硅溶胶型壳也符合上述规律，但由于其高温强度远高于水玻璃或复合型壳，故可用100%精制石英粉作背层浆的粉料，但背层必须撒100%的莫来石砂。
B．若面层为锆英粉－硅溶胶涂料，撒砂不能用100%精制石英(或100%熔融石英)，否则脱蜡时及焙壳时会出现表层网状裂纹(α不匹配)。为防止裂纹产生可以采用精制石英砂与熔融石英砂各50%的混合砂(粒度均为70/100目)，这一工艺已成功用于批量生产[5]。
3．熔融石英砂、粉。
熔融石英其热膨胀系数α极小(α=5&10-71/℃)，配制成硅溶胶涂料其涂挂性甚至比精制石英粉涂料更差。尽管采用“双峰”级配粉料或加多量润湿剂等措施其面层涂料的覆盖性、涂挂性也难以满足生产要求，故极少应用于面层型壳。实践证明：在面层锆英粉涂料中为改善脱壳性和降低成本，加入熔融石英粉也限于10%以内(占锆英粉质量)，加入量超过10%涂料涂挂性覆盖性会急剧下降，国外生产中加入量多为5－10%[10]。国内一些工厂在表面层应用锆英粉涂料时，撒熔融石英及精制石英砂各50%的混合砂来取代锆英砂已取得了成功，但在使用范围上仍有一定局限性[5]。若采用锆砂20%+精制石英砂40%+熔融石英砂40%（质量分数）效果更佳，其混合砂密度可达到ρ=1.84g/cm3。
4．电熔刚玉砂粉。
电熔刚玉耐火度很高(;)，杂质含量低(表三)，高纯度的白刚玉其涂料的涂挂性也不如锆英粉涂料。目前市场价格接近于锆英石，故常用于生产高合金钢的硅酸乙脂涂料(面层)，一般商业铸件生产中应用较少。棕刚玉价廉，杂质含量较高，脱壳性较差，大部分用于硅溶胶型壳的面层撒砂料。但对于有复杂型腔的精铸件控制不当会造成清砂困难。选用优质的杂质含量低的棕刚玉作面层撒砂料是保证铸件质量改善脱壳性的关键[4][7]。
综上所述，各种耐火材料均有其自身的特点，但实践证明，对于硅溶胶型壳面层而言，锆英石(砂、粉)至今仍然是综合性能最好，铸件(型壳)质量最稳定，适应性最广、质量安全性最可靠的首选耐火料，难以完全取代。正像“汽油”对于飞机、汽车动力燃料难以被全面取代一样。应针对不同材质，质量等级的铸件合理选用性价比最高的耐火料，掌握其特点，扬长避短才能在保证铸件质量前提下进行“代用”，否则往往事倍功半，得不偿失。
注：1．电熔刚玉砂指棕刚玉。粉指白刚玉。
2．粉液比n指硅溶胶涂料中粉与硅溶胶的质量比。(粘度在使用范围内)
(二)背层型壳用高岭石熟料的正确选用。
硅溶胶型壳的背层耐火料对型壳整体的高温强度、抗蠕变能力及残留强度有决定性影响，同时在一定程度上也影响到铸件的尺寸精度、表面质量、型壳透气性等。应用原则是：型壳的高温强度、残留强度必须兼顾。
1．应采用煤系高岭土中“致密状”粘土或“炭质粘土”(均属煤矸石生料)。“致密状”粘土呈白色，系纯高岭土，其矿物组成中高岭石含量高(≥95%)(安徽淮北金岩高岭土公司生产的煤系硬质高岭土是典型代表)。“炭质粘土”含有少量煤质(河北唐山、辽宁南票等生产的是典型的煤矸石)。这两种高岭石经充分煅烧(℃)后的熟料加工成的砂、粉料(俗称莫来石砂粉)用于硅溶胶型壳具有较高的高温强度和较低的残留强度，已广泛应用于国内精铸行业。
典型工艺下硅溶胶型壳的高温强度比水玻璃型壳高6.8倍，残留强度高2.7倍[11]，故不宜再选用铝矾土类耐火料作背层型壳。铝矾土类的“高岭石”实质是低品位的铝矾土，其Al2O3含量等成份虽接近于高岭石，但矿物组成中高岭石含量低。如三等铝矾土Al2O342-52%，高岭石含量低(65-88%)，水铝石含量高(8-31%)，作背层料时型壳高温强度和残留强度均比使用上述高岭石高，脱壳性能差。
综上可知，为了兼顾型壳的高温强度和残留强度，应按表五要求选用硅溶胶型壳背层(包括过渡层)的砂粉料，仅仅根据成份、物相组成来选用是不全面的。
二．改善硅溶胶型壳脱壳性的有效方法。
1．精铸生产中为改善脱壳性能，常采取以下几种方法：
⑴降低硅溶胶SiO2%含量：加水稀释硅溶胶使面层涂料SiO2由30%降为25%－20%，降低型壳强度同时也使残面强度相应降低。此法适用于铸钢小件(≤200克)或有色金属(如铝合金)精铸件。
⑵选用煤系高岭土作背层壳砂粉料，以兼顾型壳高温强度和残留强度，改善脱壳性。
⑶在面层锆英粉涂料中加5-10%熔融石英粉，或采用混合石英砂撒砂[5][17]。
⑷在面层涂料中加入高分子聚合物(聚乙稀醇)[12]。
⑸采用“快干”硅溶胶作粘结剂制壳。
⑹在背层涂料中加入一定量的石英粉及熔融石英粉[5][8]。
2．利用熔融石英高温“析晶”、低温“相变”特点改善型壳脱壳性[13]。它相对上述几种方法质量风险小，效果好，性价比高，工艺方案如下：
⑴型壳过渡层(第2或第2、3层)涂料由100%高岭土改为混合粉料配比(质量分数%)如下：熔融石英粉50%(300目)＋精制石英粉30%(300目)＋莫来石粉20%(200或270目)。撒砂仍用莫来石砂或混合石英砂(30/50目或40/70目)(混合石英砂：熔融石英砂与精制石英砂各50%)。
⑵对于结构复杂、有深孔、窄槽、盲孔、弯孔等脱壳非常困难的精铸小件(≤5公斤)也可在过渡层和背层中部分或全部采用上述混合石英涂料。型壳高温强度足够但脱壳性可大大改善(残留强度低)。
⑶采用高效率(冲击能量大、震动频率高)的7655型等凿岩机改装后代替常用的G10风镐的震动机，可提高脱壳效率(表八)。
⑷可以结合上述面层涂料中加水、高聚物或熔融石英粉等综合方法进一步改善型壳脱壳性。
⑸生产中可增加涂料搅拌机或撒砂桶(机)，按各种零件对脱壳性要求高低采取不同的涂料及撒砂工艺，采取一种制壳工艺难以满足各类铸件对型壳性能的不同要求。
三．防止铸件产生“铁豆缺陷”的有效方法。
精铸件表面常有复杂的细纹、沟槽、齿形、字模、锐角极易在蜡模浸涂料后在该处会有气泡产生，导致铸件出现“铁豆”。除采用真空沾浆机外下述简易方法也很有效和方便：
1．喷涂稀涂料法。加硅溶胶稀释硅溶胶涂料至粘度η4＝8-10秒(已加入0.3%JFC&润湿剂&及0.05%甲基硅油&消泡剂&)。装入喷漆枪内，蜡模组浸涂前先在其易生气泡处利用压缩空气进行喷涂(料)，再浸入涂料中，取出轻吹再撒砂。此法可彻底消除“铁豆”缺陷。缺点是涂料消耗大、工作条件差(宜在通风罩中进行)。
2．喷涂硅溶胶法。在盛硅溶胶液桶内加入0.3%JFC及0.05%消泡剂，将喷漆枪料桶除去，接上塑料管插入桶内，利用压缩空气在蜡模易生气泡处喷硅溶胶，再浸涂蜡模组。缺点是除泡效果稍比喷涂料差些，但操作方便，成本低，工作条件好是其优点。
四．型壳干燥室的增湿方法。
表面层及过渡层干燥时工艺要求室内相对湿度为RH=60-70%，但在冬季湿度很低常会降至RH30-50%以下，致使型壳干燥时出现裂纹甚至剥落或鼓胀隆起，严重影响型壳质量。大部分工厂采用地坪浇水方法来增湿效果往往不理想，因气温低时(24±2℃)水分蒸发很漫，可采用以下增湿措施：
1．在室内顶部安装“负离子增湿机”与湿度表控制器联动实现RH值自动调整在RH低于60%时会自动喷出水雾增湿达到70%则自动停工作，适用于产量大，室内空间大的干燥室应用，还可运用小型“加湿机”（具有自动控湿功能）在较小的型壳干燥室内使用。
2．利用小型喷漆枪，卸下料桶，接上塑料管，直接插入硅溶胶容料桶内(内装自来水)，通压缩空气向室顶方向喷水雾增湿效果良好，可迅速使RH提高20-30%。也可利用脱蜡釜中蒸汽通入干燥室喷蒸汽增湿(向上喷，注意安全)。
3．将表层或过渡层型壳与背层模壳组在同一干燥室内分区或间隔存放，利用背层型壳水分挥发来增湿(注意第一二层型壳不允许吹风，背层则应风干)。
五．废弃型壳的回收利用。
生产1吨铸件约产生1.5吨左右废壳。按年产300吨精铸件计算废弃型壳回收，全年可节约10-15万元。型壳回用既可降低成本，又可减少环境污染，其经济、社会效益均很高，已得到全球精铸业的重视和认同。废壳回收工艺要点如下：
1．废壳回收仅指全硅溶胶壳中经高温焙烧或浇注的废壳。复合、水玻璃型壳或脱蜡后及浇注有色金属硅溶胶废壳不准混入回用，要严格控制回收壳的来源。定点回收和供应可保证回用料质量且能减少往返运输费用。
2．月产量在80吨以下的精铸厂，不宜自行处理废壳，型壳回收效率高产量大(日产约6-10吨砂粉)在精铸厂较集中的100-150公里范围以内设专业生产厂回收处理最经济(考虑运输成本)。
3．型壳回用的质量重点是：砂料“除尘”和粉料“去铁”。根据已投产工厂经验，回收型壳只适用于第三层以后背层壳作砂粉用，其质量可参考(表六)验收。应用回收废壳的工艺要点如下：
⑴粉料中游离铁含量是影响型壳高温强度、抗蠕变能力和脱壳性的主要因素。浇注后的型壳表面层上均有一层金属氧化膜(皮)存在，其中Fe2O3、FeO及其氧化物有磁性在去铁后可除去，但铬、镍等合金氧化物(FeCr2O4，MnCr2O4等)特别是浇注无磁性的，奥氏体不锈钢(304、316等)磁法去铁无效，在回收过程中难以除尽。但实践证明这类金属杂质熔点较高，在型壳高温焙烧(℃)或浇注金属后(壳温常在;以下)对型壳高温性能影响不大，多数工厂长期使用后未出现漏钢、型壳变形等状况。脱壳性能与新料对比变化不大，据测量新粉料FeO=0.1～0.3%，回用料FeO=0.2～0.5%(已经去铁处理)。据测定回用粉料中含有20%左右的锆英粉(质量百分数)，故其粉料密度较新料(莫来石粉)大，作背层涂料时宜选用270目，不应使用200目。因涂料粘度小、粉粒过粗易沉降，过细又会降低型壳透气性。
⑵砂中含粉量(通过150目筛网)对型壳性能有一定影响，应严格控制在≤0.5%。砂料粒度常为12/30目或6/20目(大件后几层)。
⑶反复多次回用废壳会使砂粉料杂质增多，若能新旧料掺和使用，可降低质量风险。实践表明，按新旧料各50%混合使用反复5次后第一次回炉料比例仅占3.15%[14]。可根据铸件特点和质量要求选用新旧料合适比例。
⑷粉中游离铁简易测定法：准确称量100克粉料，用强磁铁(磁场强度大于4000高斯)反复在粉中搅动，用漆刷掸去磁铁上的粉料，将吸附在磁铁上的黑色铁质(游离铁)质量之和G(g)(重复5-10次，使用精度0.01g的电子秤秤重)，G为FeO%(质量分数)。砂粒不能直接用磁铁吸附称重，因含铁之砂粒也会粘附其上。应碾碎后成粉(过150目筛)后按上法测FeO%。
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