精密铸造4种制壳工艺(yì)特点分(fèn)析及改(gǎi)进方向
发(fā)布时间: 2020-04-24 来源:洛阳米兰官方网页版和顺祥机械有限公司 点击:2628
对目前国内精铸行(háng)业中广泛应用的4种制壳工(gōng)艺的特点进行(háng)了分析对比(bǐ)。从精铸件质(zhì)量比(bǐ)较,水(shuǐ)玻璃型壳较差,复(fù)合型壳、硅溶胶(jiāo)-低温(wēn)蜡型壳次之,硅溶胶一中温蜡型壳zui好。而从制壳成本(běn)比较,水玻璃型壳(ké)zui低(dī),硅溶胶一中温蜡型壳zui高。对这4种制(zhì)壳工艺分别提出了改进措(cuò)施。
目前国内(nèi)精铸件生(shēng)产中广泛采用的(de)制壳工艺有以下4种:
A.水玻璃型壳;
B.复合型壳;
C.硅溶胶型壳(低温(wēn)蜡);
D.硅(guī)溶胶型壳(中温蜡)。前(qián)3种方(fāng)案均(jun1)使用低温蜡(là)(模)。
我(wǒ)公司4种工艺兼有,以充分(fèn)满(mǎn)足市场对精铸(zhù)件质量、价位的不同需(xū)求、增(zēng)加(jiā)市场竞(jìng)争力和适应力。
1、水玻璃型壳
这一(yī)工艺在国(guó)内已有(yǒu)近50年的(de)生产历(lì)史,其(qí)厂点数至今(jīn)仍占我国精(jīng)铸厂家的(de)75%以上。经过(guò)精铸界同(tóng)仁(rén)个半世纪的(de)不懈(xiè)努力,水玻璃型壳工艺的应用和研究已达到了很高(gāo)水平。
多年来由于(yú)背层型壳耐火材料的改进和新型硬化剂的推广应用,水玻璃型(xíng)壳(ké)强度有了(le)成倍增长(zhǎng)。铸件表面质量、尺寸精度(dù)及成品率有了很(hěn)大提高(gāo),目前仍占很(hěn)大的(de)市场份(fèn)额,并替代国外砂铸件成批出口。
低廉的成本、zui短的生产(chǎn)周期、优良的脱壳性能及高(gāo)透气(qì)性(xìng)至今仍是其他任何(hé)型壳(ké)工艺所不及的优(yōu)点。但铸(zhù)件的质(zhì)量,包括表面粗(cū)糙度、缺陷数量(liàng)、尺寸精度、成品率、返修率等均比其(qí)他3种工艺要差
1.1存(cún)在的主要问题(tí)
(1)水玻璃粘结剂固有的缺点是Na2O含量高,型(xíng)壳高温强度、抗蠕变能力远不及硅溶(róng)剂(jì)型壳(只有它的1/30-1/50)。加之面层耐火料采用了价低质次(cì)、粒度级(jí)配(pèi)不良的石英砂(粉),硬化剂至今仍(réng)限于使用(yòng)氯化氨,因而必然不(bú)能获得(dé)高质量的精铸件。
(2)型壳生产条件(jiàn)差(chà),缺乏严格的生产过程(chéng)及参数(shù)的控制。由(yóu)于硬化(huà)剂的强腐(fǔ)蚀性(xìng),除尘设备的简陋,很(hěn)少车间有恒(héng)温、恒湿(shī)、除尘的生产环(huán)境。影(yǐng)响型壳和(hé)铸件质量的涂料配(pèi)制、硬化、风干、脱蜡等工序(xù),极少(shǎo)按行(háng)业(yè)规定的操作规范严格控(kòng)制。如定期检测涂(tú)料粘度、涂片重、硬化剂浓度、pH值(zhí)等。型(xíng)壳风干处的温度、湿度、风速等更是不加控制,故常(cháng)在高、低温或梅(méi)雨季节发生批量报废的质量事故(gù)。总(zǒng)之,大部分(fèn)工厂(chǎng)停(tíng)留在(zài)手工作坊阶段(duàn),靠(kào)技艺而不是靠科学的质(zhì)量管理(lǐ)进行生产。这是水玻璃型壳数十年来铸件质量(liàng)不稳定、废品率、返修率高的重(chóng)要原因之一。
1.2改进方向
(1)采用高纯度(dù)的硅微(wēi)粉(脉石(shí)英)代替常用的低品位(wèi)的石英砂粉作面层耐火(huǒ)材料(liào),并应用“双峰”型粒度级配的圆形石英粉配制面(miàn)层涂料。不(bú)仅可提高面层(céng)型壳的(de)热化学稳(wěn)定性,而且可(kě)以获得(dé)高粉液比涂料。我(wǒ)厂(chǎng)用模数为3.4、密度为1.28g/cm3的水玻璃配(pèi)料(liào),粉液比(bǐ)可达到1.4。硅微粉(fěn)的技术要求见。
经湿法球磨、单槽沉淀、磁(cí)选(xuǎn)及离子高纯(chún)水处理(lǐ),自(zì)然形成(chéng)圆形,双峰(fēng)粒度级配,这种高纯低杂质(zhì)的粉粒,比人工级配更(gèng)理想。已在(zài)我公司(sī)实(shí)际应用,效果良好。
(2)加强制(zhì)壳工序的(de)现场质(zhì)量管理,按行(háng)业标准操(cāo)作。同时应将涂料、撒砂(shā)、硬化场(chǎng)地与型壳(ké)干燥间隔离。后者控制(zhì)温度、湿(shī)度,前者加强除尘、防腐,从(cóng)而有利于型壳质量的稳定及改善操(cāo)作环境。
(3)采用石(shí)英-硅溶胶(jiāo)型壳代替一、二层石(shí)英-水(shuǐ)玻璃型壳,彻底取消面层和过渡层的水(shuǐ)玻璃及氯(lǜ)化氨(ān)硬化剂(jì)。计算(suàn)表明铸(zhù)件成本仅增加0.46元(yuán)/kg,而制壳生产周(zhōu)期(qī)与水(shuǐ)玻璃(lí)型(xíng)壳基本(běn)相同。
2、复合型壳
为克服上述水玻(bō)璃型壳的缺(quē)点,目前不少工厂将一、二层改用锆英(yīng)石及莫来石-硅溶胶型壳。背层仍采用原有水玻璃型壳工(gōng)艺(yì)。它是结合硅胶(jiāo)型壳的优良的表面质量和水玻璃低成本(běn)、短周期的(de)优点的一种改进方案。与水玻璃(lí)型壳(ké)相比,其铸件表面质(zhì)量有了很大提高,表(biǎo)面粗糙度(dù)降低(dī)、表面缺陷减少、返修率下降。可应用于不(bú)锈钢、耐热钢等高(gāo)合金钢。生产周期则比低温蜡-硅溶胶型壳短得多,与水玻璃型(xíng)壳(ké)相近。
2.1存在的(de)主要问题(tí)
(1)由于背层保留了水(shuǐ)玻璃(lí)粘结剂,故其型壳整体高温强(qiáng)度、抗蠕(rú)变能力(lì)比硅溶胶型壳(ké)低。其型(xíng)焙烧温(wēn)度只限(xiàn)于950℃以下。900℃以后(hòu)型壳变形量增加了30%。而(ér)硅溶胶型壳焙烧温度(dù)可达1000-1200℃,在(zài)1000℃以前型壳(ké)不变形。故复合型(xíng)壳浇注的铸(zhù)件尺寸精(jīng)度(包括形位公差)均比不上硅(guī)溶胶型壳。往往在浇注大型(xíng)(10kg以上)铸件时(shí)要(yào)采取增加硅溶(róng)胶型(xíng)壳层数的方法(一般至少增加2层)以求(qiú)获(huò)得高的高温强度及防止铸件变形。
(2)由于型壳前2层是影响(xiǎng)型壳(ké)透气性的主因,由水玻璃(lí)型壳改为硅溶胶后,型壳(ké)的整体透气性(xìng)大(dà)幅降低,在焙(bèi)烧温度较低、保温时间不够长时,常会造成铸件气孔及浇(jiāo)不足、冷(lěng)隔等缺陷,故复合型壳较难应用于薄壁(δ≤3mm)件、小件及(jí)特小件(jiàn)(小于50g)。又因型壳(ké)高温强(qiáng)度不及硅溶胶型壳,更易造成(chéng)上述废品。总之,复合型壳的透气性不如水玻璃型壳也不如硅溶胶(jiāo)型(xíng)壳。
(3)复合型壳铸件质(zhì)量稳(wěn)定性比(bǐ)水(shuǐ)玻璃好,但远不如硅溶胶型壳。其背层仍保留(liú)水(shuǐ)玻璃粘结(jié)剂,为降低成本(běn)仍采用价格较低、质量不稳定的耐火材料,如(rú)粘土、颗粒粒砂等,且在制壳工艺控制方面与水玻璃型壳相(xiàng)同,导致铸件质量稳定性差。尤其是10kg以上的大件及1kg以下的小件,废品率(lǜ)及返修率均比硅溶胶型壳高。
(4)复合(hé)型壳由于采用价(jià)昂的锆英石作(zuò)面层(céng),其型壳成本(běn)是(shì)水玻(bō)璃型壳的4.5倍,若背(bèi)层采(cǎi)用莫(mò)来石砂粉,其型(xíng)壳成本与(yǔ)硅溶胶(jiāo)型壳成本相差无几,每kg铸件(jiàn)成本(běn)仅相差(chà)1元。其成本低的优(yōu)势并不(bú)明(míng)显。
(5)复合型壳不能使用中温蜡料。中温蜡不能使用热(rè)水脱蜡。在高压釜中脱蜡时(shí),由于高温、高压(170℃,0.7MPa)中温(wēn)蜡液(yè)会与(yǔ)背(bèi)层中的水玻璃及(jí)残留(liú)硬化(huà)剂产(chǎn)生(shēng)剧烈的皂化反应(白色泡沫(mò)状皂化物),不经(jīng)回收处理无法回用。而硅溶胶(jiāo)型壳,则可以应用(yòng)低(dī)、中温蜡,无此(cǐ)弊病。
综上所述(shù),复合(hé)型壳(ké)是(shì)水玻璃型(xíng)壳的改进,在铸(zhù)件表面质量、成品率及返(fǎn)修率方面比前者优越,但与(yǔ)硅溶(róng)胶(jiāo)型壳仍有本质差别。除生(shēng)产(chǎn)周期(qī)较(jiào)短,制壳成本稍低之外其(qí)铸件质量及稳(wěn)定性不及硅溶胶型壳。
2.2改进(jìn)方向
(1)采用石英代(dài)替锆英砂用于面层(céng)型壳耐火材料(liào)。铸(zhù)件表面质量不完全取决于面层型(xíng)壳耐火(huǒ)材料,而与粘结剂有密切关系,也与蜡料(liào)有关(蜡模表面粗糙度(dù)、皂化物残留等(děng))。复合型壳只(zhī)能采用低温蜡,大部(bù)分应用于表(biǎo)面粗糙度(dù)中等(Ra=6.3-12.5)、尺(chǐ)寸精度不甚高(gāo)(CT4-CT6)的精铸件,实践证明(míng)采用石英(yīng)-硅溶(róng)胶面层代替(tì)锆英石-硅溶胶是(shì)完全可行的。
这(zhè)一措(cuò)施使每t铸件型壳成本由(yóu)原4150-4830元(yuán)下降到1360元,与水玻璃型壳比仅增加460元(yuán)。
(2)加强制壳(ké)工序尤其(qí)是背层制壳的质量管理(lǐ)及环境改善(详见本文1,2节(jiē))。
(3)背层应(yīng)当(dāng)采用质量稳(wěn)定、高温性(xìng)能优良而成(chéng)本相对(duì)低廉的耐火材料,同时要兼(jiān)顾(gù)与面层型壳耐火材料膨胀率相匹(pǐ)配。推荐下列2种常用的背(bèi)层材料。
①耐火粘土(tǔ)-石英(yīng)粉涂料(各50%),撒颗粒(lì)砂(耐(nài)火砖废料破碎过筛而制成),其(qí)优点是来源广、价格低,其型壳高温(wēn)强度和抗蠕变(biàn)能(néng)力均(jun1)高于(yú)莫来石、铝矾土。价格仅为铝矾土的1/2-1/3。它适用(yòng)于锆英石或石(shí)英石作面层的复合型壳。
②耐火粘土-颗粒粉涂料(liào)(体积比为3:7),撒颗粒(lì)砂。此方案只适用于锆(gào)英石复合(hé)型壳(ké)。有些工厂(chǎng)复合型壳背层采用(yòng)莫来(lái)石砂粉(fěn)或铝矾土,其(qí)涂(tú)料性能较稳定,壳薄、易焙烧,但(dàn)成本过高且其型壳高温性能不及上(shàng)2种型壳。铝矾土脱壳性(xìng)能较(jiào)差。至于废陶瓷器皿、硫璃瓦、地(dì)砖等破(pò)碎而成的(de)材料价(jià)格虽低(dī),但未经高(gāo)温烧成,成分复杂,型(xíng)壳高温开裂倾向大,耐火度偏低。浇(jiāo)注后(尤(yóu)其是厚大件)脱壳困难,不宜采用。
3、硅溶胶(低温蜡)型壳(ké)
这一工艺符合国(guó)情(qíng),在(zài)铸造1kg以上,特别是5kg以上(shàng)中大(dà)件铸件时,具有更大(dà)的适应性和(hé)优越(yuè)性(xìng)(与中(zhōng)温(wēn)蜡相比)。
一(yī)般来说,中大(dà)铸件的(de)质量要求(qiú),特(tè)别是(shì)表面粗糙度、尺(chǐ)寸精度(dù)以及形位公差的要求不会太高,采用高(gāo)熔点中温蜡并无(wú)必要。中温蜡(là)需要高压(大于6-7MPa)或液态蜡压注蜡(là)模,设备投资大。中温蜡厚大蜡模易缩陷、变形、成本高。低温蜡成(chéng)型容易、设(shè)备简(jiǎn)单,而蜡模(mó)表面(miàn)粗(cū)糙度相差不大(dà)。
这一工艺比复合型壳质量稳定,尤其是铸件尺寸精度高,因(yīn)它没(méi)有水玻璃存在,型壳高(gāo)温(wēn)性能好,在1000-1200℃焙烧后型壳透气性(xìng)高,抗蠕变能力强,既可适用于薄壁件,复杂(zá)结构的(de)中小件(jiàn),又可生产重达50-100kg的(de)特大件,如水泵、叶轮、导流壳、泵体、球(qiú)阀(fá)体、阀板等。对于薄壁中小件或大件可以(yǐ)采(cǎi)用叉壳或抬壳在炉前直接浇注,更可获得高(gāo)成品率。
3.1存在问(wèn)题
(1)由于采用低温蜡,大(dà)部(bù)分(fèn)型(xíng)壳在(zài)水中(zhōng)脱蜡,难免有皂化物残留进入型壳中(尤其是复合型(xíng)壳及水玻璃型壳同时脱蜡时)易产生(shēng)铸件(jiàn)表面(miàn)夹(jiá)杂,返修率(lǜ)稍高,这(zhè)是其缺点之一。
(2)制壳生产周期长是它的zui大缺(quē)点(diǎn)和不足,尤其在生(shēng)产大(dà)件,有深孔、深槽件时,每层干燥(zào)常要(yào)24-48h。以50kg双流道叶轮为例,常须(xū)10-15d
制壳时间,稍(shāo)有(yǒu)未干透(tòu)之死(sǐ)角,在水脱蜡时会造成硅溶胶回(huí)溶,型壳裂纹(wén)。
(3)硅(guī)溶胶型壳(低温蜡(là))型壳成本较水玻璃型壳高5倍(每t铸件制壳成本为5000元),比复合型壳高(gāo)17%。铸(zhù)件成本相应较(jiào)高。
3.2改进方向
(1)为防止因低温蜡回收处理不彻底及用(yòng)水脱蜡时(shí)与复合型壳或水玻(bō)璃型壳共用同一热水槽,易产生铸(zhù)件皂化物夹杂缺陷应(yīng)采取以下(xià)措施。
①采用蒸气脱蜡(蒸气压力0.2-0.4MPa,温度120-130℃)代替水脱蜡,不仅可以防止(zhǐ)皂化物夹杂而且型壳不易产生裂纹(wén),对铸件的质量稳定(dìng)更有保障。
②若采用热水脱蜡,应在水中加人体积分数为1%-3%的(de)工业盐酸,脱蜡后再用含盐(yán)酸的热水冲洗每组(zǔ)型(xíng)壳以减少皂化物残(cán)留。尽可能不要与水(shuǐ)玻璃(lí)型壳、复(fù)合(hé)型壳(ké)共用同一槽水脱(tuō)蜡,也可更换水(shuǐ)液,单(dān)独集中脱蜡,以(yǐ)减少皂化(huà)物入壳。
③回收蜡(là)处理可用盐酸的体积分数为3%-5%的酸化水,沸腾及沉淀时间要足够长(zhǎng)。冬季硬化(huà)水温度低,水(shuǐ)玻璃及(jí)复合型(xíng)壳中Na2O的残(cán)留量高(gāo),蜡料(liào)皂化也较严重,应多加盐酸处理回收蜡,减少皂化物。蜡(là)料(liào)处(chù)理后,及时补加硬脂(zhī)酸也(yě)很重要。
(2)为缩短制(zhì)壳生产周期,可(kě)采用“快干(gàn)硅溶胶”制壳(ké),此工艺已日渐成熟(shú),其(qí)各层型壳(ké)干燥(zào)时间可缩短1/2以上。小(xiǎo)件各层(除zui后层外)干燥仅须3h,制壳时间由(yóu)原63h缩短为24h。中大(dà)件也较一般硅溶胶缩(suō)短50%。而其市场(chǎng)价只(zhī)提高(gāo)20-30%,完(wán)全可(kě)由场地、电耗的(de)减少及生产率的提高来弥(mí)补。快干硅溶胶的推(tuī)广应用是(shì)硅溶胶制(zhì)壳工艺的改革必(bì)由之路,将会逐步扩大(dà)应用。
(3)为降(jiàng)低硅溶胶型(xíng)壳的成本,zui有效的方法是采用石(shí)英(yīng)石代替锆英(yīng)石(shí)作面层型(xíng)壳耐火(huǒ)材料。目(mù)前(qián)锆英石耐火(huǒ)材料占(zhàn)整个硅溶胶制(zhì)壳(ké)成本的60%,改用(yòng)石英后每t铸件制(zhì)壳成本由5000元降为2210元,下(xià)降55.8%。中(zhōng)大件可采用熔(róng)融石(shí)英砂(粉)取代锆英砂(粉(fěn))已逐(zhú)步在推广应用。
4、硅溶胶(中温蜡)型壳
这是国际上(shàng)通用的精铸件生产工艺,它具有zui高的铸(zhù)件质(zhì)量(liàng)、zui低的返修率,特(tè)别适合于表面粗糙度要求高(gāo)(Ra0.8-3.2),尺寸精度高(CT3-CT5级)的中小件、特小件(2-1000g)。但由于(yú)设(shè)备及(jí)成本***,较少应(yīng)用于中大件(5-100kg)。
4.1存在(zài)问题
(1)成本高,其型壳生产成本是水玻璃型壳的8倍。比低温蜡-硅溶胶型壳(ké)也高出25%。主要原因是其制(zhì)壳、蜡模材(cái)料成本高(gāo),且设备耗电也大得多,设备投资也大。
(2)生产周期(qī)与低温蜡-硅(guī)溶胶(jiāo)型壳(ké)相同,比(bǐ)水玻璃(lí)及复合型壳长得多。
(3)生产5-50kg的中大件往(wǎng)往要采用中温液态蜡(là)(65-70℃)及高压(4.0-7.0MPa)注蜡,厚壁蜡模易缩凹,铸件(jiàn)尺寸精度并(bìng)不(bú)太高(gāo),中(zhōng)大件对尺寸精度、表(biǎo)面(miàn)粗糙度要求也没有小件那么(me)高(gāo),故中大件较少采用(yòng)硅溶胶(中温蜡)型壳。
4.2改进(jìn)方向
(1)为降低(dī)成本,保证质量,在解(jiě)决(jué)了(le)石(shí)英对中温蜡润(rùn)湿性很差的难题后,采用石英石或熔融石英代替锆(gào)英(yīng)石(shí)无疑是一方向(xiàng)。熔融石英其热膨胀(zhàng)系数仅为5×10-7/℃,且其价格(gé)只有锆英(yīng)石(shí)的1/6。在(zài)国(guó)外,熔融石英已逐步(bù)在扩大应用范围。
(2)采用快干硅溶胶缩短制壳周期是(shì)国内(nèi)外(wài)同行共同(tóng)努力的(de)方向(见前述)。
(3)研制国(guó)产(chǎn)的中温蜡(là)或(huò)改进石蜡一硬脂(zhī)酸低温蜡是我国精铸界的(de)重(chóng)要任(rèn)务。如何(hé)解决国产中温蜡或改进型的(de)低温蜡回收处理的难题,使其(qí)在生产(chǎn)中(zhōng)能长期保持蜡料性能不变化是能否推广应用的关(guān)键。
5、结束语
(1)各种型壳工艺有(yǒu)其不同的适用(yòng)对象,选择的(de)依据是:铸件的质量要(yào)求、价位及交货期。综合考虑(lǜ),正确(què)选用zui经济合理的制壳工艺方案是保证(zhèng)生产(chǎn)优质、低成本铸件的基础。
(2)水(shuǐ)玻璃(lí)型壳虽有不少优点但粘结剂本身固(gù)有的缺点(diǎn)使铸件质量难以提(tí)高,质量稳定(dìng)性也差。今(jīn)后将会逐步被复合型壳,尤其是成本(běn)低的石英(yīng)一硅溶胶复合壳所取代。
(3)硅(guī)溶胶(jiāo)是理想的粘结剂,其(qí)型壳质(zhì)量高,铸件质(zhì)量稳定,返修率低,是今后的发展方向。石英石、熔融石英耐火料在面层型壳中的应用,快干硅溶胶的推广,将其生产成本及制壳周期大大降低和缩短(duǎn),克服了这2点不足(zú),硅溶胶型(xíng)壳(低温蜡或中温蜡)将(jiāng)在我国(guó)精铸界得到广(guǎng)泛应用,毕竟(jìng)高(gāo)的(de)铸件质(zhì)量是zui重要的指标。