熔模铸造型壳变形等缺陷分析

2014-07-11潘玉洪

凿岩机械气动工具 2014年4期

关键词：水玻璃面层涂料

潘玉洪

1 提出问题

优质型壳是获得表面光滑、棱角清晰、尺寸正确熔模铸件的主要条件之一。据不完全统计，熔模铸件的废品中约有60%是由于型壳缺陷引起的；因此，分析型壳产生缺陷的原因，采取有效的纠正和预防措施，可以有效提高型壳和铸件质量。

熔模铸造应用最早、工艺比较成熟的是水玻璃型壳。由于水玻璃价格便宜、货源充足，水玻璃配制的涂料，性能稳定、应用方便，采用氯化铵硬化剂进行化学硬化，强度建立快，湿强度大，制壳周期短；因此，至今仍然被广泛地应用。

水玻璃型壳由粘结剂和耐火粉料经过如图1 所示的工艺流程而制成。

水玻璃型壳常见的缺陷中，有的缺陷在浇注前能够及时发现，如型壳的裂纹等；而有的只能在浇注后，在检验铸件质量时才能发现，如型壳的变形、蚁孔等。

图1 水玻璃型壳制壳工艺流程

下面分析型壳的变形、鼓胀、裂纹，蚁孔、蠕孔，以及气孔等缺陷。

2 型壳变形

2.1 特征

型腔的尺寸不符合图纸要求（如图2）。

2.2 产生原因

（1）型壳高温强度低，其抗高温变形能力也低。型壳变形大部分是在脱蜡、焙烧或浇注过程中产生的。浇注时，靠近浇口的高温有可能使型壳发生变形。

图2 型腔变形

（2）涂料的粘度大，涂层过厚，涂料堆积；或硬化液浓度低，温度低，硬化时间短，硬化不足等原因，导致型壳的强度低。

（3）脱蜡液的温度低，脱蜡时间太长。由于蜡料的热膨胀系数大于型壳的热膨胀系数，脱蜡缓慢导致型壳在脱蜡的过程中受到各种应力的作用，型壳在脱蜡过程中变形。

（4）中小件型壳的焙烧温度过高、焙烧时间过长；或冷却过快；或焙烧时摆放不当（堆压、挤压等），使得型壳受力不平衡等原因，引起局部变形。

（5）焙烧炉不能满足工艺要求。

（6）焙烧与浇注配合不当，型壳在焙烧后的热态时，强度较高；温度下降时，强度随之下降。如型壳在冷态下浇注，型壳急剧升温热膨胀系数大，导致型壳变形。

2.3 防止措施

（1）采取以下措施，可以控制型壳的高温变形：

①水玻璃的模数m=3.0～3.4，密度 d=1.30～1.33 g/cm3配制的加固层涂料；

②选用硬化剂；氯化铝硬化的型壳比氯化铵硬化的型壳强度高；

③铝硅系粉、砂，代替硅石粉、砂；

④制壳工艺。如涂料粘度与撒砂粒度的合理配合，硬化工艺参数要确保型壳充分硬化；

⑤焙烧和浇注的合理配合，防止型壳在冷态下浇注。

⑥采用复合型壳，如水玻璃与硅溶胶型壳，水玻璃与硅酸乙酯型壳等。

（2）掌握、运用、控制涂料的“配比-粘度-温度”关系曲线；注意涂挂操作，使涂层均匀地覆盖；控制硬化液的浓度、温度和硬化时间，使型壳充分硬化。

（3）型壳制成后，停放 12～24 小时再脱蜡；选择合理的脱蜡工艺，脱蜡液的温度控制在95 ℃～98 ℃，脱蜡时间为 15 min～20 min，不超过 30 min；以及控制型壳在脱蜡过程中的摆放等。

（4）选择合理的焙烧工艺，氯化铵硬化的型壳焙烧温度 t=850 ℃～900 ℃，时间 h=0.5～2 小时；注意型壳在焙烧过程中的摆放，避免型壳彼此挤压；控制焙烧出炉的冷却速度等。

焙烧良好的型壳呈白色、粉白色或粉红色。

（5）加强焙烧炉的定期检测和日常维护保养，使其满足焙烧工艺要求。

3 型壳鼓胀

3.1 特征

型壳整体鼓胀，或局部涂层鼓胀。型芯鼓胀见图3，型壳内表面鼓胀见图4。

3.2 产生原因

（1）型壳分层的各种原因，如：

①水玻璃模数高，或涂料的粘度大；操作不当，或撒砂时间控制不当，使涂料或型砂局部堆积；硬化不良；

图3 型芯向型腔鼓胀

图4 型壳内表面层向型腔鼓胀

②面层硬化前的自然风干时间太长，与第二层涂料润湿和结合不好；

③涂料撒砂后，表面有浮砂；或面层砂的粒度过细，砂中粉尘过多或砂粒受潮含水分过多；导致第二层涂料与面层砂结合不牢；

④面层硬化后晾干的时间短，型壳局部表面残留过多的硬化液等原因。

（2）型壳抗高温变形能力低的原因，如：

①型壳高温强度低，其抗高温变形能力也低。型壳鼓胀大部分是在脱蜡、焙烧或浇注过程中产生；

②涂料的粘度大，涂层过厚，涂料堆积，或硬化液浓度低，温度低，硬化时间短，硬化不足等原因，导致型壳的强度低，抗高温变形能力也低；

（3）脱蜡液的温度低，脱蜡时间太长；

（4）中小件型壳的焙烧温度过高、焙烧时间过长；或冷却过快；或焙烧时摆放不当（堆压、挤压）等原因；

（5）焙烧与浇注配合不当，如型壳在冷态下浇注，型壳急剧升温热膨胀系数大，导致型壳鼓胀。

3.3 防止措施

（1）防止型壳分层的各种措施，如：

①制壳场地的温度宜保持在20℃～25 ℃；适当地降低涂料粘度，增加其流动性；必要时，在加固层涂料中适当地添加表面活性剂，改善涂料的涂挂性、覆盖性；注意操作方法，即型壳浸入涂料中，要上下移动和不断地转动，提起后滴去多余的涂料，使涂料均匀地涂挂和覆盖在型壳的表面上，立即撒砂，不能出现涂料或型砂的局部堆积；并充分硬化。

②型壳硬化前应自然风干一定的时间，一般为 15min～40min，以型壳“不湿不白”为宜；硬化后要晾干，使型壳继续渗透硬化，硬化更加充分；

③检验型砂的粒度和粉尘（粉尘含量≤0.3%），型砂在使用中的湿度应≤0.3%；并及时清除型壳上多余的浮砂；面层撒砂的粒度不要过细，以 40/70 或 50/100 目为宜。

（2）防止型壳变形的各种措施，如：

①选择合适的水玻璃模数和密度，选用涂料合理的“粉液比、粘度和温度”；用铝硅系粉、砂，代替硅石粉、砂；选用合适的硬化剂及选用合理的硬化工艺参数，控制硬化液的浓度、温度和硬化时间，使型壳充分硬化；

②注意涂挂操作，使涂层间均匀地覆盖；

③型壳制成后停放12～24 小时再脱蜡；脱蜡液的温度控制在95 ℃～98 ℃，脱蜡时间为15 min～20 min，不超过 30 min；

④氯化铵硬化的型壳焙烧温度t=850 ℃～900 ℃，时间 h=0.5～2 小时；控制焙烧出炉的冷却速度等。

总之，选用合理的（涂料、制壳、焙烧与浇注）工艺，或复合型壳等，提高型壳抗高温变形能力。

4 型壳裂纹

4.1 概述

型壳裂纹有两种情况，一是浇口杯产生裂纹（见图5）；二是型壳表面产生裂纹（见图6）：

浇口杯裂纹特征：型壳的浇口杯有裂纹，严重时浇口杯开裂。

型壳表面裂纹：在型壳的表面上有弯曲的、深浅不等的裂纹。

4.2 产生原因

（1）涂料中水玻璃的模数，或密度不当；涂料中的粉液比过低；或硬化剂的浓度、温度和硬化时间不当，硬化不充分；或型壳在硬化前的自然风干时间短，不利于硬化剂的继续渗透硬化，影响了硅凝胶的连续性和致密性；或型壳的层数不够等原因，导致型壳的强度低，出现了裂纹。

（2）涂料层涂挂的不均匀，或撒砂层厚薄不均；尤其是浸涂料后没有撒上砂的部位，硅凝胶在收缩时受力不均匀，导致型壳产生裂纹。

图5 浇口杯裂纹

图6 型壳表面裂纹

（3）脱蜡液的温度低，脱蜡时间太长。由于蜡料的热膨胀系数大于型壳的热膨胀系数，脱蜡缓慢将导致型壳在脱蜡的过程中受到各种应力的作用；如果超过此时型壳的强度极限，就会产生裂纹，甚至开裂。

（4）焙烧时，型壳入炉温度高，升温过快，或高温出炉急冷；或型壳多次焙烧，产生微裂纹，甚至裂纹，降低了强度；或型壳的高温强度低，使型壳在焙烧时产生裂纹。

（5）清理浇口杯时，机械损伤浇口杯。

4.3 防止措施

（1）采用下列措施，可以提高型壳的高温强度。

①水玻璃的模数m=3.0～3.4，密度d=1.30～1.33 g/cm3配制的加固层涂料；

②采用合理的涂料配制工艺，并执行涂料的“配比-温度-粘度”曲线；

③采用合理的硬化工艺，控制硬化剂的“浓度-温度-硬化时间”；或选用氯化铝代替氯化铵硬化型壳；

④合理的制壳工艺，如涂料粘度与撒砂粒度的合理配合，硬化工艺参数要确保型壳充分硬化；

⑤采取措施增加型壳强度，如常用的增加型壳层数，或采用复合型壳等；必要时大件型壳可用铁丝加固等。

（2）蜡模浸入检验合格的涂料中，上下移动和不断地转动，提起后滴去多余的涂料，使涂料均匀地覆盖在模组或涂层的表面上；不能漏涂或出现涂料的局部堆积；并及时、均匀撒砂。

（3）适当提高脱蜡液的温度，控制在95 ℃～98 ℃；缩短脱蜡时间，以 15 min～20 min，不超过30 min 为宜；水玻璃型壳脱蜡的要点：高温快速。必要时，改进脱蜡方法。

（4）选用合理的焙烧工艺，氯化铵硬化的型壳焙烧温度 t=850 ℃ ～900 ℃，时间 h=0.5～2 小时；并严格执行；必要时，采用阶段升温，或冷却；型壳焙烧不能超过2 次。

焙烧良好的型壳呈白色、粉白色或粉红色；焙烧不良的型壳呈深色或深灰色，表示型壳残留较多的碳分。

（5）清理浇口杯时应仔细，避免机械损伤；必要时，改进浇口杯的结构。

5 蚁孔

5.1 特征

型壳的内表面上有分散或密集的小孔洞，如图 7、图 8 所示。

5.2 产生原因

（1）配制面层涂料时，涂料中的粉液比太低（≤1：0.8）。在正常使用温度下，涂料的粘度低（涂料在粉液比相同的条件下，其粘度随着温度的提高而降低），蜡模上的涂料层太薄；而面层砂的粒度较大。尤其是使用沸腾法撒面层砂时，砂粒易穿透涂料层，在型腔形成蚁孔。

（2）蜡模中的硬脂酸含量过低，或蜡模在涂挂前没有进行表面脱脂处理，降低了蜡模的润湿性和涂挂性。

（3）涂料对蜡模的润湿性差、涂挂性差。

（4）蜡模组装不当，或涂挂面层的浸涂、撒砂方法不当，或控料时间太长，使模组的中、上部局部涂料层太薄，如图8 所示，甚至没有涂料层，易使型腔产生局部蚁孔。

5.3 防止措施

图8 型腔内，均在蜡膜的上部产生蚁孔

（1）配制面层涂料时，在专用配料桶中，不断搅拌水玻璃、表面活性剂，再徐徐加入粉料；当水玻璃模数为 3.0～3.4，密度为 1.25～1.28 g/cm3时，粉液比为1：1.0～1.3 为宜；充分搅拌后的涂料要进行8～12 小时的回性处理；再选用相应的面层砂粒度，一般选用50/100 或40/70 目的石英砂；面层砂应使用雨淋法撒砂。

（2）蜡料中的硬脂酸含量不能低于50%，可以适当的提高硬脂酸的含量（一般为5%～10%），以利于提高蜡模的润湿性，改善蜡模的涂挂性。

模组浸涂前要用脱脂液（浓度为0.3%的表面活性剂或中性软肥皂水溶液）去除蜡模表面残留的分型剂或脱模剂，以改善蜡模表面对涂料的润湿能力，改善涂料的覆盖性，提高型壳的表面质量。

（3）在面层涂料中加入适量（一般为粘结剂质量的0.1%～0.3%）的表面活性剂（如农乳130，或JFC），以利于降低涂料的表面张力，增加涂料对蜡模的润湿作用，改善涂挂性。

涂料中加入表面活性剂后，在搅拌过程中易产生气泡，所以应加入消泡剂（常用有机硅树脂系消泡剂，加入量为粘结剂质量的0.05%～0.1%）。

（4）改进蜡模组装，注意型壳面层的涂挂操作，使涂料均匀、完整地覆盖在蜡模的表面上；及时撒砂。