水玻璃型壳熔模铸造制壳工艺过程控制
【摘 要】本文论述了熔模铸造水玻璃型壳的质量控制要求及生产管理的要点。实践证明，通过加强型壳工艺中关键过程控制和质量影响因素的综合控制，使产品质量及成品率有了明显的提高。
【关键词】水玻璃；熔模铸造；制壳；工艺；控制 水玻璃粘结剂价格低廉，制壳周期短，因而水玻璃型壳精密铸造工艺在我国使用较广，但是水玻璃型壳熔模铸造与传统砂型铸造相比还是存在材料贵，工艺过程繁杂，出产周期较长的问题。而型壳作为影响铸件质量最为关键的因素之一，如何对其质量进行有效控制，具有很大意义。
本文将从制壳原材料的控制，制壳环境及制壳工艺过程控制与管理等方面，同时结合生产实践进行论述，以实现提高型壳质量，并最终在到提高铸件的质量及成品率的目的。
1.原材料的选择与控制
1.1水玻璃粘结剂的质量控制
熔模铸造使用的为钠水玻璃。水玻璃的主要性能参数有模数（M）、密度（ρ）和粘度，其中M是水玻璃的一个重要参数，可用如下公式表示。M=w（SiO2）/w（Na2O）×1.032，式中w（SiO2）、w（Na2O）分别为SiO2、Na2O的质量分数，以%表示，1.032为Na2O与SiO2相对分子质量之比。
水玻璃密度ρ间接表示其中的Na2O.mSiO2的浓度。M取决于SiO2和Na2O 的相对含量，而ρ的高低又决定着SiO2 的含量。M 和ρ直接影响型壳的表面强度、常温强度、高温强度及残留强度。在生产中， 水玻璃的M一般控制在 3.0～3.4，面层涂料ρ控制在1.25～1.28g/cm3。加固层ρ控制在1.30～1.34g/cm3。当M和ρ不符合要求时，用酸或碱来调整M ，用水或高密度的水玻璃调整ρ。粘度也是水玻璃的一项较重要的性能参数，它直接影响涂料和型壳的性能，影响水玻璃粘度的因素有模数、密度、温度等，水玻璃粘度随着M增大、密度增高、温度降低而上升。
由于水玻璃中有游离的SiO2存在，储存一定时间后，SiO2沉积在容器的底部，导致水玻璃模数下降。所以，在使用过程中，除了在水玻璃卸车时化验一次外，在存放24 小时后应再化验一次，以保证到货水玻璃满足要求。
1.2粉料对型壳质量的影响与控制
涂料中的粉料粒度应合适，涂料中的粉料较粗时，涂料沉淀快，工艺稳定性差，导致铸件表面粗糙。而过细的粉料对面层涂料的影响较大，涂料不易控制，导致蜡模上涂层过厚，拐角、沟槽处堆积严重，硬化不透，型壳经焙烧后，内表面粉化脱落，冲砂和夹砂等缺陷明显增加。在实际生产中，选择合适的粉料为平均粒径在35～50μm。这种粉料配制的涂料，既提高了粉液比，又提高了工艺稳定性。
1.3表面活性剂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料的表面张力，增加涂料对熔模的润湿作用，改善涂挂性。表面活性剂应满足易溶于水；降低表面张力；具有良好的润湿性和渗透性；产生泡沫少且泡沫稳定性低；不与涂料组份发生化学反应等条件。
在实际生产中，为改善涂料对蜡模的润湿能力，蜡模在制壳前先用洗衣粉液对其表面进行清洗，除去其表面的蜡屑及油性物质。在面层涂料中加入聚氧乙烯
烷基醇醚，降低涂料的表面张力，改善涂料的涂挂性和对蜡模的润湿能力，降低涂料粘度，使胶团分布均匀，凝胶均匀析出，有助于提高型壳强度。通常其加入量为0.1%～0.3%，视粗细粉含量不同而适当加入。
2.制壳环境的控制
制壳环境这里主要是指生产环境的温度控制。由于水玻璃—石英粉涂料对气温的敏感性较大，一方面随着涂料温度升高， 其密度、流杯粘度降低， 另一方面随着温度的升高，胶凝速度加快，易发生涂料很快结皮而撒不上砂子，从而导致型壳强度降低。为此应控制涂料温度以稳定粉液比，增加涂料的可涂性及硬化剂的渗透性。为此高温天气时，水玻璃模数控制在下限，空气湿度可控制在60%～80%。冬季生产车间的温度应保持16℃以上，面层涂料控制在20～25℃，既可稳定粉液比，又克服了胶凝过快的问题。
3.制壳有关工艺操作的控制 3.1涂料配制过程的控制
涂料的配制是将涂料组分通过搅拌、回性形成成分均匀的涂料的过程。在涂料配制时应先按比称取水玻璃、耐火材料与润湿剂等，然后在搅拌的状态下将粉料及润湿剂等加入到水玻璃中，加完后继续搅拌1小时以上。搅拌好的涂料，要进行充分的回性处理。回性处理的目的是使粘结剂与粉料充分润湿，排出粉粒表面吸附的和搅拌时卷入的气体。回性后的涂料密度将升高、粘度会下降并趋于稳定，涂挂性和流动性均好，硬化时胶凝收缩小，型壳强度较好。一般要求面层涂料配制后必须经过8小时以上的回性处理，并在使用前再次搅拌20min左右静置5min后使用效果较好。
3.2浸涂料及撒砂过程的控制
涂料在使用前须先搅拌均匀，复测流杯粘度和涂片重，并调整到合格范围。然后将模组浸入涂料中上下移动和转动，提起后滴去多余涂料，使涂料均匀地覆盖在模组表面。不能存在涂料局部堆积或缺涂涂料，对于模组的深孔、沟槽和凹角等部位，应用压缩空气进行喷吹涂料，必要时可用毛笔涂刷以去除气泡。
制壳中撒砂的粒度是从面层到背层逐渐变粗的，对于面层砂来讲，如粒度过粗会击穿涂层打坏熔模，最终造成铸件表面不平整，但撒砂粒度过细会造成背面过平，不利于上、下两层牢固结合，容易造成型壳分层。因此生产中一般面层砂为50/70目，过渡层为20/40目砂，背层砂为12/20目。每种撒砂都不宜过于集中，同时要注意撤砂后，清除表面的浮砂。
3.3硬化过程的影响与控制
硬化剂的选择与硬化过程控制。NH4Cl作为硬化剂存在污染环境、腐蚀设备、型壳强度不稳问题。结晶AlCl3硬化的型壳强度较高，胶凝收缩大，铸件表面质量较差，清砂困难。为了克服两种硬化剂的缺点，采用了NH4Cl和结晶AlCl3复合硬化，即1～3层用NH4Cl硬化，4～6层用AlCl3硬化。
NH4Cl作为硬化剂浓度一般控制在22%～25%（质量分数），在生产中，为了缩短硬化时间，提高生产效率，我们采用了饱和溶液。硬化时间一般控制在3-10分钟，之后进行15-45分钟的空气干燥（根据层数不同进行选择）。
由于NH4Cl在水中的溶解度随温度的升高面增大，为此在生产中必须对车间及溶液的温度进行控制，尤其对于我们北方地区的生产车间，一方面要对生产车间采取必要的采暖措施，另一方面在每次生产前应对NH4Cl溶液采取必要加热升温措施，以提高其溶解度，并进行取样化验，合格后方可生产。
4.结论
通过对上述影响型壳质量因素的综合控制， 稳定了型壳生产质量，精铸件表面缺陷明显降低，使我们的铸件质量有了一定的提高。
总之，在生产中为稳定水玻璃型壳的质量我们应做到：（1）必须严格控制水玻璃和粉料的质量；（2）要合理使用表面活性剂，提高涂挂性；（3）要严格控制制壳车间温度；（4）配制涂料应进行充分回性；（5）要规范浸涂料及撒砂操作环节。
【参考文献】
[1]姜不居.熔模精密铸造[M].机械工业出版社，2004.
[2]姜不居.实用熔模铸造技术[M].辽宁科学技术出版社，2008. [3]中国铸造协会.熔模铸造手册[M].机械工业出版社，2000. [4]许晓兰，高明轩，陈学敏.熔模铸造水玻璃型壳质量控制[J].煤炭技术，2003（10）.