熔模铸造采用中温模料硅溶胶型壳试验与研究0061031.docx
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熔模铸造采用中温模料硅溶胶型壳试验与研究0061031
熔模铸造采用中温模料—硅溶胶
粘结剂工艺的试验与研究课题
1.概述
中温模料—硅溶胶粘结剂是我国九十年代初开始推广应用的一种先进熔模铸造工艺。
此工艺与低温模料—水玻璃粘结剂工艺相比具有型壳强度高、工艺操作简便、铸件表面质量好、尺寸精度高等优点。
特别适用生产高质量要求的不锈钢精密铸件，因而近几年在国内熔模铸造行业中已被越来越多的企业所采用。
多年来，我厂熔模铸造车间一直采用低温模料—水玻璃粘结剂的制壳工艺。
这种工艺的优点是原材料来源充足，成本低，工艺操作简便。
但是由于所用的材料质量档次低，如：
低温模料软化点低、收缩率大及水玻璃型壳表面致密性差，高温强度低，热稳定性差，因而生产出的铸件表面质量差，尺寸精度低，只适合生产一些普通要求的碳钢件。
近几年随着改革开发、市场对精密铸件要求越来越严，特别是出口产品、要求质量更高，而我厂现有的熔模铸造工艺难以满足产品质量要求。
由于我厂工艺水平落后，产品质量低下，在新产品开发中已丢失了大量市场，因此提高工艺技术水平、开拓国际市场已是当务之急，是走出经营困境的有效措施。
为此我们开展了“熔模铸造采用中温模料—硅溶胶粘结剂工艺的试验与研究”的课题工作。
经过一年多的试验研究证明，此工艺生产出的铸件表面粗糙度低，可达
—
，尺寸精度可达CT4—6级，工艺操作简便，铸件合格率高。
此次课题的研究是根据合同书的要求，由精铸车间技术组负责，利用外厂（苏州荣顺精密铸造有限责任公司）的设备和生产条件，主要对中温模料的工艺参数选择，收缩率确定及硅溶胶工艺参数选择，型壳性能测定等进行了实验。
通过此次试验，制定出一整套工艺规程，为我厂上中温模料—硅溶胶粘结剂熔模铸造工艺生产线、奠定了良好的工艺基础。
该课题从2000年5月开始至2001年10月底结束，课题完成了合同书中的规定内容。
2.基本原理及工艺特性
中温模料—硅溶胶工艺与水玻璃工艺有很大的区别，主要体现在原材料的使用上。
制模主要采用中温模料,中温模料经熔化后，在恒温状态下制备膏状蜡料，由高压注蜡机压制成型;制壳采用硅溶胶和锆英粉（砂）及莫来石粉（砂）涂掛型壳，由慢速L形搅拌机配制涂料、淋砂机掛砂;整个工艺特性及生产操作手段受材料性能的限制,下面就主要材料做一介绍。
2.1中温模料的组成及工艺性能
熔模铸造常用的模料有低温模料、中温模料和高温模料。
低温模料熔点一般在50—60°C，主要组成是石蜡+硬脂酸（我厂工艺采用）；中温模料熔点在70—120°C主要组成是树脂基类；高温模料熔点在120—180°C主要组成是高分子聚合物，有聚乙烯、聚苯乙烯。
中温模料属于树脂基类材料，主要有松香及其衍生物、乙烯树脂、天然及人造树脂、与蜡基模料相比具有强度和软化点高，收缩率小等优点，多用于生产尺寸精度和表面质量要求高的精铸产品。
目前国内仅有几家生产，但因其性能不稳定，使用受到限制。
国内绝大多数厂家采用进口中温模料，主要使用美国、日本、英国等进口材料。
进口材料价格较贵，但模料工艺性能好，回用性好（可反复使用）蜡模尺寸稳定，表面光洁。
模料性能见表2。
模料性能表表2
产品好
颜色
熔点°C
凝固点°C
针入度（25°CФ10）
灰分（%）
线收缩率（%）
体收缩（%）
注蜡温度°C
密度（g/cm3）
产地
K512
绿
84
72
9
≤0.022
1.0
58
0.96
日本
B545
绿
72
61-65
4-7
≤0.050
8-9
58-63
0.96
英国
KC2699G
绿
81
5.2
≤0.050
7.5-9
58
0.96
美国
2.2硅溶胶性能及凝胶原理
2.2.1硅溶胶特性
硅溶胶是熔模铸造使用的一种优质粘结剂,它是SiO2的溶胶,由无定形SiO2的微小颗粒分散在水中而形成的稳定胶体溶液,外观为清淡乳白色或稍带乳白色.
硅溶胶是由水玻璃加工制得,杂质较少,性能稳定,粘度很低,易配制成粉液比高的优质涂料。
型壳制造时不需化学硬化，工序简单，所制得型壳性能优于水玻璃型壳，高温性能好。
2.2.2硅溶胶组成及其要求
硅溶胶是胶体溶液，胶体颗粒为球形，胶粒SiO2内部由Si—O—Si相连而形成网络结构，硅溶胶的性能主要取决与SiO2含量、N2O含量、密度、粘度、PH值、SiO2胶粒直径。
SiO2含量代表硅溶胶中胶体含量的多少，粘结力的强弱。
密度反映SiO2含量，密度越高，SiO2含量越高。
N2O含量影响PH值，两者都影响硅溶胶的稳定性。
粘度反映硅溶胶粘稠程度，粘度低的硅溶胶可配制成粉液比高的涂料，所制得型壳表面粗糙度低。
胶粒直径大小影响硅溶胶的稳定，胶粒越大，稳定性越好，反之，胶凝越快。
熔模铸造用硅溶胶技术要求见表1。
硅溶胶技术要求表1
牌号
化学成分
物理性能
其他
SiO2%
N2O%
密度
PH
粘度
粒径nm
外观
稳定期
GRJ-26
24-28
≤0.3
1.15-1.19
9-9.5
≤6×10-1
7-15
乳白或清淡无杂物
1年
GRJ-30
29-31
≤0.5
1.20-1.22
9-10
≤8×10-1
9-20
2.2.3胶凝原理
硅溶胶有自发凝聚的趋势，当二氧化硅表面所带电荷减少时，其斥力位能下降，粒子热运动的动力就可能越过斥力而碰撞，粒子与粒子便可粘连起来，形成硅胶三维网络，即胶凝。
硅溶胶胶凝时，最初形成的是含水凝胶，其结构强度很差，能部分回溶，有触变现象，随着水分的蒸发，胶凝逐渐变硬，强度增加。
水分全部蒸发掉，才形成Si—O—Si键连接的干凝胶，它具有较高的结构强度和硬度，能承受高温、不会回溶。
影响胶凝速度主要有PH值、SiO2含量、温度等。
3.关键技术
在熔模铸造中，能否获得一个良好的铸件质量，其主要因素有二。
其一是熔模尺寸精度及表面质量；其二是型壳性能。
下面分别进行探讨。
3.1中温模料制模工艺研究
3.1.1影响工艺因素分析
在中温模料制模工艺研究中，主要以蜡模质量及尺寸稳定作为研究对象。
通过选择不同的工艺参数进行工艺试验，通过试验结果，选出最佳工艺方案。
根据中温模料的工艺特性，影响蜡模质量（表面及尺寸）的因素主要有压注时模料温度、压注压力、保压时间及压型温度，现分析如下：
压蜡温度：
压蜡温度高低对蜡模表面质量及收缩率影响很大。
压蜡温度越高，蜡模表面越好，收缩率越大，反之蜡模质量粗糙，尺寸收缩率小。
压注压力及压型温度：
压注压力和压型温度对蜡模表面影响较小，一般是增大压注压力和压型温度，对蜡模质量有好处，但效果不明显。
对蜡模尺寸收缩率则不同，压注压力越大，蜡模尺寸收缩率越小。
压力不是越大越好，压力过大，对压型结构强度和加工精度要求也越高。
压型温度越高，尺寸收缩率越大。
保压时间：
保压时间越长，蜡模收缩率越小，对蜡模表面质量影响越小。
3.1.2制模工艺参数的选择
根据上述分析，为获得良好的蜡模质量，必须严格控制制模工艺参数。
在影响蜡模质量及尺寸稳定性诸多因素中，选择压蜡温度、压注压力、保压时间、压型温度四项因素。
每项因素选三个水平进行L9（34）正交试验。
制模工艺因素水平见表2，正交试验结果见表3。
制模工艺因素水平表2
工艺参数
方案
压蜡温度°C
压注压力MPa
保压时间S
压型温度°C
1
50
3.5
5
低
2
55
4
10
适中
3
60
4.5
15
高
说明：
（1）试验选大连连接套，压盖不锈钢件，采用钢压型；连接套重0.73Kg，轮廓尺寸φ89.6×67.4（空心结构），壁厚4mm，压盖重0.6Kg，轮廓尺寸φ89.9×58.9，平均壁厚4mm。
（2）采用美国H12中温模料，5吨卧式双工位液压压蜡机制模。
（3）压型温度不好测量，试验采用手感形式控制温度，分为凉、温热、热三个档次，即低、中、高。
正交试验结果表表3
试验条件
试验号
压蜡温度°C
压注压力MPa
保压时间S
压型温度°C
考核指标
得率
1
（1）
（1）
（1）
（1）
60
2
（1）
（2）
（2）
（2）
75
3
（1）
（3）
（3）
（3）
65
4
（2）
（1）
（2）
（3）
80
5
（2）
（2）
（3）
（1）
96
6
（2）
（3）
（1）
（2）
88
7
（3）
（1）
（3）
（2）
68
8
（3）
（2）
（1）
（3）
71
9
（3）
（3）
（2）
（1）
76
ΣX1
200
208
219
226
——
ΣX2
258
236
231
231
——
ΣX3
215
229
223
216
——
R
58
28
12
15
——
注：
每一种方案压制30件（两种产品各15件）蜡模，统计合格率为试验考核指标。
根据表3正交试验结果，按照正交试验数据分析原则，计算出每项因素水平试验结果之和ΣX及其极差R，其中极差R越大，说明该项因素的影响越大，由试验结果可以初步得出如下结论。
对蜡模质量影响的顺序依次为压蜡温度、压注压力、压型温度、压型时间。
从每项因素的结果求和值比较中可得出各因素的最佳值（即R的最大值）具体各项参数如下：
压蜡温度：
55°C
压型压力：
4MPa
压型温度：
适中（15°C左右）
保压时间：
12秒
根据正交试验结果，为了得到良好的蜡模质量，制模工艺参数的确定，应综合考虑铸件大小及结构复杂温度和壁厚，因此制模工艺参数应在一定范围内考虑，经试验及小批量生产考核，工艺参数选择在以下范围内较为理想。
压蜡温度：
53-58°C
压蜡压力：
3.5-4.5MPa
压型温度：
10-15°C（手感微凉）
保压时间；11-13秒
压制的蜡模尺寸及收缩率见表4。
3.2硅溶胶制壳工艺研究
在制壳工艺研究中，着重以涂料性能，型壳干燥硬化，型壳性能为研究对象，采用不同的试验方案继进行工艺对比试验，从中选择最佳工艺参数。
试验采用硅溶胶，锆英粉（砂），莫来石粉（砂）技术指标见表5，表6，表7。
蜡模尺寸测量结果表表4
序号
模具
尺寸
蜡模尺寸
蜡模收缩率%
受阻
状态
1
2
3
4
5
平均尺寸
1
φ96.42
φ96.18
φ96.2
φ96.56
φ96
φ95.8
φ96.148
0.28
受阻
2
25.9
25.84
25.66
25.65
25.64
25.64
0.83
0.83
自由收缩
3
73.86
73.48
73.62
73.6
73.5
73.6
73.56
0.4
半受阻
4
16.4
16.04
16.1
16.06
16.02
16.08
16.06
2.07
自由收缩
5
φ9.6
φ9.54
φ9.52
φ9.52
φ9.52
φ9.52
φ9.524
0.8
受阻
6
φ36.42
φ36.2
φ36.18
φ36.15
φ36.13
φ36.14
φ36.16
0.22
受阻
7
69.12
68.32
68.16
68.16
68.1
68.14
68.18
1.38
自由收缩
8
φ78.42
φ78
φ78
φ78
φ78
φ78
φ78
0.5
半受阻
9
φ91.84
φ91
φ90.8
φ91.1
φ90.85
φ90.9
φ90.93
1
半受阻
平均收缩率0.831
说明：
表格中的数据为二种零件部分腊模尺寸。
零件壁厚4—10mm，为框架结构，铸件重0.55—0.7kg。
硅溶胶技术指标表5
牌号
SiO2%
Na2O%
稳定离子
PH值
密度
运动粘度
保质期
产地
SS30
30
≤0.5
钠
9.5
1.2
4.2
≤1年
上虞
锆英粉（砂）技术指标表6
等级
化学成分%
粒度
产地
——
ZrO2
SiO2
TiO2
Fe3O2
Al2O3
CaOK2ONa2O
粉
砂
澳大利亚
进口
60.02
32.38
0.08
0.07
0.25
0.08
320目
120目
莫来石粉（砂）技术指标表7
化学成分%
粒度产地
Al2O3
SiO2
Fe3O2
TiO2
CaO+MgO
K2O+Na2O
灼减
主晶相
澳大利亚进口
莫来石
方石英
45.2
52.1
0.9
0.92
0.6
0.28
0.5
≥55
15-20
≥1250°C
3.2.1涂料性能及配方选择
涂料粉液比是保证型壳质量的关键，硅溶胶涂料粘度的变化反映了其粉液比高低，同时粘度还随温度变化有较明显的改变，图二为涂料粘度随温度变化曲线。
图二涂料粘度随温度变化曲线
为了严格控制涂料粘度，保证型壳具有良好的表面质量及强度，涂料性能既要控制粉液比，特别是面层要求涂掛后型壳表面应致密、无蚁孔，又要考虑涂料流动性、覆盖性及涂掛性。
经对涂料反复试验和型壳质量对比，选择出如表8的最佳工艺配方。
涂料性能及配方表表8
材料层次
配比%
粘度
环境温度°C
硅溶胶
锆英粉
莫来石粉
活性剂
消泡剂
面层
20
80
——
0.3
0.05
31＂
20-25
过度层
37
——
63
——
——
19＂
20-25
背层
40
——
60
——
——
13＂
20-25
3.2.2制壳干燥硬化工艺参数选择
硅溶胶型壳干燥硬化实际上是水分蒸发的过程，干燥的好与坏，对型壳强度有很大的影响。
干燥过度，壳易裂，起皮，干不透，型壳强度低，脱蜡时壳裂或蒸烂，浇注时出现炮火，因此型壳干燥硬化是制壳工序关键环节。
影响型壳干燥的主要因素有环境温度，湿度，干燥时间。
下面就用三个影响因素进行分析和对比试验，从中选择最佳工艺参数。
根据我市气温条件，冬季、夏季的温度和湿度差别较大。
冬季室内温度在20°C以下，相对湿度40-50%；夏季相对湿度一般在60-70%。
因此选这两种典型的湿度，在20°C温度下，硅溶胶型壳需要的干燥时间见表9。
表9是在两种典型的温度和湿度下，不同干燥时间、所制型壳脱蜡和浇注质量情况。
表9
湿度
40—50%
60—70%
干燥时间h
4
8
16
24
4
8
16
24
制壳状况
有回溶
现象
良好
良好
良好
有明显
回溶现象
有回溶
现象
略有回溶
现象
良好
脱蜡状况
有30％
壳烂
良好
良好
良好
壳烂
有一半
壳烂
有10%壳烂
多数壳裂
良好
浇注状况
有30%
炮火
良好
良好
良好
炮火严重
50%炮火
部分炮火
良好
说明：
（1）受试验仪器的限制，现场制壳无法及时测量强度值，常温及高温强度通过脱蜡及浇注质量宏观考核；
（2）共制壳80组，每种条件下制壳10组，观察制壳，脱蜡及浇注状态。
表9数据表明。
湿度在40-50%条件下，干燥4小时，制壳有回溶现象；干燥8小时、16小时、24小时制壳质量状况良好。
而且能满足脱蜡及浇注时强度要求，这说明干燥8小时型壳已干透。
湿度在60-70%条件下，干燥4小时和干燥8小时制壳均有回溶现象；干燥16小时虽然制壳回溶现象不明显、但脱蜡、浇注质量不好；干燥24小时型壳能满足脱蜡及浇注时强度要求，这说明干燥24小时型壳已干透。
根据以上试验及分析，制壳干燥硬化工艺选择为：
温度20-24°C，湿度40-50%条件下，面层干燥8小时，背层干燥12小时，湿度在60-70%条件下，面层干燥时间为16小时，背层24小时。
3.2.3型壳性能试验
硅溶胶制壳工艺参数确定后，为了考核型壳性能，进行了硅溶胶型壳性能测试，主要测试项目有常温强度、高温强度及残留强度，型壳热变形和透气性。
性能测试在内蒙古工业大学型壳性能测试仪上进行，其中抗弯强度试样尺寸为40×20×7，热变形试样尺寸（φ50-φ40）×57×6，透气性试样采用φ38mm乒乓球与内径为10mm的瓷管粘结而成。
以上试样涂一层面层，一层过渡层，三层半背层，制壳工艺如表10。
制壳工艺表10
项目
层次
涂料粘度
撒砂粒度（目）
湿度
温度°C
风干时间min
面层
32
120
60
24
8
过渡层
17
60/30
55
25
12
背层
13
30/16
57
24
24
性能测试结果如图二，图三，图四。
图二硅溶胶型壳和水玻璃型壳热变形曲线
图三硅溶胶型壳和水玻璃型壳强度与温度曲线
图四硅溶胶型壳透气性曲线
3.2.3浇注试验
浇注试验在苏州荣顺精密铸造有限公司进行，浇注铸件名称压盖和连接套，材质1Cr18Ni9浇注数60件，制模、制壳工艺按试验选择的最佳工艺参数执行。
脱蜡时间15min，型壳焙烧采用燃油炉，焙烧温度950°C，保温时间30min。
冶炼采用100kg中频快速熔炼炉，熔炼时间20min，红壳浇注，经浇注铸件质量良好，未发现跑火，夹杂等缺陷。
铸件浇注质量见表11，铸件实物见附页图片。
铸件浇注质量表11
零件号
名称
浇注数
合格数
缺陷类别
合格率%
浇不足
渣孔
120-16
压盖
30
28
1
1
93
120-17
连接套
30
27
1
2
90
4.已达到的技术指标
通过对中温模料—硅溶胶粘结剂熔模铸造工艺的试验和小量生产考核，已达到了预定的技术指标。
4.1铸件尺寸精度达到GB6416-86CT3-CT6级（见划线记录）
4.2铸件表面粗糙度达到了
—
（实物与试块对比）
4.3为集团公司上中温模料—硅溶胶粘结剂、熔模铸造工艺生产线、奠定了良好的工艺基础。
5.结论
经一年的试验和研究，得出如下结论：
5.1中温模料—硅溶胶粘结剂、熔模铸造工艺适用生产高质量要求的不锈钢精密铸件，碳钢精铸件和有色精铸件。
5.2硅溶胶粘结剂、熔模铸造工艺是生产外贸精密铸件必须具有的工艺。
5.3随着市场的发展中温模料—硅溶胶型壳工艺必将取代低温模料—水玻璃型壳工艺。
5.4生产操作简便，工艺参数由仪器设备控制，人为因素少，质量容易保证，废品率低。
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