潘玉洪

一、概述

優(yōu)質型殼是獲得表面光滑、棱角清晰、尺寸正確的熔模鑄件主要條件之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，熔模鑄件的廢品中約有60%是由于型殼缺陷引起的。因此，分析型殼產(chǎn)生缺陷的原因，并及時采取有效的糾正和預防措施，以便提高型殼和鑄件質量顯得尤為重要。

熔模鑄造應用最早、工藝比較成熟的是水玻璃型殼。由于水玻璃價格便宜、貨源充足，水玻璃配制的涂料性能穩(wěn)定、應用方便，采用氯化銨硬化劑進行化學硬化，強度建立快，濕強度大，制殼周期短；因此，至今仍然被廣泛地應用。

水玻璃型殼是由粘結劑和耐火粉料經(jīng)過如圖1所示的工藝流程而制成的。型殼是粘結劑與耐火材料顆粒表面，即涂料層、砂粒間，以及涂料與砂粒間的黏附力、摩擦力和粘結劑本身的內(nèi)聚力，使其成為一個整體。

圖1 水玻璃型殼制殼工藝流程

水玻璃型殼常見的缺陷中，有的缺陷在澆注前能夠及時發(fā)現(xiàn)，如型殼的裂紋、型殼表面析出的茸毛（也稱“白毛”）等；而有的只能在澆注后檢驗鑄件質量時才能發(fā)現(xiàn)，如型殼的分層、面層剝落等。現(xiàn)對型殼的分層、面層剝落和酥松，以及茸毛等缺陷分析如下。

二、型殼分層

當型殼各組分之間結合不牢固，就會產(chǎn)生型殼分層。型殼分層常有三種形式（見圖2～圖4），有時一只型殼上只出現(xiàn)一種分層缺陷，而有時在一只型殼上同時出現(xiàn)兩種甚至三種缺陷，如圖5所示。

型殼分層特征如下：

（1）涂料層中分層 型殼的局部涂料層中存在分層，常出現(xiàn)在加固層涂料層中。

（2）砂粒之間分層 型殼的局部砂粒之間存在分層，常出現(xiàn)在加固層撒砂層中。

（3）涂料-砂粒之間分層 型砂與涂料層之間存在局部分層，常出現(xiàn)在面層砂與過渡層涂料之間。

在實際生產(chǎn)中，要對型殼分層缺陷具體問題具體分析，現(xiàn)分述如下。

1.涂料層中分層

（1）產(chǎn)生原因 加固層的涂料黏度大，使涂料的流動性變差，操作性能變壞，很容易使涂料局部堆積，還有硬化不良等原因，使涂料層中形成了沒有硬化的涂料夾層。硬化的涂料中，水玻璃轉變成硅凝膠；而未硬化的涂料中，仍然保留著水玻璃狀態(tài)。硅凝膠在收縮時，勢必在已經(jīng)硬化與未硬化的涂料層間產(chǎn)生應力，導致涂料層分層。

當涂料層堆積過多時，焙燒后，涂料層中堆積的涂料受熱急劇膨脹，沖破涂料層進入型腔（見圖6），型芯中堆積的涂料焙燒后進入型腔（見圖7），使?jié)沧⒑蟮蔫T件產(chǎn)生廢品。

（2）防止措施 ①適當降低加固層涂料黏度，增加其流動性，使其在工藝要求范圍內(nèi)。必要時，在涂料中適當添加表面活性劑，以改善涂料的涂掛性、覆蓋性。②注意浸涂料時的操作方法，即型殼浸入涂料中，要上下移動并不斷地轉動，提起后滴去多余的涂料，使涂料均勻地涂掛和覆蓋在型殼的表面上，不能出現(xiàn)涂料的局部堆積。③型殼硬化前應自然風干一定的時間，以“不濕不白”為選擇自然風干時間的依據(jù)，“濕”就是沒有干好；“白”就是太干。要選擇合理的硬化工藝參數(shù)，并嚴格控制。硬化后要進行晾干，使型殼繼續(xù)進行更充分的滲透硬化。

2.砂粒之間分層

（1）產(chǎn)生原因 下列原因之一，會大幅度地降低砂粒之間的結合力和摩擦力，使型殼的砂粒之間產(chǎn)生分層。①同一層型砂粒度不均勻，型砂中的粉塵多。②型砂濕度大或撒砂時的浮砂多。③操作不當，產(chǎn)生型砂局部堆積等。

圖2 涂料層中分層

圖3 砂粒之間分層

圖4 涂料-砂粒之間分層

圖5 一個型殼同時出現(xiàn)三種分層缺陷

圖6 焙燒后，堆積的涂料進入型腔

圖7 型芯中堆積的涂料進入型腔

（2）防止措施 ①檢驗型砂的粒度和粉塵（粉塵含量≤0.3%），滿足工藝要求后，方可用于生產(chǎn)。②控制型砂在使用中的濕度應≤0.3%，必要時予以更換，并及時清除型殼上多余的浮砂。③嚴格執(zhí)行撒砂操作規(guī)程，防止型砂堆積。

3.涂料-砂粒之間分層

（1）產(chǎn)生原因 ①涂料中的水玻璃模數(shù)高，降低涂料的穩(wěn)定性，易老化，不易粘砂，或制殼場地溫度高，這些因素導致了涂料的表面已經(jīng)結殼，撒上的砂子只能浮在涂料結殼的表面，砂子黏附不牢而易造成涂料層與砂粒間的分層。另外，撒砂時間控制不當，浸涂料后撒砂過早，涂料尚在流動，也容易產(chǎn)生堆積（見圖8），且砂子也不易撒均勻；撒砂過晚，又不易撒上砂，而且撒上的砂子也黏附不牢，容易分層和剝落。②面層硬化前的自然風干時間，或硬化后的晾干時間控制不當。面層撒砂后，如果硬化前的自然風干時間太長，與第二層涂料潤濕和結合不好，易產(chǎn)生分層。面層硬化后晾干的時間短，型殼局部表面殘留過多的硬化液。如果此時浸入涂料，涂料接觸到表層硬化劑時就迅速硬化結皮，因此影響了涂層與型砂之間的緊密黏附結合，導致分層。③第二層涂料的黏度過高，降低了涂料的流動性、覆蓋性和涂掛性、一般面層砂較細，砂粒間的間隙細小；涂料不能很好地滲入到細小的砂粒間隙中，從而造成分層。④涂料撒砂后，表面有浮砂；或面層砂的粒度過細，砂中粉塵過多或砂粒受潮含水分過多，導致第二層涂料與面層砂結合不牢而產(chǎn)生分層。⑤面層砂過細會造成背面過平，不利于上下兩層牢固結合，易造成型砂-涂料分層。

（2）防止措施 ①調整涂料中水玻璃的模數(shù)，使其在M=3.0～3.4；控制制殼場地的溫度不要過高，應保持在22～26℃為宜，在可能的情況下應安裝空調；浸涂料后要控制撒砂時間，當涂料均勻、完整地覆蓋在蠟模的表面上時，應立即撒砂。②型殼硬化前的自然干燥時間由模組的大小、復雜程度、粘結劑中的Na2O含量、涂料的黏度，以及制殼場地的室溫、空氣的相對濕度和空氣的流通等因素有關，一般選用15～40min。生產(chǎn)中常以型殼“不濕不白”為選擇時間的依據(jù)。硬化后應充分晾干，可以使殘留的硬化液繼續(xù)對型殼擴散滲透硬化，可以減少型殼表面殘留硬化劑，以利于涂料層之間的緊密結合；晾干時間的長短與制殼場地的溫度、相對濕度、硬化劑種類等因素有關。當室溫為18～30℃，相對濕度為40%～60%，用氯化銨硬化劑硬化時，面層晾干時間為30～45min，加固層晾干時間為15～30min（為了提高生產(chǎn)效率，加固層可以不晾干，或縮短晾干時間）。氣溫低，濕度大時則應適當延長晾干時間，以型殼“不濕不白”為佳。③降低第二層（過渡層）的涂料黏度，必要時加入適量的表面活性劑，降低涂料的表面張力，增加涂料的潤濕作用，改善涂掛性；還可以改善涂料的滲透性，使涂料均勻地滲入面層砂粒的間隙之中。④注意撒砂操作，及時清除浮砂。面層撒砂的粒度不要過細，以40/70目（粒徑為0.45～0.224mm）為宜；面層砂要干燥，粉塵少，一般要求面層砂的含水量和粉塵量≤0.3%（占水玻璃的質量分數(shù)）。⑤合理地選用面層砂，一般選用50/100目（粒徑為0.355～0.154mm）或40/70目的型砂。

三、酥松

特征：型殼層間結合松散，呈現(xiàn)酥松狀態(tài)，如圖9所示。

（1）產(chǎn)生原因 ①粘結劑中起粘結作用的SiO2含量太低，如水玻璃的模數(shù)過低或密度過小，因而降低了型殼層間的結合力，使型殼產(chǎn)生酥松。②涂料中的粘結劑與耐火材料配比過低，即粘結劑的含量太低，因而使型殼產(chǎn)生酥松。③粘結劑存放時間長而變質，導致型殼各層間結合不牢，使型殼產(chǎn)生酥松。④耐火材料中的雜質多，尤其是堿性雜質多，或型砂中的粉料多，這些都導致涂料與型砂的結合不牢，使型殼產(chǎn)生酥松。⑤型殼脫蠟時間過長，“煮爛”型殼。

圖8 撒砂過早形成的堆積

圖9 焙燒后的型殼酥松

（2）防止措施 ①配制涂料時應控制水玻璃的模數(shù)和密度，保證涂料中SiO2的含量。②適當增加涂料中的粘結劑含量，使其完全浸潤、包裹耐火材料。生產(chǎn)中執(zhí)行“涂料配比-黏度-溫度”曲線。③加強粘結劑保管；必要時，粘結劑在使用前應檢驗，合格后方可投入生產(chǎn)。④嚴格控制耐火材料中的雜質，尤其是堿性雜質，以及型砂中的粉塵，使其滿足工藝要求。⑤石蠟-硬脂酸蠟料，水玻璃型殼脫蠟時，應“高溫快速”，即脫蠟液的溫度控制在95～98℃，脫蠟時間為15～20min，不超過30min。

四、面層剝落

當面層砂與過渡層涂料分層進一步加劇時，型殼面層剝落，如圖10、圖11所示。

（1）產(chǎn)生原因 ①型殼的1～2層硬化、晾干（風干）過度。②型殼表面層析出茸毛，降低表面層強度。③也適用于型殼分層的逐項原因。

（2）防止措施 ①選用合理的制殼工藝，尤其是嚴格控制型殼面層硬化前的自然風干時間，以及硬化效果與硬化的晾干時間，以型殼“不濕不白”為宜。②控制型殼脫蠟后的存放時間，及其存放場地的溫度和濕度等（參見“茸毛”的防止措施）。③也適用于型殼分層的逐項措施。

五、茸毛

特征：型殼的表面上有白色茸毛狀析出物(見圖12)，也稱為白毛。

（1）產(chǎn)生原因 ①型殼在硬化時，由于硬化劑的濃度過低或硬化時間過短，或水玻璃的密度過大，涂料的黏度過高，硬化不充分；硬化過程的反應產(chǎn)物氯化鈉和氯化銨都易溶入水，在濕態(tài)時，它們都以水溶液的形式存在于型殼中（尤其是脫蠟液中添加氯化銨補充硬化所生成的鹽以水溶液的形式存在于型殼中）。殘留的鈉鹽過多。②型殼脫蠟后，當存放干燥時間過長，型殼內(nèi)硬化反應時生成的鹽分和殘留的硬化液，隨水分的蒸發(fā)擴散、遷移到型殼的表面，并沿著析出孔道堆積生長成茸毛狀物質。而且制殼工作場地濕度較大時，這種現(xiàn)象更嚴重。據(jù)資料介紹，茸毛中的80%是氯化鈉，20%是氯化銨。③型殼脫蠟后，沒有及時進行低溫烘培，促使硬化反應產(chǎn)物隨水分的蒸發(fā)擴散、遷移到型殼的表面，并沿著析出孔道堆積生長成茸毛。④脫蠟過程中，沒有及時補加氯化銨或鹽酸等，使其保持一定的酸度；脫蠟液沒有定期檢測或更換。

（2）防止措施 ①應嚴格控制水玻璃的密度和涂料的黏度；采用合理的硬化工藝參數(shù)，嚴格控制硬化液的濃度、溫度和硬化時間；硬化后，充分晾干，以減少型殼殘留的鈉鹽。②控制型殼存放場地的溫度和濕度；合理安排生產(chǎn)，型殼脫蠟后存放的時間不易過長，應及時焙燒、澆注。③脫蠟后的型殼，必要時應進行低溫烘培，使水分來不及溶解較多的鹽類就被迅速蒸發(fā)。④脫蠟液中應及時補加氯化銨3%～8%，或1%的鹽酸，使其保持一定的酸度。但不宜補加過多，以免補充硬化反應生成的鹽類溶于水中，并定期更換脫蠟液，清理脫蠟槽。

如果型殼已經(jīng)生成茸毛，應及時進行焙燒；也可以在焙燒前，用熱水沖洗，或用濕布將其擦拭掉。

六、結語

（1）水玻璃涂料是水玻璃型殼的重要組成部分。涂料應保證型殼良好的性能，如強度、透氣性、熱穩(wěn)定性和脫殼性等，同時涂料又要具有良好的工藝性，如涂掛性、流動性、分散穩(wěn)定性及懸浮穩(wěn)定性等。

（2）硬化是制殼中重要的一個工藝過程，必須嚴格控制硬化劑的濃度、溫度和硬化時間，確保型殼充分硬化。

（3）合理的制殼工藝，嚴謹?shù)牟僮饕?guī)程，適時的員工培訓，以及必要的獎懲制度，是獲得優(yōu)質型殼的根本保證。型殼制作不僅是一項技術，更是一門手藝。

圖10 型殼面層局部剝落

圖11 型殼面層大面積剝落

圖12 茸毛狀析出物