教学材料《熔模铸造》-第四章

4.1水玻璃耐火涂料及其配制4.1.1水玻璃耐火涂料的组成和作用水玻璃耐火涂料通常由水玻璃黏结剂、耐火粉料和表面活性剂等材料组成。1.水玻璃的模数和相对密度水玻璃的模数和相对密度对型壳质量影响很大，故在生产中必须严加控制。要使型壳硬化时能析出足够数量的硅酸凝胶，以保证其强度和表面质量，水玻璃的模数不能过低，但过高也是不利的，因为模数过高，易使型壳脆性大，容易产生裂纹。此外，模数过高时，配制的涂料稳定性低，存放性差，易老化失效，制壳时还容易过旱结皮而挂不上砂子。下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制在实际生产中，为了保证水玻璃黏结剂中的SiO2

含量和涂料的稳定性，通常把模数控制在3～

3.4范围内。模数是水玻璃的重要性能参数它是水玻璃中的SiO2与Na2O摩尔数之比值，可表示为：（4-1）式中60.1——SiO2

的相对分子质量；

62——Na2O的相对分子质量用化学分析法测定水玻璃中的和含量，并按上式进行计算即可求得模数。相对密度是水玻璃中硅酸钠浓度的间接指标。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制模数一定时，相对密度大，则水玻璃中SiO2

绝对含量高，型壳强度大。但相对密度也不宜过高。对于表面层涂料而言，相对密度过大时，型壳表面易产生蠕虫状孔洞，且涂料黏度相应增大，硅胶薄膜过厚，渗透硬化能力减弱，故涂料层不易硬化深透根据试验，当相对密度大于1.320时，型壳硬化层厚度将显著减小，这时即使延长硬化时间，作用也不大。所以实际生产中水玻璃相对密度以不超过1.320为宜。表面层涂料宜用相对密度较低的水玻璃一般为1.25～1.28。相对密度低有利于硬化深透，且可适当增加石英粉加入量，以提高型壳表面的耐火度和致密度。加固层涂料宜用相对密度较高的水玻璃一般为1.30～

1.33。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制用聚合氯化铝为硬化剂时，为了改善涂料层的渗透硬化能力，宜选用更低的相对密度。表面层涂料可选为1.265～

1.285；加固层涂料可选为1.270～

1.290。由于硬化过程中产生硅胶与铝胶的共凝，故降低水玻璃相对密度不致影响型壳强度。且渗透硬化条件好，还可显著降低型壳的残留强度，铸件易于清砂。总之，水玻璃模数和相对密度的选择既要使型壳具有综合的强度性能和良好的表面质量，又要保证涂料工艺性，以便于制壳操作。2.水玻璃的处理（1）处理的目的市场上供应的水玻璃其模数和相对密度往往不符合工艺的要求，故在配制涂料前需要进行调整，这就是水玻璃的处理。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制对于

M=3.0～3.4的水玻璃，只需加水调整其相对密度即可。M

＜

3.0的水玻璃除了调整相对密度之外，还需要提高其模数。M＞

3.6的水玻璃有时还要降低其模数。对于熔模铸造而言，直接采用高模数水玻璃，不进行提高模数的处理，可以大大简化工序，缩短生产周期和降低成本，是值得推广的。采用M=2.8～3.0的水玻璃时，要提高其模数，可通过提高SiO2

含量或降低Na2O含量。前者需令用设备，处理操作也较难掌握。所以熔模铸造中通常是用降低Na2O的方法来提高模数。生产中常用的方法是在水玻璃中加入适量的工业氯化铵或工业盐酸，使水玻璃部分Na2O得到中和，以达到提高模数的目的。加入氯化铵或盐酸后，立即析出白色乳渣状混合物，其中含有初生硅胶、氯化钠和水玻璃用氯化铵处理时，尚有刺鼻的氨气析出。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制反应生成的初生硅胶不是坚强的化学键联系，它呈疏松多孔状态并含有大量水玻璃。由于处理时加酸量有限，故这些物质在水玻璃溶液中多余碱分的作用下，经2～5h回溶而成为均匀、透明的水玻璃溶液。碱分的减少就相对地提高了SiO2

含量，这就达到了提高模数的目的。处理后的水玻璃模数一般均在3.0以上，pH值为10.5～11.2。处理时由于打破了Na2O和SiO2

的平衡和稳定条件，使硅酸浓度增大，pH值降低，因而就使水玻璃成为介稳定状态的硅酸溶胶用它配制的涂料在制壳硬化时，可以迅速地析出硅酸凝胶而获得必要的强度。处理时为了防止形成不溶性硅胶沉淀，通常是先把降低水玻璃相对密度所需的一部分水与氯化铵或盐酸配成浓度较小的溶液，然后再加到水玻璃中，这就是说，提高模数和降低相对密度是同时进行的。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制降低水玻璃模数通常是增加水玻璃中的Na2O含量，方法是以10%～

30%水溶液形式加入工业氢氧化钠，并进行充分搅拌。（2）水玻璃处理的计算方法计算的目的是确定处理时需要的水、氯化铵、盐酸或氢氧化钠的加入量。加水量可按下式计算：C=A（d

-

d′）/（d′-1）（4-2）式中C——加水量（g）；

A——处理水玻璃重量（g）；

d——原水玻璃相对密度（g/cm3）；

d′——处理后要求的水玻璃相对密度（g/cm3）上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制用工业盐酸处理时，总加水量尚须减去盐酸中的含水量。氯化铵加入量可按下式计算：（4-3）式中——氯化铵加入量（g）；

A——处理的水玻璃重量（g）；

b——原水玻璃中Na2O含量（%）；

a——原水玻璃中SiO2

含量（%）；

M′——处理后要求的模数；

Q——工业氯化铵中NH4Cl含量（%）；

1.73——中和1gNa2O所需NH4Cl数量。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制工业盐酸加入量可按下式计算：VHCl=1.73A（b–1.032a/M′）/Q′d″（4-4）式中VHCl——盐酸加入量（mL）；

Q′——盐酸中HCl含量（%）；

d″——盐酸相对密度（g/cm3）；

1.17——中和1gNa2O所需HCl数量。工业盐酸浓度通常为29%～31%，相应的相对密度d″，为DNaOH=1.29[（1.032a/M′）-b]

/Q″（4-5）式中DNaOH——氢氧化钠加入量；

Q″——工业氢氧化钠中NaOH含量（%）；

1.29——系数（80/62）。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制由于NaOH须以10%～30%水溶液形式加入，故处理时应考虑到水玻璃相对密度也随着发生变化。3.水玻璃处理方法提高模数的处理方法是，称量出所需的水和NH4Cl质量，为了加速析出物的溶解，防止硅胶沉淀，先用总加水量的一部分溶解NH4Cl，配成浓度小于10%的NH4Cl水溶液，其余水用来稀释原水玻璃。由于NH4Cl溶解时以及同水玻璃反应时均为吸热反应，为使反应加速，最好用60℃

～70℃

热水。待NH4Cl全溶后，边搅拌边把热NH4Cl水溶液徐徐加到水玻璃中。此时，立即形成白色乳渣状析出物和氨气。加完后继续搅拌15～

20分钟，使大块析出物破碎，然后加盖静置几小时，析出物即全部回溶，成为稀薄透明的水玻璃溶液。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制用工业盐酸处理时，与上述方法类似。由于HCl与水玻璃为放热反应，故稀释盐酸的水不必加热。处理时须强力搅拌40～

50分钟，至析出物全部回溶为止。用氯化铵处理的优点是操作安全、方便，但析出物回溶较慢；由于有NH3

逸出，劳动条件不好，处理后需较长时间静置，消除NH4OH的干扰，才能达到稳定的结果。用工业盐酸处理的优点是析出物回溶较快；无氨味，劳动条件较好；处理后性能稳定，析出物溶清后可立即使用；工业盐酸价格比氯化铵便宜得多。但用盐酸处理时要注意安全和劳动保护，防止灼伤。处理操作正常时，析出物在搅拌和静置时总是悬浮于溶液中或漂浮在表面上。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制有时由于操作不当而生成不溶性硅酸凝胶，其特点是比较致密，相对密度大且白色絮状物周围包覆一层透明胶体，极易沉淀于容器底部。在这种情况下，即使再行搅拌或长时间静置也难以回溶。为了防止形成这种不溶性硅胶沉淀，氯化铵或工业盐酸水溶液的浓度勿过大（氯化铵不宜大于10%，盐酸不宜大于8%），更不宜用固体氯化铵或浓盐酸直接加入。加入速度不要过快，否则即使总加入量不大，也不易回溶。若原水玻璃模数较低时，最好采用“少吃多餐”方式，分批加入之操之过急往往达不到提高模数的目的。用酸性盐或酸处理过的水玻璃，即使与购进的水玻璃有相同的模数和相对密度，但稳定性较低，不宜长时间存放一般不超过4～

6天。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制水玻璃模数的提高不是没有限度的一般情况下能提高0.4～0.6个单位。故原水玻璃的模数过低时，为达到要求的模数，加酸量必然较多，处理时极易形成不溶性硅胶，所以熔模铸造用水玻璃模数应在2.8以上。高模数水玻璃加水调整相对密度或加氢氧化钠调整模数的处理方法比较简单，但加水或加氢氧化钠水溶液后，要仔细搅拌，务必使加入物同水玻璃均匀融合，方可用于配制涂料。处理好的水玻璃要进行质量检验检验内容有相对密度、模数和凝结时间等。4.1.2耐火粉料的选择和应用配制水玻璃涂料的耐火粉料有石英粉、刚玉粉、耐火黏土、铝矾土等。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制迄今为止，石英粉仍是用得较多的耐火粉料。它的选择要满足耐火度和粒度的要求。石英粉中SiO2

愈高，耐火度也愈高。对于表面层涂料，特别是浇注厚大的钢铸件时，为了保证表面较低的粗糙度，SiO2含量要求高些（＞

98%）；对于薄小铸钢件，有色合金铸件以及用于加固层涂料时，要求SiO2含量＞96%即可。石英粉的粒度，表面层选过270目筛≥

70%，200目筛残留量≤10%，200～

140目石英粉，型壳透气性好，但过粗会使涂料易沉淀。水玻璃型壳浇注合金钢铸件时，也可以选用刚玉粉配制表面层涂料。刚玉粉的耐火度高、热化学稳定性好，但相对密度较大，配制的涂料容易沉淀，宜用320目或更细（M28）的粒度并须经常进行机械搅拌。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制近年来还广泛使用耐火黏土、铝硅系熟料或铝矾土等配制涂料，以制造高强度型壳。高强度型壳用耐火黏土的选择主要考虑Al2O3

形态和含量、胶质价、粒度和就地取材等问题。1.Al2O3

形态和含量型壳高温强度的提高主要依赖于黏土中的Al2O3

含量。Al2O3

对型壳的增强作用与其结晶形态有密切关系，不同的AIzO：3晶形，由于其化学活性不同而具有不同的增强作用。常温下，生黏土中的Al2O3

多半以高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）形态存在，在600以上即开始分解成为颗粒细小、分散度大和化学活性高的初生的无定形的Al2O3

和

-Al2O3。称为活性Al2O3。它们以弥散状态分布于型壳中，极易在高温下同SiO2–Na2O系化合物形成新相并易溶于液相中。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制耐火黏土经过800℃

～900℃

焙烧后，其中的Al2O3

基本形态与上述情况类似，它们的化学指性也很高。经更高温度下（＞

1000℃）焙烧过的黏土质熟料，其中的Al2O3

经高温作用而颗粒长大，形成分散性小、活性较低的

-Al2O3

和莫来石。上述几种晶形的Al2O3，其化学活性依次递减，故其在型壳中的增强作用也依次递减。所以耐火黏土中Al2O3

含量的选择，不仅要考虑其总含量，也要考虑到它的化学活性。根据国内许多工厂的生产经验，用普通生黏土配料时，Al2O3

含量一般要求＞

23%，最少不能低于20%，但也不宜过高，因为Al2O3过高时，型壳浇注后的残留强度相应增大，使铸件清砂困难；此外，还可能在某些铸钢件中形成热裂。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制2.胶质价黏土-

水系也是一种胶体溶液。胶质价就是衡量黏土胶体性能的指标之一。普通软质黏土粒子遇水发生膨胀并有良好的可塑性，脱水干燥时产生收缩。黏土的胶质价愈高，吸水膨胀性就愈大，黏结性和可塑性就愈强。以高岭石为主要矿物组成的普通黏土，其胶质价一般为25%～

50%。用生黏土配料时，黏土的胶质价不可过高。胶质价愈高，涂料黏度变化就愈大，存放性差；上涂料时流动性不好，容易局部堆积而造成硬化不透，导致型壳分层、鼓胀和变形；再有，胶质价过高时，为达到适宜的涂料黏度，黏土的加入量必然要减少，或者增加水玻璃含量，这就破坏了涂料的正常配比，从而影响型壳强度。所以，从型壳质量和涂料工艺性考虑，黏土胶质价一般宜小于35%～

40%。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制对于熟料（如铝矾土、焦宝石、匣钵粉等），由于预经高温焙烧，高岭石晶格破坏而失去吸水膨胀能力，所以遇水膨胀性极小。例如，某种山西大同黏土胶质价为30%，经850℃

焙烧后仅为19%故配制的涂料黏度稳定，流动性好，涂挂较为均匀，硬化速度也较快。3.粒度从型壳强度性能考虑，黏土粒度细时分散性大，增强作用好，涂料也不易沉淀。但生黏土粒度愈细，吸水膨胀性愈大，所以普通耐火黏土粒度一般为70～100目。其他黏土质熟料粉或铝矾土粉，由于它们的相对密度较生黏土大，遇水膨胀性很小，故粒度不宜过粗，以免涂料沉淀一般选为180～200目。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制4.1.3表面活性剂在水玻璃涂料中加入表面活性剂主要有两个作用，一是降低涂料与蜡模间的界面张力，提高它们之间的润湿性，改善涂料的涂挂性；二是增大涂料的分散性，使涂料黏度变化小，稳定性较好。表面活性剂的加入量通常由其临界胶束浓度来决定。这个浓度一般都很小（0.02%～

0.4%）。由于其分子结构和碳原子数的不同，各种活性剂的临界胶束浓度也不同，此外，这个浓度还受到温度、电解质浓度和溶液极性等因素的影响。所以在实际生产中多用试验方法加以确定。但其加入量不可过多，因为非离子型活性剂在溶液中会自成胶束或凝聚体，使黏度变大。故对多数非离子型表面活性剂而言，加入量过多时，涂料黏度反而增大。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制表面活性剂最好以水溶液形式加入，浓度可为25%～

50%。在稀释或处理水玻璃时，同稀释水一道加入，可借机械搅拌作用，使活性剂分子能均匀地分散于水玻璃之中，以增大水玻璃硅酸溶胶的分散性在搅拌后的静置期间，气泡得以逸出。常用非离子型表面活性剂，在常温下呈油状液体，温度较低时呈黏稠状液体，更低时呈膏状，使用前可用40℃

～50℃

热水浴解再行稀释。对于聚乙二醇型非离子表面活性剂而言，受热时可呈混浊状，这是因为加热温度超过了它的浊点之故。憎水基相同时，环氧乙烷加入的分子数愈多，亲水性也愈大，浊点就愈高但冷却之后又复澄清，对其性能没有什么影响。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制在涂料中加入表面活性剂后，对型壳的强度性能的影响，目前尚末进行深入的研究，但从实际使用效果来看，加入量超过0.1%时，型壳残留强度似有所下降。4.1.4水玻璃耐火涂料的质量控制衡量涂料的质量指标主要有：适宜的配比和黏度，良好的分散性、流动性、涂挂性和一定的稳定性等。1.涂料的黏度黏度是指涂料流动时悬浮液内部质点之间的内摩擦。黏度不但决定了流动性，也决定了涂料层的厚度和涂覆的均匀程度，所以黏度是涂料质量的主要指标。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制表面层涂料的黏度要着重从型壳和铸件表面质量考虑。黏度过大时，涂料流动性低，料层过厚且难以使涂料均匀包覆在蜡模表面上，尤其是容易堆积在蜡模的拐角、小孔和凹槽处，使这些都位硬化不透而引起粉化、起皮和脱落，型壳透气性也低，铸件表面易形成夹砂、黏砂和砂眼等缺陷。若黏度过小，则涂料厚度过薄，在撤砂时容易被砂粒打穿或被气流吹走，边角处涂料更易流失而撒不上砂粒，从而在硬化和硬化后干燥时容易沿边角开裂；涂料过薄时，铸件表面也易于形成铁刺。表面层涂料黏度选择要与铸件形状复杂程度相适应。外形复杂的且具有小孔、深槽、丙形以及其他不规则表面时，涂料黏度要小些，以使涂料能进入到这些细小部位，又不致在那里堆积过多而影响硬化深度；对于形状简单的厚实铸件，黏度可适当大些。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制此外，表面层涂料黏度也要与所用硬化剂性质相适应，用聚合氯化铝为硬化剂时，黏度宜小些；用氯化铵为硬化剂时，黏度则可大些。加固层涂料黏度要着重从型壳强度和硬化深透性考虑。黏度小了，料层过薄，撒砂时砂粒黏附不牢，型壳强度低；黏度过大时，料层过厚，往往硬化不透，容易产生分层、鼓胀等缺陷，型壳强度也很低，脱蜡时容易开裂和煮烂。与表面层相比，加固层涂料撒砂较粗。型壳外表面积增大，故黏附的涂料层必然要厚些，为使其硬化充分，涂料黏度比表面层小些，对高强度型壳加固层涂料有时黏度比表面层涂料大。黏度选择还与制壳操作方式有关。手工操作时，可以甩涂料使之分布均匀，这时黏度可大些，在机械化流水线上生产时，上涂料后靠撒砂前一段吊具位移和转动而使其分布均，没有甩的动作，故涂料黏度宜小些。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制2.原材料的性质、配比和黏度的关系涂料需要有适宜的配比，为的是保证型壳的表面质量、强度和透气性等要求，同时配比还应保证涂料有适宜的黏度。涂料的配比首先由原材料的性质，如水玻璃模数和相对密度，耐火材料的化学成分、粒度、粒形和湿度以及胶质价等因素来决定涂料黏度主要由配比决定，反过来，黏度又会影响配比关系。在实际生产中，正确的掌握和控制原材料性质、配比和黏度这三者的关系以及各种因素对它们的影响，对于保证型壳和铸件质量有重要意义。（1）表面层涂料对于表面层涂料，通常是采用粉料重量略大于黏结剂重量的配比，即水玻璃∶石英粉=1∶1.05～

1.15。这样的配比在一般情况下都能保证型壳的耐火度和表面质量，而黏度也比较合适。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制假设水玻璃（d=1.29～

1.30）中含SiO223%，Na2O7%，略去杂质，则含水量约为70000若按水玻璃∶石英粉=1∶1配料，在搅拌均匀的情况下，涂料中SiO2含量应为11.5%，Na2O为3.5%，水为35%，石英粉为50%。在这样的涂料中，石英粉起了充填剂的作用，而钠盐和水分占了近40%。这些物质在以后的硬化、干燥、脱蜡和焙烧过程中将被去除而在壳中留下孔隙。涂料中石英含量愈高，则型壳表面愈致密，孔隙度就愈小，表面就愈光洁。从这个意义上来说，石英粉含量也不宜过高。过高了涂料黏度太大，料层堆集过厚，同时由于水玻璃含量减少，表面强度将下降。故生产中若水玻璃模数为3.0～3.4时，表面层涂料水玻璃∶石英粉为1∶1.2以内。如果水玻璃模数高于3.4以及用聚合氯化铝硬化时，为了降低涂料黏度，保证硬化深透，一般是降低水玻璃相对密度来控制黏度，而不宜减少粉料加入量。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制许多工厂表面层涂料常根据黏度来控制其配比，虽然不十分准确，在一般生产条件下还是可行的。但是必须考虑到因原材料（如水玻璃或石英粉）来源和性质改变或气温变化引起的黏度变化，这对稳定型壳质量是十分重要的。（2）加固层涂料对于加固层涂料来说，原材料性质、配比和黏度的关系不像表面层涂料那么单纯，有三种情况要分别考虑。第一种情况，普通水玻璃型壳加固层涂料中不含黏土一般采用与表面层涂料相反的配比，即水玻璃∶石英粉（200目）=1.05～1.1∶1.0，同时采用相对密度较大的水玻璃。由于涂料中黏结剂成分增大，型壳强度有所提高，而黏度却较表面层涂料小些。在这种情况下，也可用黏度来控制配比，但也必须考虑到原材料来源和气温变化的影响。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制第二种情况，加普通黏土的高强度型壳。这时的涂料配比不仅要考虑黏结剂/粉料的比例，还要考虑到石英粉/黏土的比例，就是说，要综合考虑黏结剂、石英粉和黏土这三者的比例关系，目的是保证型壳有足够的耐火度、常温和高温强度并使涂料有适宜的黏度。这种涂料的配比要使型壳中有足够的活性Al2O3

含量，此含量是由黏土加入量来保证的。反之，若单纯控制黏度，就会使配比失调。因为达到同样黏度时，三种材料可以有多种配比。为使黏度合适，要么少加粉料，要么多加水玻璃，再加上温度因素的影响，因而单纯控制黏度，往往不能保证型壳中的Al2O3

含量，高温强度就必然会受到影响。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制由此可见，用石英粉和普通粒土配料时，保证涂料中有足够Al2O3和黏结剂的含量，同适宜黏度之间是有矛盾的。为了解决这个矛盾，首先要选择Al2O3含量较高、胶质价较低的黏土；其次，若黏土中Al2O3含量较高而胶质价也高时，则可减少石英粉含量，同时适当提高水玻璃模数并降低其相对密度来调正黏度。也可以采用生熟料搭配的方法配料，即加入适量熟黏土粉以减少生黏土含量。对于Al2O3含量低和胶质价高的黏土一般只作为调整黏度和改善涂料悬浮性之用，而不宜作为主体耐火粉料配制涂料。第三种情况，用硬质黏土、黏土质熟料或铝矾土配制的加固层涂料。这些材料Al2O3含量一般均在35%～

40%，耐火度比普通黏土高，型壳高温强度高，涂料层渗透性好，硬化速度较快，吸水膨胀性很小，涂料黏度稳定，流动性好，配料时可多加些，所以生产中常用水玻璃与粉料之比小于1。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制加固层涂料全部用熟料配料的缺点是型壳脆性较大，且铸件清砂困难。全部用生料配料时，涂料悬浮性好，不易沉淀；且生黏土中的结合水、结晶水和腐植酸类有机挥发物若在型壳熔烧时去除，还有助于提高型壳的透气性，清砂也比较容易，生黏土价格也便宜。但是，生料因吸水膨胀使涂料黏度变化大，型壳渗透硬化性不如熟料，而且许多地区缺少Al2O3含量高、胶质价低的生黏土，所以有的工厂采用生、熟混合配料的方法。混合配料可有两种情况一种是以生料为主，加熟料来提高Al2O3含量和降低涂料黏度；另一种是以熟料为主，加生料来提高涂料悬浮性，防止型壳上产生裂纹并改善型壳溃散性。国内常用的沈阳黏土属于前者，即以生料为主，含熟料20%～

30%。这种混合配料法兼有熟料与生料的优点，型壳有一定塑性，高温和常温强度也足够，涂料工艺性也很好。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制耐火粉料的粒度和湿度对涂料配比和黏度也有一定影响。其他条件相同时，粉料粒度愈细、湿度愈小，则涂料黏度愈高3.温度的影响温度对涂料黏度和配比的影响是不容忽视的。水玻璃涂料对温度的敏感性较大。温度升高时，涂料黏度减小，反之黏度增大。若以黏度为配料标准，当气温升高时，黏度减小，而为达到规定黏度值，必须多加粉料；反之，气温下降时，就要少加粉料。根据生产经验，某种表面层涂料，黏度相同时，夏季配比为1∶1，冬季仅为1∶（0.75～

0.80），粉料数量减少这么多，必然会恶化铸件表面质量许多工厂发现冬季铸件表面质量差，毛刺多，多半是这个因素所致。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制从质量要求考虑，涂料既要有合理的配比，又要有适宜的黏度，二者不可偏废。单纯以黏度控制配比，仅当原材料品种单一定点供应以及一年四季气温变化不大时才有可能。对我国绝大多数地区和工厂来说，这个条件是难以满足的。所以一般都是根据生产工艺要求和气候特点，确定合理的配比范围和该配比下的黏度范围，并以此黏度借来检验涂料质量，这样就可使涂料始终保持一定的配比范围，铸件质量也就比较稳定了。需要指出，涂料黏度随温度的变化关系，既同水玻璃黏度变化有关，也同粉料性质和加入量有关同一水玻璃加入不同粉料，其黏度随温度的变化也不完全相同。控制不同温度下水玻璃涂料中Na2O含量，是控制涂料黏度和配比的有效方法。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制根据生产经验，每班前对涂料进行充分搅拌后取样测定NazU含量，夏季表面层涂料中Na2O为3.3%～

3.5%，冬季为3.5%～3.7%，使用过程中宜＜4.0%。对涂料进行机械搅拌时，常因温度升高而黏度下降。搅拌速度愈快，时间愈长，则黏度愈小。在机械化流水线上用固定式搅拌机连续搅拌时，应测定涂料温度，以便能准确控制配比和黏度。4.1.5耐火涂料的配制配制方法是在不断搅拌的情况下，把粉料慢慢加入水玻璃中并进行强力搅拌。搅拌时间必须大于30分钟，以使黏结剂与粉料混合均匀，充分润湿，防止成团结块。搅拌后要静置4h以上，使水玻璃与粉料进一步润湿，使气泡逸出。此种配料方法粉尘大、劳动条件不好。上一页下一页返回4.1水玻璃耐火涂料及其配制有的单位采用一种湿法配料法，即将进厂的湿石英粉（须测定其平均含水量）加入水玻璃中，或者将稀释水玻璃的水加到石英粉中，再将潮湿了的石英粉加进水玻璃中。涂料的使用与存放期间不宜过长，通常

M=3.0～3.4时为一周，M＞

3.4时为3～4天，时间过长时涂料性能会变坏，这一点对表面层涂料而言尤为重要。由于表面层涂料消耗量比加固层少得多，所以最好是现用现配，剩余涂料可作配制加固层涂料之用。在涂料涂挂过程中要经常进行搅拌，务使上下混合均匀，并测定黏度。涂料槽中不宜用高速搅拌器，以免卷入过多气体而影响涂挂质量。上一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺型壳制造是熔模铸造工艺的主要工序，它包括上涂料、撒砂、干燥和硬化、脱蜡等操作工序，这些工序的重复进行，即可获得有一定厚度的多层型壳。本节讨论以氯化铵为硬化剂的制壳工艺的一般原理和工艺特点。4.2.1上涂料和撒砂上涂料前要把模组上的蜡屑、污物清理干净。涂料要搅拌均匀。在操作过程中，涂料也应定期搅拌，务使上下各处分散均匀。上涂料时要保证模组各处都能均匀地挂上涂料，避免缺涂和局部堆积。蜡模的棱角、凹槽、小孔以及焊接部分等不易涂均匀且易积存气泡，要根据熔模构造特点，在涂料桶中旋转或上下移动，必要时可用毛笔在局部涂刷。下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺上涂料后要进行转动，利用涂料流动性包覆模组，至涂料滴不再往下滴时，表示流动即将停止即可撒砂。撒砂的目的是用砂粒来固定涂料层并增加型壳厚度，使之有足够的常温和高温强度；撒砂还可以提高型壳的透气性和退让性，并能防止型壳硬化时产生裂纹和其他表面缺陷。上涂料后要掌握好撒砂时间，撒砂过旱，涂料尚在流动，容易产生堆积，砂子也不易撤匀；过晚了不易撒上砂粒，撒上的也黏附不牢，容易剥落和分层。撒砂时要使模组不断回转和上下倒置运动，使涂料和砂粒分布均匀，浮砂堆集，直到砂粒黏不上为止。砂子粒度一般根据涂料层次选择。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺表面层撒砂粒度要与涂料黏度相适应。黏度愈小，砂粒应愈细，才能保证表面质量。一般可选为60/100或40/90。加固层涂料撤砂可粗些一般选为20/40或10/20。从型壳透气性和强度角度考虑，撒砂粒度应从表面层到最外层，逐步加粗。但从简化工艺和设备考虑，砂种也不宜过多。特别是在制壳流水线上生产时一般只用两种粒度，以减少沸腾砂床数量或换砂次数。砂粒要均匀、粉尘要少。特别是沸腾撒砂时，粉尘将首先被覆在涂料层上，砂子就撒不上了。砂子湿度要小（通常＜

1%），尤其是重力撒砂时，砂中水分多容易造成浮砂堆积，型壳将在这里产生分层和鼓胀。涂料层数由铸件重量、合金种类等因素决定。层数愈多，型壳就愈厚，强度大，但透气性降低了。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺此外，层数多时生产周期长，手工操作劳动强度大，故层数选择应在满足常温及高混强度条件下，层可能少。且型壳薄时铸件冷却快，可减少脱碳层深度。常用层数是普通型壳4～5层，高强度型壳5～7层，大件8～10层或更多。有的工厂最后一层不撒砂，使型壳外表砂粒封闭，以防止脱蜡时浮砂进入型腔中。4.2.2型壳的干燥和硬化1.硬化前干燥硬化前干燥主要有两个作用，第一个是扩散作用。前文曾指出，涂料从整体看来是均匀的，但上涂料后的涂料层中，粉料与黏结剂的分布实际上是不均匀的。干燥可使黏结剂组分由浓度高的部位向浓度低的部位进行扩散、渗透和均匀化，以分散型壳层内Na2O和水分的聚集，从而使型壳在硬化时能均匀硬透。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺硬化前干燥的第二个作用是脱水作用。表面涂料层硬化前含水分15%～20%，在干燥过程中，水玻璃脱水浓缩而形成固体硅酸薄膜和许多毛细孔。在硬化时有助于硬化剂的深入渗透，硬化速度快而且均匀。经干燥后的溶胶不是在液体中而是在硅酸钠团体中完成凝胶转化，这样的凝胶弹性高、致密度好，使型壳表面强度大、硬度高，不易起皮、粉化和脱落，因而表面质最好。生产试验表明，其他条件相同时，硬化前经干燥的型壳比不干燥的（即撒砂后立即硬化）常温强度高一倍左右。但一般情况下，除表面层外，其余层在硬化前均不进行干燥，为的是缩短生产周期，强度也是足够的。对于大件、带大平面或凹槽的铸件而言，表面层涂料硬化前干燥，对表面质量的有益作用是十分显著的。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺应当指出，型壳在硬化前干燥，基本上不发生什么化学反应。空气中CO2

对硅酸溶胶的促凝作用与硬化剂相比是极其微弱的。干燥后的型壳似乎也很硬，但这时的强度主要是因体硅酸钠薄膜的黏结作用，还不可能形成硅酸凝胶。就是说，对于水玻璃型壳而言，干燥是不能代替化学硬化的。硬化前干燥时间由涂料黏度、室温、空气相对湿度、通风条件、铸件大小等因素来决定。涂料黏度大，室温低，空气相对湿度高，通风条件不良以及大型铸件，干燥时间应长些。反之可短些。采用热风可以大大缩短干燥时间和流水线上悬链的长度。具体时间由30～

40min到几小时不等，视生产条件和产品要求而定。但干燥时间也不宜过长，过长时型壳外表面易生白霜、开裂和剥落，且与加固层涂料润湿和结合不好而形成分层和起皮缺陷。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺2.氯化铵硬化剂氯化铵是水玻璃型壳应用最旱，使用经验也比较成熟的硬化剂。它的优点是渗透硬化速度快、生产率高；由于它同水玻璃化学反应为吸热反应，反应产物之一的NH4OH具有延续硬化的作用，故硬化作用较为缓和，操作较易掌握，使用也比较安全。缺点是型壳高温强度低，易生茸毛，不便于储存，设备锈蚀严重，劳动条件不好等。用做硬化剂的氯化铵系工业纯制品。其化学成分要求是：NH4Cl95%～98%，NaCl＜

0.2%，H2O＜

1.5%，水不溶物＜

0.7%。氯化铵溶于水时要吸收热量故配制硬化剂时，为加速溶解，最好加热到60℃

～80℃。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺3.涂料层的硬化过程在整个涂料层的硬化过程中，首先在二者界面上发生硬化反应，这个过程称之为界面硬化。接着，硬化剂便透过界面硬化形成的胶膜，由表及里地进行渗透，这个过程称之为渗透硬化。整个涂料层的硬化，就是由界面硬化和渗透硬化这两个连续过程组成的。由于型壳是浸泡在硬化剂中进行硬化的，二者接触面大，所以界面硬化进行得很快。渗透硬化则是硬化剂透过胶膜渗透、扩散而逐渐进行的，型壳受到硬化的部分同硬化剂的接触面大大减少了。因此，无论用什么硬化剂，渗透硬化都不可能在瞬间完成，而且一般也不可能在硬化剂中浸泡时间内完成。在硬化后的干燥过程中，渗透硬化反应仍在继续进行。水是硬化剂的载体，随着水分的蒸发，硬化过程才濒于停止。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺涂料层的渗透硬化速度与硬化产物和硬化剂特性有关从硬化产物来看，界面硬化形成的凝胶薄膜实际上是不连续的。氯化铵与水玻璃涂料层形成的凝胶薄膜，由于硅酸凝胶的多孔性、胶体变化时收缩而形成的微裂纹以及化学反应产生的氮气逸出等，构成许多毛细孔隙。氯化铵溶液是单相均匀体系，黏滞性小，渗透能力强，故在硬化时易于沿着这些毛细孔隙，从界面由表及里地深入渗透和扩散，从而使整个涂料层硬透4.型壳中Na2O含量的控制在涂料层硬化过程中，控制Na2O含量是关系水玻璃型壳和铸件质量好坏的一个重要问题。因为型壳与铸件上许多缺陷都和残留Na2O含量有关。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺在制壳过程中，既要防止Na2O含量过高，硬化不足；又要防止Na2O含量过低，硬化过度生产实践表明，用氯化铵硬化的型壳，硬化后Na2O残留量为0.7%～

0.9%是适宜的。一般水玻璃中含Na2O为6%～8%，则涂料中Na2O含量为3%～

4%，型壳中为1.5%～

2.0%，可见在硬化过程中，Na,O仅被中和50%左右，其余的Na2O将在脱蜡、焙烧过程中逐步被去除。如果硬化不足，硬化后Na2O残留量＞

1.2%，则型壳发酥，强度很低，脱蜡时易变形或煮烂，铸件表面质量很差；如果硬化过度，Na2O残留量＜

0.7%～

0.9%，则由于SiO2

凝胶析出过多，型壳发脆并易开裂，在脱蜡和焙烧时，裂纹将不断扩大，使型壳整体强度下降。由此可见，在化学硬化过程中，残留在型壳中的Na2O要控制在一定范围内，并在制壳过程中逐步被去除是必要的。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺当然，从强度性能的要求来看，焙烧后型壳中残留Na2O愈少愈好，因为型壳中残留Na2O少，则高温强度大，残留强度低，清砂也比较容易。但实际生产中完全清除型壳中的Na2O是不可能的。5.硬化工艺硬化工艺要着重控制硬化剂的浓度、温度和硬化时间这三个参数。硬化剂浓度是影响硬化深透的主要因素之一。为了保证型壳硬化良好，硬化剂NH4Cl的浓度应不低于18%～

20%。高强度型壳为提高渗透硬化能力，浓度一般为20%～

30%。在常温下硬化时，随着硬化剂浓度的增大，硬化速度有所增加，如图4-1所示。需要指出，硬化剂的效能不仅与NH4Cl浓度有关，也与其中影响硬化能力的NaCl和NH4OH等物质的含量有关故长时间使用的硬化剂要全面测定其化学成分。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺提高硬化剂温度可以明显地改善渗透能力和化学反应速度，缩短硬化时间。由图4-2可以看出，硬化剂温度愈高，这个效果就愈显著。涂料层硬化时间首先由硬化剂温度和浓度来决定。提高硬化剂浓度和温度，可以缩短硬化时间。型壳在硬化前进行干燥，也可缩短硬化时间。用铝矶土为高强度型壳的增强材料时，由于它具有多孔性，涂料黏度也较小，故渗透性好，硬化时间可以缩短。硬化时间实质上是硬化剂通过界面硬化形成的胶膜逐渐向内层深入渗透的时间，所以凡有利于提高渗透硬化能力的各种因素，都可缩短硬化时间。上述硬化剂浓度、温度和硬化时间不能孤立地选择，要相互配合，综合考虑，以兼顾型壳质量和生产率两个方面的要求。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺6.硬化后干燥型壳硬化后还需在空气中干燥一定时间方可涂覆下一层涂料干燥可以采用自然干燥和热风干燥。型壳在硬化剂中硬化仅能实现界面硬化和部分渗透硬化，换言之，仅能初步建立强度。硬化后干燥时，型壳上残留硬化剂将继续进行均匀扩散和渗透硬化，硬化层厚度将不断增长，所以硬化后干燥乃是硬化过程的继续，是使涂料层硬化均匀而深透的重要条件。用聚合氯化铝为硬化剂时这一点是十分重要的。此外，硬化后干燥也是凝胶的脱水过程。凝胶的脱水对聚合氯化铝硬化剂而言也是很重要的。在干燥时要使多余硬化剂漓尽，并使氨气大部分逸出。生产上以“不白不湿”为选择这个时间的经验依据。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺“白”就是过干，“湿”就是过湿。过干了易析出氯化铵晶体和白毛，不易使下层涂料均匀湿润，从而导致塑壳的分层和鼓胀，而且硬化层深度并不随干燥时间继续延长而增长。当自然干燥时间大约超过20min后，型壳硬化层深度就不再增长了。硬化后干燥时间也与硬化剂浓度和温度有关。硬化剂温度高，浓度大时，硬化时间短，干燥时间也短。反之，干燥时间要适当延长。对于大件和带有大平面的铸件，干燥时间也要长些。干燥时间也与气温、空气湿度和制壳场地的通风条件等因素有关。当室温为18℃

～30℃，空气相对湿度为40%～

60%时，干燥时间20～

30min已足够。室温低和湿度高时要适当延长采用热风干燥可大大缩短干燥时间，并能在室温低和湿度高的气候条件下稳定型壳质量，是值得推广的。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺用氯化铵为硬化剂的硬化工艺参数因原材料、产品、生产条件、气候以及操作情况而异，各厂各地均各不同，表4-1和表4-2给出某厂高强度型壳的制壳工艺参数，可供参考。4.2.3脱蜡脱蜡就是熔失熔模的过程。制好的型壳在脱蜡前要停放一段时间（2～4h），使最后几层涂料干燥硬化充分。脱蜡前要切割和清理浇口端面，去除浮砂，以免脱蜡时落入型腔。脱蜡方法有许多种。水玻璃型壳常用的方法是热水法。近年来又发展了微波脱蜡法和远红外脱蜡法下面主要介绍热水法。水玻璃型壳熔模铸造主要用石蜡-

硬脂酸等低熔点模料制模，故目前多用热水法脱蜡。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺热水法脱蜡的优点是：由于蜡模表面和铝浇口棒处的蜡料首先受热而迅速熔化并从浇口杯流出，在型壳与蜡模之间形成间隙，而由于蜡料导热性差，蜡模表面虽已熔化，但其内部温度升高较慢，故不致迅速膨胀而将型壳胀裂；其次，热水脱蜡可溶解部分NaCl和Na2O；在水中加入少量NH4Cl、HCl或H3BO3

等物质，还具有一定的补充硬化的作用，使型壳中的Na3O含量进一步下降。例如，型壳硬化后Na2O残留量为0.7%～0.9%时，热水脱蜡后通常可降至0.3%～

0.5%，而表面层Na2O含量甚微。在脱蜡水中加入HCl和H3BO3，尚能清除型壳中的皂化物，减少型壳存放期间析出茸毛，有助于提高其表面强度。热水脱蜡法脱蜡速度较快，蜡料回收率高（可达90%以上），设备简单，脱蜡后型壳和浇口棒比较干净。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺热水法的缺点是只适用于低熔点模料；模料易于皂化；由于脱蜡时浇口杯向上，热水翻腾时砂粒易进入型壳中。脱蜡后型壳湿强度下降。热水温度应控制在90℃

～95℃

范围内，温度过低时，脱蜡时间延长，模料熔化速度慢，型壳容易软化、胀裂和煮烂。温度过高时，热水沸腾，易将槽底的砂子、污物等混入型腔中。为了加快熔失速度，平衡脱蜡时间，最好把壁厚和尺寸相近的模组，放在同一框架内脱蜡。脱蜡时间根据铸件壁厚和模组大小一般在15～

25分钟内。脱蜡水应维持酸性，这样既有利于模料回收，也有利于对型壳的补充硬化。目前多数工厂使用1%～

3%NH4Cl或%1～3%NH4Cl+（1～2）H3BO3

脱蜡水，效果都不错。但需指出，型壳的硬化和强度的形成，主要靠硬化剂硬化，脱蜡水的补充硬化作用是有限的。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺脱蜡水要定期（根据生产批量一般为3～7天）进行清理，去除槽底砂子和污物。4.2.4型壳的焙烧脱蜡后的型壳存放一定时间后，需要进行高温焙烧。熔烧的目的是去除型壳中的挥发物如水分、残余蜡料、皂化物、砂和黏土中的有机物和挥发物、钠盐等，以减少型壳的发气性和提高其透气性；在焙烧过程中，可进一步降低型壳中残留的Na2O并进行某些有利于提高高温强度的物理化学反应，焙烧可使型壳在工艺要求的温度下浇注，有利于提高液体金属的充填能力，并可防止石英砂型壳低温浇注时产生开裂和跑火等。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺1.焙烧过程的主要物理化学变化水玻璃型壳是多种成分的组成体。它们在高温下将产生一系列物理化学变化，如石英的热膨胀和同索异晶转变，黏土中高岭石的分解和体积收缩，自由水和结晶水的挥发，残余蜡料、皂化物、硬化剂以及某些反应产物的分解和挥发，SiO2、Al2O3

和Na2O的热化学反应等，这些物理化学变化是比较复杂的。这里，着重讨论以氯化铵硬化的水玻璃型壳在焙烧时的主要物理化学变化。（1）NH4Cl的分解型壳焙烧时，残留NH4Cl在337℃

时分解。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺分解出来的NH3

和HCl呈气态，在低于337℃

的炉门处又变成NH4Cl白色烟雾，并带有较强的刺激性和腐蚀性。采用高浓度NH4Cl溶液硬化的高强度型壳，焙烧时散发出来的烟雾也更多些。（2）Na2O的变化前文曾指出，经NH4Cl硬化后的水玻璃型壳，残留0.7%～

0.9%的Na2O是必要的。脱蜡时由于脱蜡液的补充硬化和部分Na2O的溶解，Na2O残留量会进一步下降一般达0.3%～

0.5%。这些Na2O在焙烧时与NH4Cl分解出来的HCl反应，会使型壳中残留Na2O进一步减少其反应如下：Na2O+2HCl—→2NaCl+H2O上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺所以在焙烧后的型壳中，Na2O残留量可达0.1%以下。高强度型壳用高浓度NH4Cl溶液硬化后，由于型壳中残留NH4Cl也较多，所以残留Na2O会更少些一般为0.01%～

0.03%。可见，Na2O的大幅度下降，出现在焙烧时，这对型壳的高温强度显然是有利的。从高温强度的要求来看，型壳中残留Na2O应当愈少愈好。可是，在一般生产条件下，要使残留Na2O含量进一步降低是困难的。根据生产经验，低于800℃

焙烧时，温度愈高，残留Na2O就愈低。但高于800℃

后，继续提高焙烧温度，Na2O含量几乎不变。从这点来看，始烧温度高于800℃

是合理的。（3）NaCl的变化和挥发物的去除型壳中NaCl的来源有二，一是水玻璃同NH4Cl的反应产物，二是焙烧时NH4Cl分解出来的HCl与残留Na2O的反应产物。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺NaCl的量可以做如下的简单计算，设水玻璃在型壳中占20%～

25%，水玻璃中Na2O含量为7.0%左右，那么型壳中Na2O含量应为1.4%～

1.7%。若把这些Na2O全部转化为NaCl，则应比Na2O的重量增加0.9倍，即为2.7%～

3.2%。根据经验，硬化及脱蜡时，将有一半左右NaCl溶入硬化剂和脱蜡水中。按此计算，则脱蜡后型壳中NaCl应为1.3%～

1.6%，但焙烧后的型壳中，NaCl残留量一般只有0.2%～0.4%，那些盐哪里去了呢？型壳中晶体NaCl的熔点为803℃，沸点1413℃。在865℃

时，晶体NaCl的蒸气压仅为1mmHg，而1220℃

时也仅为100mmHg。可见，在熔烧温度下，晶体NaCl的蒸发量极小，浇注时蒸发量增加得也不多。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺原来，水玻璃中的Na2O并末在硬化过程中全部与NH4Cl作用掉，而是残留着一部分。焙烧时，型壳中NH4Cl分解HCl与残留的Na2O在高温（～400）和无自由水的条件下反应生成NaCl。这是无定形的新生态NaCl，它的化学活性高，分散度大，在焙烧温度下容易挥发，形成我们看到的烟雾。只要焙烧温度和保温时间足够，型壳不会引起呛火、浇不足和气孔等缺陷。浇注铝合金铸件时，型壳中残留盐分可能是形成表面麻点缺陷的主要原因。根据生产经验，防止这种缺陷的有效措施是制壳后停放时间不宜过长，防止钠盐因水分迁移而大量向表面集结，高温入炉，快速升温，焙烧温度不低于800℃，驱使NaCl尽快挥发，减少发气量，以防止这种缺陷。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺型壳发气量与熔烧温度的关系，焙烧温度愈高，发气量愈少。型壳焙烧后由于挥发物的去除，将有15%～

20%的质量损失，因而发气性减少。孔隙度增加，透气性也有所提高。但当温度超过1000℃

～1100℃

时，由于液柏出现，堵塞孔隙，故透气性有所降低。熔模铸造的型壳多半是在高温下浇注，而型壳的高温透气性比其室温下的透气性低得多。这主要是因为空气黏滞性随温度升高而增大的缘故。对于水玻璃型壳而言，高温浇注时透气性虽有所下降，但一般情况下也是足够的。型壳在浇注时还会产生一些硅酸盐系统的物理化学反应，对型壳高温强度有重要影响。2.焙烧方法和工艺型壳焙烧方法有填砂装箱法和不填砂法两种，前一种用于普通型壳，后一种用于高强度型壳。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺型壳焙烧时，石英砂相变，硅酸凝胶的收缩，材料的热膨胀等因素，都会影响铸件的尺寸精度。用填砂装箱熔烧时，由于填砂本身高温尺寸变化的侧压力，会使型壳在800℃

左右发生变形。这种方法炉子利用率低，加热时间长，劳动强度大，燃料或电力消耗大。采用高强度型壳后，由于型壳高温强度大，故可不必填砂装箱，这时型壳仅受其自重作用而不受其他外力的作用，故变形小，炉子利用率高，加热速度快，生产率也大大提高了。但是不填砂装箱浇注时，会散发出大量腐蚀性和刺激性气体，使金属设备受到腐蚀，劳动条件不好，故焙烧和浇注场地应加强通风，排除烟气。至于填砂浇注时，蒸发出来的盐蒸气穿过温度较低的填砂时又行凝结，故烟气较小。上一页下一页返回4.2氯化铵为硬化剂的制壳工艺用NH4Cl硬化的水玻璃型壳，焙烧温度一般为800℃

～850℃，保温0.5～2h。保温时间长时发气性小些。焙烧良好的型壳，表面与断面应为白色、粉白色或粉红色（由原材料含Fe量而定）。若呈深灰色，则说明型壳中有较多碳分，焙烧不良，出炉和浇注时发气量大，型壳透气性低，强度也不足，容易产生气孔、呛火和漏钢。还需指出，石英砂型壳经多次熔烧后，常温和高温强度都将下降。这是由于石英材料经几次反复加热和冷却产生膨胀和收缩而形成许多微裂纹，并在每次焙烧中不断扩大，致使型壳整体强度下降所以一般允许焙烧二次，再多就不行了。上一页返回4.3结晶氯化铝硬化剂和制壳工艺我国许多工厂、单位在科学实验和生产验证的基础上，采用了一些新的硬化剂和制壳工艺，并取得了良好效果。其中有结晶氯化铝、聚合氯化铝、氯化镁等硬化剂，混合涂料和交替硬化制壳工艺等它们的应用，对于我国水玻璃型壳熔模铸造的发展，提高铸件质量和劳动生产率，改善劳动条件等方面，都起了很大作用。4.3.1制壳工艺特点同氯化铵相比，用氯化铝为硬化剂有两个显著的特点：一是硬化反应产物是以硅胶为主，硅胶与铝胶产生共凝；二是硬化剂本身渗透性差，故型壳渗透硬化速度比氯化铵低。制壳工艺要充分考虑这两个特点，采用相应的工艺措施，以保证表面质量和强度性能，不可照搬氯化铵硬化工艺。下一页返回4.3结晶氯化铝硬化剂和制壳工艺1.涂料用氯化铝硬化时，型壳上许多缺陷如分层鼓胀、强度不够以及表面的胶体析出物等，都同涂料黏度过大有关。所以为了保证铸件表面质量和型壳硬化深透，必须适当降低涂料黏度。生产中表面层涂料黏度一般不超过30s（20～30s），加固层不超过26s（8～23s）。降低涂料黏度不能使配比失调。具体来说，对于表面层涂料给须保证石英粉含量；对于加固层涂料则必须保证黏土含量（即Al2O3

含量）。为能兼顾配比和黏度这两方面的要求，要选择模数较高（3.2～3.6），相对密度较低（1.265～

1.290）的水玻璃；选择胶质价低、Al2O3

含量高的黏土，最好是选用硬质黏土、铝矾土或以熟料为主的生熟搭配混合配料法等。上一页下一页返回4.3结晶氯化铝硬化剂和制壳工艺2.硬化剂结晶氯化铝溶液的配制方法是将粉状AlCl3·6H2O直接溶于水中。溶解时放热，故不必加温。每千克水中加入结晶氯化铝0.5kg即可，这时AlCl3·6H2O的浓度可达30%～

33%。对于聚合氯化铝液体产品可直接使用，浓度过大时可加水调节，并加适量盐酸降低其pH值。聚合氯化铝中Al2O3含量是其他性能的基础。实践表明，Al2O3含量过低时，型壳强度很低，但过高时硬化速度增加并不显著。反而因黏度和表面张力增大而不易渗透；此外，Al2O3过高时，型壳上残留聚氯化铝多，不易同下一层涂料润湿而导致型壳分层，而且型壳浇注后的残留强度大，铸件清砂更困难些。所以Al2O3含量选择应在保证型壳强度性能的基础上尽量采用低限。上一页下一页返回4.3结晶氯化铝硬化剂和制壳工艺碱化度B和pH值也是两个重要参数。碱化度愈高，析出铝胶愈多。故型壳常温和高温强度都有所增加。但B和pH值的选择也要从型壳硬化深透和强度性能综合考虑，且硬化水玻璃型壳时，构成强度的主要还是靠硅胶，因此，在满足强度性能的前提下，B和pH值也应尽量选低限，这样做正是为了使硬化剂有较好的渗透性，以保证强度性能。用结晶氯化铝或聚合氯化铝硬化时，硬化剂加温，对提高其渗透性是很有效的。据试验硬化剂升温至30℃

～50℃

时，硬化速度可提高一倍左右特别是用聚合氯化铝硬化时，温度不能过低。有的工厂把硬化剂温度升高到35℃

～15℃，可将硬化时间缩短到0.5～1.5min，硬化后干燥时间缩短到1.5～3min。加温硬化时，硬化槽中需敷设不锈钢管道并通以蒸气，最好不把蒸气直接通入硬化剂中以免降低溶液的相对密度。上一页下一页返回4.3结晶氯化铝硬化剂和制壳工艺为了改善硬化剂对型壳的润湿与渗透能力，可加入少量非离子型表面活性剂。这些活性剂的润湿渗透能力强，且不与氯化铝起化学反应。但是由于聚合氯化铝的胶体性能和高分子聚合物的特性，加表面活性剂后，渗透硬化能力的提高不如NH4Cl溶液那么显著。氯化铝硬化剂在使用过程中的性能变化特点是Al2O3含量逐渐减少，而碱化度和pH值则有所增大。至于溶液相对密度，随着使用时间的增加，结晶氯化铝有所增加而聚合氯化铝则有所下降。溶液颜色逐渐变成灰自色，硬化效能也下降了。为了维持原有工艺性能，就需要进行调整。对于结晶氯化铝硬化剂，只需补加适量粉状结晶氯化铝即可，对于聚合氯化铝，则可加入结晶氯化铝或浓度较高、碱化度较低的聚合氯化铝。溶液pH值过高时，可加适量盐酸进行调整。上一页下一页返回4.3结晶氯化铝硬化剂和制壳工艺用氯化铝硬化时，硬化剂浓度虽有所减少，但减少得很慢，这就为生产上带来很大方便。浓度变化小，就不必像NH4Cl那样频繁地补加和化验。但由于氯化铝，特别是聚合氯化铝的黏滞性强，硬化后黏附在型壳上并被带走（特别是在悬链流水线上）的硬化剂较多些3.硬化工艺用聚合氯化铝硬化时，由于渗透硬化速度低，湿强度形成缓慢，故硬化时间应长些一般为4～7min。干燥时间为10～

20min。在硬化后的干燥过程中一方面要继续进行渗透硬化，另一方面由于氯化铝的吸湿性强，黏性大，脱水慢，所以干燥到“不黄不湿”的程度，需要较长的时间。在干燥时间内，常温强度将有大幅度增长。干燥时间过短时，型壳容易分层膨胀，特别是大件或带有大平面的、带回槽的铸件，前2～3层涂料有足够的干燥时间是十分必要的。上一页下一页返回4.3结晶氯化铝硬化剂和制壳工艺为了缩短干燥时间，室温不能过低，最好在15℃

～20℃

以上，空气相对湿度最好低于40%～

70%。若室温高于15℃，湿度高于70%时，应适当延长干燥时间。采用热风干燥既可以大大缩短干燥脱水时间和脱蜡前存放时间，如采用30℃

热风干燥，2～4h后即可脱蜡，且消除了鼓胀和开裂缺陷4.脱蜡制好的型壳需要停放7～8h以上方可脱蜡。停放时间过短时湿强度不够，容易变形和胀裂。脱蜡水中可加入盐酸、硼酸、氯化铵、结晶氯化铝等以补充硬化。用1%的盐酸水脱蜡的效果较好，不仅能补充硬化和防止模料皂化，而且有利于旧蜡再生，并可在一定程度上溶解析出的铝胶。但加盐酸需用耐酸容器，脱蜡液pH变化大，需勤于补加盐酸。上一页下一页返回4.3结晶氯化铝硬化剂和制壳工艺硼酸也具有补充硬化和去除皂化物的作用，用硼酸脱蜡的型壳表面强度较高，硼酸腐蚀性小，对人无害。但硼酸补充硬化效果不如HCl和NH4Cl，且价格较贵，故也有用3%～

5%NH4Cl+1%～3%H3BO3

或4%～

6%结晶氯化铝，1%～

3%H3BO3

混合液脱蜡，效果都较好。型壳在脱蜡前要充分硬化，否则，用什么脱蜡液也无济于事，因为型壳补充硬化作用毕竞是有限的。脱蜡液必须维持酸性。pH应在4～6范围内并要定期更换，清除槽底杂质。5.焙烧脱蜡后的型壳放置4～8h以上即可入炉焙烧。焙烧温度要比氯化铵硬化的型壳高些，最好850℃

～900℃，不宜低于850℃。温度过低时，型壳热强度低，发气量大，容易在浇注时跑火，铸件中易产生气孔，过高时铸件清砂困难。上一页下一页返回4.3结晶氯化铝硬化剂和制壳工艺焙烧保温时间宜在45min以上，使烟气排尽，浇注场地要加强通风。用结晶氯化铝或聚合氯化铝硬化的型壳，无论是脱蜡前后，均可长期存放。4.3.2型壳强度性能用氯化铝硬化的型壳，其常温强度具有时效特性，即温强度形成较慢并随着停放时间增长强度继续增大，12～22h后可达最高值。据测定，型壳常温及高温强度比用NH4Cl硬化的高1～1.5倍，高温下热变形量减少一半表4-3所示为两种型壳常温与高温抗弯强度的比较。用氯化铝硬化的型壳，浇注后的残留强度较大，溃散性差，特别是铸件上的孔、槽等处，震壳和碱煮都比较困难，应用含Al2O3

高的耐火材料后尤甚。上一页下一页返回4.3结晶氯化铝硬化剂和制壳工艺为了改善型壳的溃散性。硬化剂的Al2O3和碱化度不宜过高，选用高模数低相对密度水玻璃，耐火粉料可以生熟搭配，避免粉料中和型壳中Al2O3含量过高，往涂料中加入表面活性剂（＞

0.1%）等。上一页返回4.4氯化镁硬化剂硬化工艺用做硬化剂的氯化镁有卤块（片）和结晶氯化镁，分子中带有6个结晶水（MgCl2·6H2O），易溶于水。由于它是中强碱和强酸形成的盐，故易水解，水溶液呈弱酸性。浓度为30%的水溶液，pH为5.5～6.5，故对水玻璃硅酸溶胶有良好的促凝作用。硬化反应产物除SiO2凝胶外，尚有Mg（OH）2，对型壳有增强作用。由于氯化镁溶液黏滞性较强，表面张力较大，故渗透硬化能力不如氯化铵。硬化剂浓度以30%～

40%（每100g硬化剂中MgCl2

含量）为宜，溶液相对密度为1.27～1.30。浓度＜

25%时，要补加氯化镁，并加盐酸调整pH值。为了改善硬化剂同型壳的润湿和渗透作用，可加入0.1%农乳100或TX–10等非离子型表面活性剂。下一页返回4.4氯化镁硬化剂硬化工艺涂料黏度不宜过大，通常以20～

30s为宜。硬化时间及硬化后干燥时间较NH4Cl为硬化剂时长些一般硬化2～5min，干燥20～

30min为加速干燥，最好采用热风脱蜡可用（3%～

6%）MgCl2·6H2O水溶液或（1%～

3%）NH4Cl溶液。为防止脱蜡时型壳表面产生Mg（OH）2

胶体析出物，宜控制水玻璃模数勿过低，相对密度勿过大，涂料黏度小些，脱蜡水pH值不要过高。焙烧温度以850℃

～900℃

为宜。这种硬化剂的优点是型壳常温和高温强度较高，铸件不易变形；硬化时无有害气体逸出，不污染空气，劳动条件好；氯化镁价格便宜，来源广，生产成本较低。缺点是铸件表面质量较差，型壳残留强度高，溃散性差，铸件清砂困难，此外，硬化剂对石蜡-

硬脂酸模料的皂化作用较为严重等。上一页下一页返回4.4氯化镁硬化剂硬化工艺水玻璃不是单一的化合物，而是多种化合物形成的混合物。为使化合物中的SiO2

形成胶体起黏结作用，制壳过程中需经化学反应才能达到此目的。其制壳工艺过程比硅溶胶型壳复杂，每制一层需上涂料、撒砂、空干、硬化和晾干五个步骤，硬化是制壳工序中重要的一环。水玻璃型壳只有经过化学硬化才能形成硅凝胶，使型壳获得足够的湿强度。将型壳放在硬化剂液体中硬化，整个涂层的硬化由界面硬化和渗透硬化两个过程组成。界面硬化进行很快，但渗透硬化进行得慢。渗透硬化与硬化剂的分子状态、表面张力和黏度等性质有关，不同硬化剂差别很大。常用水玻璃硬化剂有氯化铵应、结晶氯化铝、结晶氯化镁等。各种硬化剂的硬化反应及特点见表4-4不同硬化剂的最佳硬化工艺参数也不同，见表4-5。上一页返回4.5水玻璃型壳的质量和缺陷分析型壳质量是决定铸件质量的主要因素之一。据统计，熔模铸件废品中大约有50%是由于型壳质量不良而引起的。只有正确的掌握型壳质量的影响因素和缺陷产生原因，才能采取有效的工艺措施来保证铸件质量。4.5.1型壳的表面质量熔模铸件的表面质量受到压型、熔模、制壳、焙烧、浇注和清理等多方面因素的影响，所以型壳表面光洁，铸件表面质量不一定就好。然而，铸件上许多表面缺陷，大多与型壳表面质量有关，所以获得表面平整、致密、坚实和光洁的型壳，是保证铸件表面粗糙度的重要条件。下一页返回4.5水玻璃型壳的质量和缺陷分析1.表面蚁孔模组上涂料及撒砂后，涂料的一面同熔模接触，另一面同砂粒接触。这时，涂料层能否均匀而完整地包覆在熔模表面上，取决于涂料与熔模和砂粒的润湿能力。水玻璃涂料同石蜡一硬脂酸模料的润湿角大于同砂粒的润湿角，所以撒砂后涂料就会在局部地方脱离蜡模表面。这种情形就好像砂粒将涂料“吮”了上去一样，在型壳内表面形成一些密集的或单个的小孔，这就是常说的“蚁孔”。用放大镜观察。孔洞呈不规则形状，日大内小。砂粒愈粗，涂料黏度愈小，孔洞就愈大。在铸件表面的相应位置上，就形成金属刺状缺陷，严重的还伴有黏砂现象，因而使铸件表面质量恶化。上一页下一页返回4.5水玻璃型壳的质量和缺陷分析既然“蚁孔”的出现是由熔模—

涂料—

砂粒之间润湿角的差别引起的结果，那么要消除这种缺陷，就需要从这三方面去考虑。蜡模本身属于僧水性材料，压制蜡模时，其表面总不免带有油脂（分型剂）。油也是僧水性的非极性物质，它同水玻璃的润湿能力很小。所以压制蜡模时要少擦油，擦油要均匀。压好的蜡模立即放到流动的冷水槽中冷却，以加快冷却，并由于水中的Ca++、Mg

++

离子而产生微弱的皂化反应，这些措施都有助于提高蜡模对涂料的吸附能力。在涂料方面，主要措施是加入表面活性剂，蜡模表面能很好地被涂料吸附。实践证明，这对改善型壳表面质量是很有效的。另外，涂料要有足够的黏度，黏度过小时涂料易