教学材料《熔模铸造》-第六章

第6章硅溶胶型壳6.1硅溶胶黏结剂6.2硅溶胶涂料6.3硅溶胶型壳制壳工艺6.4快干硅溶胶制壳工艺上一页返回6.1硅溶胶黏结剂硅溶胶黏结剂硅溶胶是用水玻璃经离子交换处理，除去Na+

和其他杂质后浓缩而成，是一种硅酸水溶液，也称硅酸溶胶。其价格比硅酸乙酯低1/3～1/2，所获得的铸件质量比水玻璃黏结剂有很大提高。硅溶胶稳定性好，可长期存放，制壳时不需要专门硬化剂，型壳高温强度比硅酸乙酯型壳好，但硅溶胶对熔模的润湿性差，硬化时间较长。配制涂料时，硅溶胶中SiO2

含量越高，所制型壳的强度也越高，硅溶胶可不经任何处理直接配制涂料。目前大多数工厂均直接使用为30%的硅溶胶配涂料。这样工艺简单，操作方便，所制型壳强度较高，型壳层数较少，制壳周期相对要缩短。下一页返回6.1硅溶胶黏结剂在生产很小的黑色金属铸件时，出于经济上的考虑可将硅溶胶适当的稀释，如稀释至0.28%左右。而铝合金浇注温度低、密度小，对型壳高温强度要求相对较低，但为了便于清理、不损坏铸件，型壳残留强度必须低。因而铝合金用型壳面层与背层分别使用为25%和20%的硅溶胶。不论出于经济或技术上的要求稀释硅溶胶时。稀释后硅溶胶中SiO2质量分数一般不应低于20%，否则将因型壳的表面强度不高而造成铸件表面质量恶化。稀释时应用水作为稀释剂。由于自来水中常含有一定量的Cl-

和SO42-

离子以及水溶性的盐类，它们会改变硅溶胶的pH值，降低其稳定性，缩短涂料的可使用时间，所以稀释时应使用蒸馏水。上一页下一页返回6.1硅溶胶黏结剂硅溶胶需用酒精或水进行稀释，使SiO2

的质量分数在20%～24%黏度≤8×10–6m/s。酒精既能降低硅溶胶的表面张力，改善涂料对熔模的润湿性，又易挥发，可加快型壳的干燥速度，故大多数工厂都用酒精作稀释剂但酒精的加入量（质量分数）如超过25%～

30%，硅溶胶的稳定性会急剧下降，故应控制酒精加入量。稀释硅溶胶时水的用量可用式（3-1）计算。处理时，水以细流加入不断搅拌的硅溶胶中。配涂料时，加入少量的表面活性剂如聚异丙二醇醚，以改善涂料的润湿性。有的资料介绍用乙醇作稀释剂来稀释硅溶胶。认为乙醇可降低硅溶胶的表面张力，改善涂料对模组的润湿性，加速胶体脱水和型壳干燥的过程。但乙醇会降低硅溶胶的稳定性，并增加黏度。因此，用乙醇来稀释硅溶胶在技术上和经济上都不可取，是不合理的国内部分硅溶胶性能见表6-1。上一页返回6.2硅溶胶涂料6.2.1涂料的种类、组成及作用硅溶胶涂料有三种：面层涂料、过渡层涂料和背层涂料。面层涂料将直接与金属液接触，应不与金属液及其氧化物发生反应，并形成平整、致密、实而光滑的型壳表面，以保证铸件表面光滑、轮廓清晰、无表面缺陷。背层涂料不接触金属液，它应保证型壳具有良好的强度和抗变形能力等良好的综合力学性能。过渡层涂料则是为了更好地将面层和背层涂料结合起来。涂料的种类不同，其组成及原材料也不同。面层涂料一般由黏结剂、耐火材料、润湿剂和消泡剂组成。有特殊要求时还需加入晶粒细化剂等。因面层涂料是涂挂在蜡模组上的，为使水基硅溶胶涂料能很好涂敷，必须加入润湿剂以改善涂料涂挂性。但润湿剂常常具有发泡性，使涂料含气泡，所以又必须加入消泡剂消除气泡。下一页返回6.2硅溶胶涂料另外，在生产高性能铸件如涡轮叶片时，为细化铸件表面晶粒，提高力学性能，常常在面层涂料中加入晶粒细化剂。有时为了其他目的如了解型壳干燥情况，加入干燥指不剂。面层涂层要经受金属液的冲击，有可能与金属液及其氧化物发生反应，所以原材料的选用也较严格。为保证涂层表面强度，常采用胶体粒径较小的（8～

9nm）面层专用硅溶胶。为防止与金属液及其氧化物发生反应，耐火材料的化学稳定性要好，要用较纯的材料。耐火材料种类随铸件合金种类而定。高合金钢选刚玉作为面层耐火材料一般钢选锆砂或熔融石英作面层耐火材料。背层涂料一般由黏结剂和耐火材料组成。有时还根据一些特殊要求加入一些附加物。如干燥指T剂、缓凝剂等。背层用二氧化硅粒径13～

12nm的硅溶胶作黏结剂，用高岭石熟料作耐火材料。上一页下一页返回6.2硅溶胶涂料过渡层也由黏结剂和耐火材料组成。生产高质量铸件时，过渡层与面层用同种耐火材料。铸件质量要求不高时，从经济上考虑，过渡层与背层使用同种耐火材料。硅溶胶涂料组成及作用见表6-2。6.2.2涂料配方正确选择涂料中各原材料的加入比例，是保证涂料质量的关键。表6-3和表6-4分别是国内外熔模铸造用硅溶胶涂料配方举例。涂料中最基本的两个组成是耐火材料和黏结剂，两者之间加入的比例，即为涂料的粉液比。涂料粉液比对涂料性能、型壳性能均有很大的影响，从而也影响了铸件质量。涂料粉液比过低，即涂料中耐火粉料少黏结剂多黏结剂中除可起黏结作用的硅胶外还含有大量水。上一页下一页返回6.2硅溶胶涂料在制壳干燥、熔烧过程中水将去除，从而造成涂层有很大的收缩，但蜡模又不让涂层自由收缩，从而粉液比低的涂层产生裂纹的倾向就大。同时涂层中的空隙也就多。对面层涂层而言，低粉液比将使涂层不致密、空隙多，从而使铸件表面粗糙。而且粉液比低还会造成型壳强度低但粉液比过高，涂料过稠，其流动性差，操作性能变坏，很难获得一个均匀而厚度合适的涂层，也会使型壳性能变坏6.2.3涂料配制涂料的配制也是保证涂料质量的重要一环。配制时应让各组分均匀分散，相互充分混合和润湿。即耐火粉料不成团，与黏结剂充分混合、分散和润湿，以保证涂料性能优良。涂料配制用设备、加料次序和搅拌时间等均会影响涂料的质量。上一页下一页返回6.2硅溶胶涂料硅溶胶涂料常采用低速连续式沾浆机搅拌配制涂料，并可供制壳上涂料用，L形叶片固定不动，靠浆桶慢速转动（22～

50r/min）以达到搅拌涂料的目的。由于设备转速慢，配涂料时气体不易被卷入涂料中，同时L形叶片离桶底距离很近，使涂料基本无沉淀。由于浆桶转速较低，使涂料均匀所需的时间较长。另外，硅溶胶黏度低，所配制的涂料很容易沉淀，必须24h不停机、不间断地搅拌。涂料配比一般先加硅溶胶，再加润湿剂混匀，在搅拌中缓慢加入耐火粉料，注意防止粉料结块，最后加入消泡剂。为保证涂料质量，面层涂料全部为新料配制时，搅拌时间应大于24h才能使用，如部分为新配的料，搅拌时间可缩短为12h。上一页下一页返回6.2硅溶胶涂料过渡层及背层涂料，搅拌时间可少于面层涂料，全部配新涂料时，搅拌时间应大于10h，部分为新配时，搅拌时间可缩短到5h。配好的涂料如不使用，应加盖密封防止水分蒸发。大量生产的厂家最好不在制壳操作桶中配涂料，而设置专门的涂料配制设备，24h不断的搅拌，这样涂料质量会更佳。6.2.4涂料性能控制硅溶胶涂料的流型基本上属于胀塑性流体，其屈服值极小。所以，当涂料粉液比、密度和黏度均高于水玻璃涂料时，才能在熔模上保持足够厚度的涂料层。正是因为这样，在生产中不测定涂料涂片重（厚度），通常是通过测定涂料密度和黏度来控制涂料性能的。上一页下一页返回6.2硅溶胶涂料涂料密度和黏度两性能中，因涂料黏度对粉液比的微小变化较为敏感，同时黏度还可以反映出涂料的流动性故用黏度为主来控制硅溶胶涂料的性能是更为实用和可靠。上一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺6.3.1模组清洗为保证硅溶胶能很好地涂挂在模组上，除面层涂料中加入润湿剂外，还需对模组进行清洗多采用三氯乙烯、酒精、丁酮等有机溶剂清洗模组，清洗间环境差，此外，也容易造成蜡模表面文字、细纹不清晰。现国内外已研制出乳化水清洗剂，如HWC–011、ZF–301，可解决上述问题。它们均为乳白色液体，pH在6～8，使用时与自来水以1∶1比例配成清洗液使用。模组在其中搅动8s以上就可清洗干净。晾干模组后可直接上涂料。清洗剂可清洗模组1000串以上，生产中已广泛采用。下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺6.3.2制壳原理及工序1.原理制壳过程是一个复杂的物理化学变化的过程，即硅酸胶体胶凝的过程，黏结剂把耐火粉、砂黏结成所需形状的型壳。由于硅溶胶中的SiO2

已全部以溶胶状态存在，所以其制壳过程只需让溶胶胶凝就可完成。硅溶胶型壳采用干燥硬化而使硅溶胶胶凝，即让型壳干燥，水分蒸发，使硅溶胶浓度增加，达到胶凝临界浓度时，硅溶胶则胶凝。水分蒸发不会污染环境，而制壳工艺过程又很简单。每制一层壳仅三个工序：上涂料、撒砂、干燥，如此重复多次可得到所需厚度的多层型壳。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺2.制壳工序（1）上涂料涂料的浸涂是制壳的关键工序之一要各处都涂上涂料，并均匀。浸涂面层涂料时，要根据熔模的结构特点在涂料桶中转动或上下移动，防止熔模上的凹角、沟槽和小孔集存气泡。可用0.3～0.35MPa的压缩空气由细口吹气喷管轻轻吹以上部位，或用毛笔涂刷局部表面，以去除这些部位小气泡和多余涂料，务必使模组各部位涂料均匀，避免缺涂、局部堆积和裹气泡，涂加固层涂料时也要使模组在涂料中多次上下移动和转动，使涂料能渗入上一层涂料撒砂的空隙中，并能润湿良好，以排除砂粒间隙中的空气。只有这样才能使各层形成均匀连续而又紧密镶嵌的整体，防止形成孔洞、裂隙和分层这是保证型壳结构强度的重要措施。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺（2）撒砂撒砂是为了增强型壳和固定涂料，防止涂层干燥时由于胶凝收缩而产生穿透性裂纹。撒砂种类应与该层涂料用耐火粉料一致，有相同的热膨胀系数，以加强撒砂与涂层结合力。做一般钢件，如不锈钢、碳钢件，面层用锆砂，背层用高岭石熟料。不论用哪种砂子，都要严格控制其中的含水量一般质量分数均应小于0.3%。因为砂子湿度大极易产生浮砂堆积而导致型壳分层。砂子粒度也要合理选择，通常从面层到背层粒度逐渐加粗。面层撒砂不能过粗，否则会穿透涂层造成铸件表面凹凸不平，但撤砂过细又不利于形成较粗糙的背层，不利于同下层牢固结合，容易造成型壳分层。如用锆砂时面层撒砂应为100/120目。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺撤砂逐渐变粗，过渡层撒30/60目、背层撒16/30目的高岭石熟料。每种撒砂的粒度分布都不官’过于集中，这样才能使砂粒相互镶嵌，提高型壳的致密度。并要严格限制砂中的粉尘含量，其质量分数应小于0.3%。因为粉尘覆盖在涂料上就不易挂上砂粒。另外的一个主要因素是，撒砂粒度的选择应同涂料的黏度相适应，只有当涂料黏度和撒砂粒度配合得较好时，才能获得性能优良的型壳。撒砂方法有两种：雨淋法和沸腾法。雨淋法也称淋砂法，淋砂撒砂的优点是撒砂动量小，均匀，不易击穿涂层，涂料豆也易清除，最适官’用于型壳面层撒砂中。缺点是撒砂时要手工翻转模组，劳动量较大，生产效率不高。沸腾法又称浮砂法，也是应用较广泛的一种撒砂方法。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺此法撒砂速度快，生产效率高，且设备简单。但高速气流易使砂粒击穿涂料层而影响表面质量，同时高速气流使溶剂蒸发快，涂料易结皮；砂粒摩擦使温度上升，造成涂料黏不上砂，特别是熔模棱角部分涂料易被风吹薄，结皮，挂不上砂。另外，砂粒摩擦易使粉尘量增加，劳动条件较差砂筒中涂料豆及被打落的熔模还容易打落其他熔模该法适用于背层撒砂。（3）干燥型壳干燥是制壳工艺的又一关键工序。随着型壳的干燥，硅溶胶含量提高，胶体颗粒碰撞几率增加，溶胶便胶凝而形成凝胶，牢固地将耐火材料颗粒黏结起来；同时耐火材料颗粒彼此接近，这就使得型壳获得了强度。硅溶胶的干燥过程实质上是水分蒸发的过程。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺在制壳过程中约失去质量分数为20%的水，干燥时约失去质量分数为64%的水，其余质量分数为16%的水则以物理水或化合水形态存在于硅溶胶中。要到2%以上才能大部分去除，少量化合水需加热到7%以上才会全部去除。干燥不良的型壳质量不好，型壳的强度与干燥程度密切相关，随着水的蒸发，型壳将发生收缩，如各部分干燥不均匀或面层干燥过快，导致胶凝收缩造成的应力均会使型壳开裂。6.3.3具体工艺1.一般工艺表6-5是国内一般工厂生产不锈钢、碳钢件用硅溶胶型壳制壳工艺参数。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺如前所述，采用三种涂料：面层、过渡层、背层。撒砂从细到粗分三种：100/120目锆砂，30/60目、16/30目高岭石熟料砂。各层撒砂种类同各层涂料中耐火材料种类。型壳的层数是由所生产铸件大小确定的。一般小件可制四层半型壳，铸件越大、壁越厚，型壳层数相应要增加。半层是只上涂料不撒砂，也称封浆层，它可保护撒砂不散落，并增加整个型壳强度。在型壳层数选择上，现国内、外有明显不同。国外一般选8层或更多层。这可能是目前国内生产的产品档次较低。精度要求不高。为节省成本采用的型壳层数偏少。将来在生产高精度产品时仍需将型壳层数增多，使型壳有更好的高温强度及抗变形能力。表中的预湿剂是用为25%的硅溶胶溶液。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺采用预湿剂的目的是防止分层，通过预湿剂将上、下两层牢固的粘连在一起；预湿剂同时也提高了整体型壳的强度。预湿剂可浸一层、二层或三层以上，可根据产品对型壳要求而定。浸预湿剂时间不超过2s，取出后滴转约5s，即可上下层涂料。为使型壳干燥良好，要严格控制室温、环境湿度和风力。制面层时，内部为熔模，面层涂层很薄，干燥容易。经常出现的问题是干燥过快，由于熔模阻碍急剧的胶凝收缩，往往使面层涂层开裂，造成铸件表面质量不佳。因此，面层制壳时环境湿度应高些（60%～70%），不能用风吹。背层的情况则不同，上层型壳干燥后涂下层涂料时，下层涂料中的水会渗透到上层中去，对硅溶胶型壳而言，涂料中的水能向上渗透四层左右。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺因而背层所需干燥时间长，它不但要干燥本身这层，还要干燥被渗透而湿的那些层。所以第二层干燥时间比第一层长，第三层干燥时间比第二层更长，即一层比一层干燥更难。故背层的主要矛盾是干燥时间过长。为提高生产率，背层环境湿度应低，在40%～

60%，并需经6～8m/s的吹风以加速干燥。2.吹气处理工艺为使型壳更致密，可采用吹气处理工艺制壳。即在型壳每层撒砂后，用压缩空气吹去黏得不牢的多余撒砂（又称浮砂或游砂）。吹气处理特别有利于去除小孔、沟槽、文字及内角部位堆积的厚砂层，如在雨淋撒砂条件下正常制壳时撒砂后内角半径可达6.0mm，吹气后使内角半径降为生，5mm这样就防止内角处型壳不致密，浇注时出现此处黏入金属液等缺陷。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺吹气处理的型壳厚度比正常制壳时薄，但型壳致密，从而型壳强度明显高于正常型壳，而且，用正常制壳只能生产0.5mm的小孔件，吹气处理使铸件最小铸出孔可达0.3mm。6.3.4影响型壳干燥的因素硅溶胶型壳干燥是制壳过程中最重要的一环。只有型壳干燥、硅溶胶完全胶凝，型壳才能具有良好的性能。为保证型壳质量必须对硅溶胶的干燥进行控制。试验及生产实践表明，影响型壳干燥的因素很多，其中以环境湿度、风速和环境温度三种因素作用最大。1.温度对干燥过程的影响提高环境温度可加快水分的蒸发，缩短干燥时间，但环境温度会影响模组模料的热膨胀和热稳定性，从而影响铸件尺寸精度。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺因此生产中不能用提高环境温度来缩短型壳干燥时间。而应将温度控制在一个范围内，如23℃±1℃

或24℃±2℃。对精度要求高的铸件，其面层型壳的温控范围应狭窄些。2.风速对干燥过程的影响型壳的干燥首先是表面的水分蒸发，然后内部的水分不断向表面迁移。水分蒸发过程中会吸收热量（来自制壳间的热空气）。由于分子间的相互作用力，即使是在有气体流过型壳表面的情况下，型壳的蒸发界面上仍然存在着相对停滞的空气层。热量必须通过空气层才能传导到型壳表面，使表面的水分进一步蒸发。而水蒸气也要透过空气向外扩散，方向与热流方向相反，而热量和水蒸气的传输速度均与空气层的厚度有关。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺在制壳间中，加快型壳表面的空气流动，使蒸发界面上的空气层变薄，加强热量的传递和水蒸发向外的扩散，从而增加型壳的干燥速度、减少干燥时间，风速对干燥的影响是很明显的。在5m/s的风速下，硅溶胶中水的蒸发速度是无风状态下的7.5倍，即使在75%的高湿度情况时，风速为5m/s时，与无风状态的硅溶胶蒸发速度也相差6.7倍之多。除风速影响外，风的方向也有影响。与平行于干燥界面的风相比，垂直于界面的风更容易在界面形成紊乱的气流，提高传热和传质的效率，从而提高干燥速度。制壳采用悬挂链设备，型壳在封闭的干燥通道中干燥，其温度、湿度和风速均能精确加以控制，干燥通道为旋转风，风速达6～

8m/s之大。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺3.湿度对干燥过程的影响湿度是影响型壳干燥的又一重要因素。在温度基本恒定的情况下，湿度大的车间，环境的水蒸气压强大，从而大大降低了型壳水分蒸发速度随着相对湿度增加，型壳干燥时间加长，当相对湿度大于80%时，型壳干燥时间将大大加长。因而，硅溶胶制壳车间必须有除湿机，严格控制车间的湿度。随着环境湿度的降低，硅溶胶的水分蒸发速度加快。但要获得较高的蒸发速度，必须加大制壳间的风力。6.3.5型壳干燥的控制和测试硅溶胶型壳强度和表面质量不好，大多是因型壳干燥环节没控制好造成的。因此，有效控制硅溶胶型壳的干燥过程极为重要。应采用仪器对干燥间各处的温度、湿度、风速进行测定、控制和调整，以稳定干燥间的工艺参数。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺由于所生产的铸件结构各不相同，如无经验不能判断型壳是否干燥，就需对干燥程度进行测定型壳干燥程度的测定方法有以下几种。1.重量法重量法因型壳外部砂粒容易脱落而不准确2.显色法显色法是在涂料中加入显色剂。型壳干燥前后的颜色有明显区别，很容易根据颜色来判断型壳是否干燥，是否可进行下道工序在国外生产中已有应用3.

射线衰减法等

射线衰减法设备昂贵。上一页下一页返回6.3硅溶胶型壳制壳工艺4.电阻法电阻法的原理是利用型壳中水的高导电性，型壳的电阻和其含水量有关，同时，还和硅溶胶胶凝转变状态有一定关系，在硅溶胶为溶胶和胶凝初期的软冻胶时，型壳电阻值基本不变。当失水率达70%以上时，硅溶胶已转变为弹性冻胶或凝胶时，电阻值就急剧增大。因而，可以认为型壳电阻急剧增大到超过某一临界值时，型壳已干燥。现在生产中有所应用的为显色法和电阻法。上一页返回6.4快干硅溶胶制壳工艺硅溶胶是一种绿色黏结剂，制壳工艺简单，型壳高温性能好但制壳周期长，如何缩短制壳周期，提高生产效率是生产中急需解决的问题。目前在生产中使用的快速制壳工艺有两种下面作一简介。6.4.1新型快干硅溶胶概况水基硅溶胶是一种绿色环保的黏结剂，在越来越重视环保的今天，应大力加以推广。但普通硅溶胶型壳湿强度低，制壳周期长已成为其推广使用中的主要问题。开发增强快干硅溶胶一直是各国研究的课题。20世纪90年代研制成功的快干硅溶胶，制型壳时每制一层其干燥