熔模铸造型壳强度与硬化工艺改进

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熔模铸造型壳强度与硬化工艺改进 东风汽车公司精密铸造厂 李海树 摘 要：通过对型壳强度性能的要求与不同硬化剂的分析，在粘结剂和耐火材料不变的情况下，应用氯化铵与结晶氯化铝混合硬化工艺，取得较好的经济效果。 关键词：熔模铸造 型壳 强度 硬化剂 制造型壳是熔模铸造工艺中的一个关键工序，它不仅决定着铸件的尺寸精度和表面粗糙度，而且直接影响铸件的制造成本和生产效率。多年的实践证明，由于型壳残留强度大，给铸件清砂与碱煮工序带来困难，我厂每年碱煮工序消耗蒸气 4 688.6 t(费用达 元 )，烧碱26.8 t(费用达 元 )，制壳工序消耗结晶氯化铝 t(费用达 元 )，占用了大量的生产资金。因此，对影响型壳强度性能的结晶氯化铝硬化工艺进行了改进，应用氯化铵与结晶氯化铝混合硬化工艺，并取得较好的经济效果。 1 型壳强度与硬化剂的关系分析 从制壳、浇注到清理的不同工艺阶段，型壳有三种不同的强度指标，即常温强度、高温强度和残留强度。三种强度之间有一定的关系，但形成机制和影响因素不完全相同。例如：若常温强度不足，在制壳过程中易掉件，在脱蜡过程中易变形或破裂；若高温强度 不足，在焙烧和浇注过程中会发生型壳变形和跑火 (漏钢 )；若残留强度过高，直接影响型壳的脱壳性和铸件清砂的难易程度。 如何调整型壳三种强度间的关系，使其具有高的常温强度、足够的高温强度和尽可能低的残留强度是我们所希望的。根据制壳工艺的现状，在粘结剂和耐火材料不变的情况下，对常用硬化剂的分析与改进十分必要。 化铵硬化剂的特点分析 氯化铵作为水玻璃型壳的硬化剂，其硬化反应式如下： 2 2O+2+2反应结果生成的 体将型壳中的石英粉和砂粒牢固地粘结在一起，使型壳获得强度。 氯化铵是应用最早的水玻璃型壳硬化剂，其主要优点是扩散硬化速度快，制壳周期短，型壳残留强度低，脱壳性好。同结晶氯化铝硬化剂相比，型壳高温强度差，存放期间容易生茸毛，硬化反应时析出氨气污染空气，劳动条件差，设备腐蚀比较严重。 晶氯化铝硬化剂的特点分析 结晶氯化铝作为水玻璃型壳的硬化剂，在硬化过程中，氯化铝与水玻璃是相互中和、相互促进水解的过程；在此过程中，水玻璃的 定性降低而析出硅凝胶。 同时，由于水玻璃的作用，使氯化铝的 经水解、聚合系列反应析出 H)3 凝胶，形成硅胶与铝胶共凝物，故结晶氯化铝型壳的强度较高。其反应式如下 3(2 32O+2H)3+6结晶氯化铝用于水玻璃型壳的硬化剂，其主要优点是型壳有较高的高温强度和抗热变形能力，其热震稳定性优于氯化铵型壳；经充分时效存放的型壳，其常温强度也很高；硬化时无有害气体析出，不污染空气；硬化工艺控制容易，性能稳定。其主要缺点是硬化速 度慢，硬化后需较长时间存放；型壳残留强度较高，脱壳性能差。 综合上述对氯化铵硬化剂与结晶氯化铝硬化剂的分析结果，其对型壳强度的影响各有不同。若将两种硬化剂按一定比例混合，配成混合硬化剂，就可以发挥两者的优点，克服缺点。 2 混合硬化的研制与应用 氯化铵与结晶氯化铝混合在一起作硬化剂，形成一种 合物，硬化过程中产生的氨气与氯化铝反应产生氯化铵，氨气又回溶到硬化剂中，既消除了氨味，又保持了硬化剂成分。在保证硬化剂所需 两种单一硬化剂的最高质量分数 (氯化 铵 20％和结晶氯化铝 30％ )以递减 2％和 3％的浓度级差反向搭配混合，以无氨气析出及单一硬化剂的使用经验，确定氯化铵的质量分数为 8％～ 10％，结晶氯化铝的质量分数为20％～ 24％，并制定了工艺试验方案。 合硬化剂制壳工艺 (1) 涂料配制与涂料粘度按 料配制》的规定要求执行，涂料粘度取工艺规定上限。 (2) 制壳撒砂规格和操作方法按 壳》的规定要求执行。 (3) 制壳的硬化与干燥按表 1 的规定要求执行。 表 1 硬化干 燥工艺参数 层次 制 壳 线 制 壳 手 工 制 壳 硬化温度／ ℃ 硬化时间／ 燥温度／ ℃ 干燥时间／ 化时间／ 干时间／ 面层 常温 8～ 10 20～ 25 12～ 14 9～ 10 25～ 30 加固层 常温 8～ 10 25～ 35 12～ 14 9～ 10 25～ 30 验与应用 按上述制壳工艺，选用 4 种精铸件，进行了 4 轮手工制壳工艺试验，制壳 742 组，浇注钢水 81.2 t。 第一轮 (1998 年 3 月 )：试验 4 种铸件共 162组，浇注跑火 19 组，跑火率 (1) 工艺参数： w( w( 密度为 g／ 硬化时间 9 干时间 25～ 30 (2) 分析：型壳跑火的主要原因是混合硬化剂中 量分数偏低，型壳高温强度不足。 (3) 结果：型壳残留强度低，清砂效果好，两种铸件可取消碱煮工序。有两种铸件碱煮时间缩短为 12～ 18 h。 第二轮 (1998 年 3～ 4 月 )：试验 4 种铸件共 132组，浇注无跑 火。 (1) 工艺参数： w( w( g／ 其他同第一轮工艺参数。 (2) 分析：调整了混合硬化剂， 质量分数达到了试验方案的要求，型壳高温强度高于第一轮，型壳质量稳定。 (3) 结果：型壳残留强度高于第一轮，清砂效果不明显，应调整工艺参数，降低残留强度。 第三轮 (1998 年 4 月 )：试验 3 种铸件共 219组，浇注跑火 8 组，跑火率 (1) 工艺参数： w( w( 密度为 g／ 第二层涂料改为表层 (石英质 )涂料，其他同第一轮工艺参数。 (2) 分析：为降低型壳残留强度，在其他工艺不变的情况下，将第二层 (加固层涂料 )改为石英质涂料，型壳高温强度有所下降，出现跑火现象。 (3) 结果：型壳残留强度低于第二轮，清砂效果有所提高，但有一种铸件的铸孔还需煮碱，需进一步降低残留强度。 第四轮 (1998 年 4 月 )：试验 2 种 (带孔 )铸件共 229 组，浇注跑火 10组，跑火率 (1) 工艺参数： w( w( 密度为 g／ 第二、三层涂料改为石英质涂料，其他同第一轮工艺参数。 (2) 分析：为取消部分带孔铸件的碱煮和缩短碱煮时间，前三层涂料与撒砂改为石英质耐火材料，通过石英在 573 ℃时的相变降低型壳残留强度，后三层为高铝质耐火涂料保证了型壳有足够的高温强度。对于 跑火率，调整涂料层次后 已完全解决。 (3) 结果：调整后的工艺参数，满足了型壳三种强度之间的相互关系，有的铸件取销了碱煮工序，有的铸件碱煮时间由原来的 36 h 缩短为 12 h。 综上述试验结果，手工制壳 1998 年 5 月 3 日转入批量生产，制壳线从 1998 年 8 月 8 日部分转入批量生产。转产后的型壳质量稳定 ,清砂效果良好，硬化剂的成分稳定，其含量下降缓慢，具有良好的经济效益。 3 经济分析与结论 (1) 缩短硬化 (干燥 )时间，提高生产效率 。 (2) 部分铸件 (9 种共 t)取消碱煮和部分铸件 (10 种共 t)缩短碱煮时间，降低生产成本。 (3) 减少蒸气和原材料消耗，节约生产资金 元。