我国传统的水玻璃粘结剂-熔模铸造工艺的发展前景展望2011-10-11 14:02:27 作者：佚名来源：精密铸造分会浏览次数：136熔模铸造工艺的发展前景展望浙江省铸造协会精密铸造专委会（浙江大学材料系）杭州熔模精铸研究所包彦堃一、前言我国的铸造业发展速度较快，据统计，我国在2009年的铸件总产量达3350万吨（主要指砂型铸件），铸件产量已连续10年居世界铸件产量首位，故我国是铸造大国，但还不是铸造强国，因从铸件的总产值看仍较低。
我国的熔模精密铸造业的情况亦基本相似，若将同期的水玻璃工艺生产的铸件加上硅溶胶工艺生产的铸件（不包括航空、军工铸件），大约年产量为160万吨以上，居世界首位，但产值却较低，仅约占欧、美总产值的1/3左右。
我国的铸造行业属高能耗高三废排放行业之一，与国外发达国家相比，生产每吨铸件的能源消耗较多，据有关资料报导，我国每生产一吨铸件三废排放量约是发达国家的六倍。
我国“十一五”期间的降耗指标为：单位GDP能耗降低20%，主要污染物排放减少10%。
2006年我国GDP总量只占世界GDP总量的5.5%，但当年（2006年）我国能源消耗却占全世界的15%、我国钢材消耗占30%、水泥消耗占54%，从以上数值可看到我国的资源消耗确是非常高，而且比较严重，表明我国的经济增长方式十分粗放。
表1 国内外铸造生产能耗（2008年浙江省铸造年会资料统计）从表1中可见，我国的水玻璃工艺精密铸造生产的铸钢件，若按每吨铸钢件的能源消耗计，一般测算可能要大于1100k g标煤，若采用硅溶胶工艺，由于硅溶胶涂料制壳车间及蜡模室都需恒温，硅溶胶沾浆机要24小时不停机转动，硅溶胶型壳焙烧温度也较高（要达1000～1100℃），若仍按吨铸件计算能耗，就显得不合理，若采用万元GDP的产值能耗来表示，就比较合理了，表2所示为2010年的熔模精密铸造铸钢件，按GDP万元产值计的能耗数值（浙江省统计）。
表2 精密铸造铸钢件能耗（2010年浙江省统计）万元产值综合能耗（公斤标煤/万元产值）（石腊-硬脂酸模料）水玻璃工艺钢钢件硅溶胶工艺钢钢件全硅溶胶工艺钢钢件730600～650（待补）x二、水玻璃粘结剂熔模精密铸造工艺的发展概况浙江省的熔模精密铸造企业2010年统计约有400多家（二年前约500多家），其中90%以上的精铸企业是采用aa工艺（采用硅溶胶粘结剂工艺的企业约占10%），在应用水玻璃工艺的精铸企业中，年产量达万吨以上的约有5～6家，浙江全省精密铸造的铸钢件根据2006年统计全年总产量约达70万吨以上。
以水玻璃为粘结剂的精密铸造工艺所生产的铸件，虽然其表面质量要低于硅溶胶工艺生产的产品，但由于水玻璃精铸工艺设备投资少，而且其生产周期比硅溶胶工艺要短得多，而所用原材料易得、且价格低廉，故水玻璃工艺生产成本较低，其所生产铸件的表面质量虽低于硅溶胶工艺，但仍略高于树脂砂工艺生产的铸钢件，因而广泛应用于我国的各种民用制造业的工业生产中，具有一定的国内市场。
在这些应用水玻璃粘结剂工艺的精密铸造企业，其中工艺技术、生产管理和铸件质量较好、且生产也较稳定的企业约占30%～40%，在其余这些企业中，尚存在一定数量的生产规模相对较小的厂点，其年产量一般小于1000～2000吨，这些小企业通常其生产管理水平和技术力量均较为薄弱，生产设备也较为简陋，生产工艺及操作不规范，有些企业甚至连最基本的生产现场的检测设备都没有，生产全凭经验，故产品质量很不稳定，铸件的质量档次低；此外大部分水玻璃精铸企业目前仍较多普遍采用煤炉焙烧型壳，制壳工艺仍应用氯化铵硬化剂等……因而这些小型的精铸企业，在生产中不仅铸件质量难以保证，且生产铸件的单位能源消耗大，资源材料的循环再生综合利用率低，而且生产中的三废排放量较大，尤其是煤炉焙烧时，排出的二氧化硫及二氧化碳对环境的污染较为严重，硬化剂氯化铵由于硬化反应时会有大量氨气（NH3↑）逸出对生产环境也造成了污染，铸件清砂及打磨时的灰尘（与噪声）对生产环境的污染也较大，急需进行整顿改造，淘汰落后产能设备，或进行兼并重组，以使企业的生产具有一定规模，并具有一定的资金实力和条件，使企业有能力进行产业结构调整和优化升级，并强化生态环境保护，减少三废污染。
三、提高熔模铸造水玻璃型壳及铸件质量的措施我国现已进入“十二五”规划新的发展阶段，我国的熔模铸造业中以水玻璃为粘结剂的精铸工艺，也应跟上时代前进的步伐，对现有的工艺技术进行整顿、提高，并应努力学习、提高自身的技术素质，力求使其所生产的铸件质量，在现有的基础上能上一个档次，首先是把铸件的表面质量搞上去，并努力使水玻璃型壳的表面质量（主要指表面粗糙度）达到或接近硅溶胶型壳的水平，以适应当前工业发展的形势需要。
对如何提高水玻璃型壳和铸件的表面质量，及表面质量的影响因素，国内已进行了很多研究和试验，综述如下：影响型壳及铸件质量的因素：（一）模具、模料及制模工艺的影响1．模具（压型）的影响要获得质量好、表面光洁的型壳和铸件，首先必须要有表面光滑、质量好的蜡模，而蜡模是在模具（压型）中形成，故压型的表面质量将直接影响蜡模的质量，若所用压型的表面粗糙度偏大、偏粗，致使蜡模的表面不光洁（光滑），蜡模表面粗糙，质量差，这也是当前采用低温模料（如石腊—硬脂酸模料）车间，所生产的蜡模质量差的主要原因之一，故具有光滑表面、质量好的压型型腔是获得高质量表面的蜡模及铸件的一个重要条件，通常要求压型的型腔表面应进行抛光加工，以获得具有较小较细的表面粗糙度的压型，压型型腔的表面粗糙度要求达到：（相当）2．模料及糊膏状模料的影响常用的石蜡——硬脂酸模料，通常要先制备成48～50℃糊膏状模料，制备时一般在蜡桶中先加入约80℃的液体模料，然后再加入一定量的刨蜡片或蜡屑，在较高转速的搅拌机中进行搅拌混合，逐渐制成细腻均匀、无颗粒存在的糊膏状模料，模料的温度为48～50℃（宜偏高些，接近50℃），即可加入压蜡机的内桶中保温待用；但在制备糊膏状模料时，若采用了大块状的蜡块代替刨蜡片，则在搅拌混合制成的糊膏状模料中，常会存在小颗粒蜡，影响了糊膏状模料细腻均匀的性能，降低了模料的质量，导致制成的蜡模表面粗糙度增大，故不宜采用蜡块制备模料。
压腊机的适宜压射压力为0.2～0.6Mpa（相当于2～6kg压力）。
这里要特别提出制浇口棒时也应采用压蜡机，不宜用温度较低的蜡料自由浇注生产浇口棒，生产实践表明：约有5%～1 0%的铸件夹砂缺陷是质量低劣的浇口棒造成的，见图2。
图2 浇口棒因此类自由浇注浇口棒表面凹凸不平，存在很多小孔隙，在浸涂料时，涂料浆很易进入这些小孔隙中，在型壳脱膜后，型腔表面会留下很多小涂料刺，焙烧后这些小刺强度很低，钢水浇注时大多会被冲断，而造成铸件夹砂缺陷。
所以浇口棒的表面也应平整光洁，不应有小孔隙存在。
（二）水玻璃粘结剂的密度（d）和模数（M）对型壳表面质量的影响（1）密度的影响表面层涂料的粉液比高（即涂料中粉料含量大），则型壳的表面质量好，型壳表层致密、平整光滑，并可提高铸件的表面质量；为了实现表面层涂料能多加粉料、而涂料的粘度并不增大、仍保持在适宜的应用范围内，通常以适当降低水玻璃的密度（d）即在水玻璃中加入适量的清水、以达到多加粉料的目的，表面层的水玻璃密度的降低，一般以控制密度（d）至1.27～1.30（g/cm3）的常用范围内，（水玻璃出厂时密度（d）一般≈1.36～1.38（g/cm3），水玻璃的模数（M）适用范围＝3～3.4）。
通常按模数M＝3.2，密度d＝1.37的水玻璃常用标准来计算其加水量，加水量计算式：式中：W——加水量（Kg）；G——原水玻璃重量（Kg）；d——原水玻璃密度（g/cm3）；d'——稀释后水玻璃的密度（g/cm3）。
表3 （原水玻璃密度d＝1.37）水玻璃密度调整时的加水量（克）水玻璃密度/g/cm3 1.27 1.28 1.29 1.30每公斤原水玻璃加水量/g270235201170（2）模数M的影响熔模铸造常用水玻璃的模数M的适用范围为：M＝3～3.4，模数高于3.5的称高模数水玻璃，水玻璃粘结剂的模数过高，在硬化反应时的凝胶析出速度和凝胶收缩均很强，会引起型壳表面层变形而影响型壳表面质量；而且高模数水玻璃涂料表面很易结皮，在撒砂时影响砂粒的粘附；故熔模精密铸造工艺不宜采用高模数水玻璃。
（三）耐火粉料的影响和选择精制石英粉（硅粉）是广泛应用于表面层水玻璃涂料的主要耐火粉料，主要用于碳钢及低合金钢件和有色金属的生产。
精制白石英粉（SiO2），其耐火度理论上可高达1700℃，精白石英粉的粒度、粒径分布（颗粒级配）和粒形，都对涂料性能有较大影响，故也影响型壳和铸件的表面质量。
常用的面层粉料（用于碳钢件）为：270～320目（粒径约50m）的9#精白石英粉（含有杂质的浅黄色石英粉不宜采用），用于配制面层涂料时，影响涂料粉液比的主要因素为：（1）粉料的粒径分布（颗粒级配），（2）粉料的粒形。
（1）粉料粒径分布的影响研究表明：粉料的粒径呈双峰分布（双峰颗粒级配）的粉料（即细粉与中粗粉合理配合），所配涂料的粉液比高，粉液比可达1.4:1以上（与密度1.28的水玻璃配涂料），涂料粘度h保持在40秒左右。
图3 双峰级配粉料示意图涂料的粉液比高（涂料的流杯粘度仍保持在约40秒），型腔表面致密、光滑，生产的铸件表面质量好。
故生产中要求粉料配成的涂料粉液比应较高，粉液比应≥1.2～1.4，有利于提高型壳及铸件的表面质量（即要求粉料中的粉粒要粗细配合适当）。
（2）粉料粒形的影响精制白石英粉，由于其生产加工方法不同，使粉料的颗粒形状也存在较大差别，一般可分为呈尖角多角形粉料和呈圆角形粉料，见图5所示。
经试验研究表明：粉料的粒形呈尖角、多角形时，所配涂料的粘度大，呈圆角形或类球形的粉料所配涂料的粘度低，粉料的粒形与其轧碎加工方法直接有关，据调查，通常采用轮碾轧碎或机械轧碎法生产的粉料，其颗粒形状大多呈尖角、多角形，采用球磨法生产的粉料，其颗粒形状大多呈圆角形或球形。
表4为粒径分布不同的粉料，其所配涂料的性能比较，表5所示为粒形不同的二种粉料，其所配涂料的性能比较。
表4 石英粉的粒度分布（颗粒级配）不同对涂料性能影响性能粉液比流杯粘度涂片重粉料粒径表5 粉料的粒形对涂料性能的影响（粉液比1:1）可用于碳钢及低合金钢铸件表面层耐火粉料，除精白石英粉外，还有铝矾土、莫来石粉（熟料）。
用于不锈钢及其他高合金钢面层涂料的有电熔白刚玉（Al2O3）、锆英粉等。
（四）制壳工艺及硬化剂的影响面层涂料撒砂后，在进行化学硬化前，先在空气中自然干燥1～4小时（或12小时），对改善型壳的表面质量较有利，涂料层在干燥过程中，随着水份的逐渐蒸发中，粘结剂中的SiO2胶粒和粉料亦缓慢聚集靠近，粘结剂亦逐渐由溶胶状转变为半冻胶状，与粉粒颗粒形成较紧密聚集体；在自干结束后，当浸入硬化池进入化学硬化时，此时粘结剂的胶凝收缩就相对较小，并由胶凝收缩所引起的表面变形也就相对较轻，因而使表面质量得到改善和提高，同时也减少了表面缺陷。