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熔模铸造型壳强度与硬化工艺改进 |
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作者：东风汽车公司精密铸造厂 李海树 |
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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25.79万元)，烧碱26.8 t(费用达9.28万元)，制壳工序消耗结晶氯化铝162.14 t(费用达42.16万元)，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。
1.1 氯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：
2NH4Cl+Na2O.mSiO2.nH2O→
mSiO2.(n-1)H2O+2NaCl+2NH3↑+2H2O
反应结果生成的SiO2胶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。
1.2 结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pH值下降、稳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pH值升高，并经水解、聚合系列反应析出Al(OH)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(Na2O.mSiO2.nH2O)+2AlCl3→
3mSiO2.(n-1)H2O+2Al(OH)3+6NaCl
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NH4Cl-AlCl3络合物，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Cl-浓度一定量的条件下，将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。
2.1 混合硬化剂制壳工艺
(1) 涂料配制与涂料粘度按CICBA/B02.07-1998《涂料配制》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CICBA/B02.08-1998《制壳》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／min | 干燥温度／℃ | 干燥时间／min | 硬化时间／min | 风干时间／min | | 表面层 | 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 |
2.2 试验与应用
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11.73%。
(1) 工艺参数：w(AlCl3.6H2O)=18.9%～21.1%，w(NH4Cl)=9.65%～10.23%，密度为1.13～1.15 g／cm3，pH值为2.0。
硬化时间9 min，风干时间25～30 min。
(2) 分析：型壳跑火的主要原因是混合硬化剂中AlCl3.6H2O质量分数偏低，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(AlCl3.6H2O)=23.65%～23.80%，w(NH4Cl)=9.00%～9.24%，密度为1.17～1.18 g／cm3，pH值为2.0。
其他同第一轮工艺参数。
(2) 分析：调整了混合硬化剂，AlCl3.6H2O的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3.65%。
(1) 工艺参数：w(AlCl3.6H2O)=23.6%～23.8%，w(NH4Cl)=9.0%～9.2%，密度为1.16～1.17 g／cm3，pH值为2.0。
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4.36%。
(1) 工艺参数：w(AlCl3.6H2O)=23.7%～23.8%，w(NH4Cl)=9.05%～9.10%，密度为1.16～1.17 g／cm3，pH值为2.0。
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4.36%的跑火率，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1.72倍。
(2) 部分铸件(9种共484.87 t)取消碱煮和部分铸件(10种共417.29 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38.3万元。(end)
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(2/21/2005) |
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