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1、水玻璃型壳熔模铸造制壳工艺的环保化改进张玉林（一汽铸造有限公司，吉林长春 130062）摘要：精密铸造工艺中熔模铸造工艺是以制造质量小、精度高、结构复杂铸件见长的一种工艺。本文介 绍了用水玻璃作为粘结剂的精密铸造，在制壳硬化时由氯化铵溶液向氯化铝溶液改进的实验过程及总结， 氯 化 铵 溶 液挥 发 出 氨 气 ， 具 有 刺 激 性 气 味 ， 与 提 倡 的 绿 色 环 保 相 违 背 ， 因 此 改 用 氯 化 铝 硬 化 ， 没 有 刺 激 性 气 味 ， 不 污 染 环 境 ，在 试 验 过 程 中 ， 主 要 遇 到 了 硬 化 不 充 分 、 表 面 质 量 不 良 等 问 题 。
2、 通 过 各 项 工 艺 试 验 和 改进，最终实现了背层完全用氯化铝代替的目的，减轻工作环境污染，降低成本。 关键词：精铸件；氯化铵；水玻璃型壳；氯化铝；节能环保1 前言熔模铸造又称精密铸造，其产品精密、复杂，接近于零件最后形状，可不加工或很少加工就直 接使用，熔模铸造是一种近净形成形的生产工艺。传统的熔模铸造以水玻璃为粘结剂制作型壳，故 称为水玻璃型壳熔模铸造，独特的优点是成本较低，生产的合金种类不受限制，在小型铸钢件、球 铁件、合金钢件生产领域中得到广泛应用。笔 者 厂 自 上 世 纪 八 十 年 代 建 厂 以 来 ， 从 苏 联 引 进 了 该 生 产 工 艺 ， 采 用 悬 链 自
3、 动 制 壳 线 进 行 生 产 ， 后于 2004 年开发了手工制壳生产工艺，可以生产 0.0530kg 的中小型熔模铸件，产品主要供应一 汽 解 放 公 司 ， 包 括 各 种 铸 钢 类 支 架 、 球 铁 类 调 整 环 等 产 品 ， 如 图 1 所 示 。 铸 件 表 面 粗 糙 度 达 Ra6.3 3.2，尺寸精度 CT5-CT6 级，具备年产 2000 吨的生产能力。图 1 铸件产品特铸厂熔模工艺在多年的不断改进中解决了诸多的质量和成本问题，但在环保要求不断提高的 形势下，现今有个突出问题一直困扰车间技术和管理人员：制壳区域的氨气浓度过高，虽然氨气无 毒，但刺激呼吸道等表皮神经
4、，一进入制壳区域，刺鼻刺眼的氨气让很多人难以承受；为此我们做 了大量经验整理和实验研究工作，着重在发生源上采取针对性措施，取得了很大成效。本文主要介 绍制壳工艺改进，解决了制壳氨气污染问题，同时通过这种制壳硬化工艺的改进，大幅地降低了型 壳破损率，降低了成本。2 工艺介绍2.1 主要工艺流程（见图 2）2.2 制壳过程介绍制壳工艺流程，如图 3 所示。图 2 工艺流程图 3 制壳工艺流程撒砂种类及粒度：1 层：石英砂 40/70 目。2 层：石英砂 20/40 目。3-5 层：石英砂 10/20 目和高铝砂 8/16 目以 1:1 混合使用。 制壳具体工艺如表 1 所示。表 1 制壳具体工艺1
5、 遍 2 遍 3、4、5、6 遍硬化水温/ 涂料粘度/s 硬化前风干时间 /min 30253529322025353842无硬化时间/min 15 20硬化后风干时间/min 35 20403 氨气污染的成因和改进方法3.1 氨气浓度大的原因熔模铸造中型壳的强度是产品质量基础，型壳分为表面层、过渡层和加固层，表面层决定铸件 的表面质量，加固层决定铸件的形状尺寸，过渡层是表面层和加固层的连接。从上面的制壳工艺介 绍可以看出，采用氯化铵做硬化剂型壳取得强度依靠以下公式：Na2O.mSiO2.nH2O+2NH4Cl=mSiO2. （n-1 ）H 2O+2NaCl+2NH3 +2H2O产生的 SiO
6、2 胶体，先从溶胶状态逐步试水过渡为冻胶，最后转变成凝胶，是决定型壳湿强度和高温强度的主要物质，但同时也产生了刺激性 NH3 气体。这就是氨气产生的化学过程，不只是在硬 化过程中产生氨气，在制壳过程内风干以及制壳完毕的停放风干这段时间里，因型壳内还有大量水 分，这个化学反应依然在进行，直至型壳彻底干燥后反应才可终结，所以氨气也不断产生。基于以 上氨气发生机理，对制壳厂房氨气污染作如下分析：（ 1） 熔 模 铸 造 的 制 壳 工 艺 对 环 境 的 特 殊 要 求 ， 使 得 氨 气 无 法 顺 利 排 放 。 熔 模 铸 造 制 壳 工 序 对 温 度和湿度要求严格，最佳工艺温度是 251，
7、相对湿度 50%10%，通常采用恒温恒湿机控制，但 成本相对较高。所以一般规模化生产将温度区间放大至 1632，湿度不做特殊控制，这就要求厂 房相对封闭，特别是冬天为保温必须紧闭门窗。室内的空气循环缓慢，氨气流出通道被切断，其无 法顺利排除厂房外。（ 2） 氯 化 铵 做 熔 模 铸 造 硬 化 剂 优 点 突 出 ， 应 用 最 广 泛 。 水 玻 璃 型 壳 熔 模 铸 造 工 艺 在 硬 化 剂 的 选 择上，基本上为弱酸性的氯化盐水溶液，主要有三种：氯化铵、结晶氯化铝、结晶氯化镁。氯化铵 作为硬化剂材料和其他两种材料比较：从经济性上看：氯化铵货源充足、价格最低，不易潮解、运输储存方便。
8、 从工艺性上看：氯化铵溶液不粘稠，渗透硬化效果最好，硬化和风干速度最快，一般三分钟内即可完成基本硬化过程，所以等待时间少。而且硬化效果对硬化水温、硬化时间最不敏感，工艺参 数范围较宽且容易控制。从产品质量控制上看，型壳强度适中，缺陷最少。而且参数检测指标少，只需每周检测氯化铵 含量两次、每月检测氯化钠含量一次即可。以上氯化铵硬化剂的突出优点，在表面层制壳中基本无可替代，使其在上世纪应用最广泛，技 术和操作人员已经对这种材料形成了依赖的思维习惯。图 4、图 5 为氯化铵硬化的特性曲线。 1. 浓度（质量分数) 为 30% 图 5 氯化铵硬化剂中 NaCl2. 浓度（质量分数）为 25% 含量对硬
9、化层厚度的影响图 4 氯化铵浓度与硬化层厚度的关系3.2 工艺改进方法制壳特殊的封闭要求，使得氨气不能顺利排除，氯化铵又有着突出的优点，特别在表面层制壳 上现有条件下无法改变。为不影响铸件表面质量，还要最大限度地降低氨气产生，采用复合硬化的 方式，就是面层采用氯化铵作硬化剂，加固层采用结晶氯化铝或氯化镁作硬化剂。3.2.1 加固层硬化材料的选用 先 后 就 氯 化 镁 和 氯 化 铝 做 硬 化 剂 做 过 大 量 制 壳 实 验 ， 两 者 应 用 在 面 层 都明 显 降 低 铸 件 表 面 质 量 ，出现蠕虫状缺陷蛤蟆皮缺陷，是胶凝收缩过大和硬化不透所致，故表面层我们还是延续使用了氯化
10、铵。而型壳加固层不影响铸件的表面质量，只要保证稳定的强度即可，在实验和小批量生产中两者 都取得了成功。为选择最优工艺方案，对结晶氯化铝和氯化镁做了比较，如表 2 所示。 硬化反映公式分别是：Na2O.mSiO2.nH2O+MgCl2=mSiO2. （n-1 ）H 2O+2NaCl+ Mg（OH） 3 3（Na 2O.mSiO2.nH2O）+2AlCl 3。 6H2O=3 mSiO2.(n-1)H2O+2Al（OH） 3+2NaCl表 2 工艺方案比较项目 MgCl26H2O AlCl36H2O粘度 大 适中硬 化 时 间 （ min） 3 205硬化温度（） 4045 2840质量配比（硬化剂
11、盐：水） 1.01.4：1MgCl2 质量分数 28%32% 0.5：1AlCl36H2O 质量分数 30%33%日消耗（ kg/槽 班） 25 4.2批量实验时坏壳率（%） 4.73 1.64从上表可以看出，结晶氯化镁硬化剂粘度大，需高温快速硬化，水温难于控制和操作不便，消 耗量大、成本增高、强度低、坏壳率高。结晶氯化铝硬化剂粘度介于结晶氯化镁和氯化铵之间，渗透硬化速度也适中，采用一般硬化时 间和硬化水温度即可，与氯化铵相当；虽然价格是结晶氯化镁的 2 倍左右，但反应形成的 Al(OH)3 会大部分回溶至硬化水中，使得硬化剂整体消耗量仅是结晶氯化镁的 1/6， 成 本 降 低 ； 更 值 得
12、 提 出 的 是硬化反应中产生的铝胶更能提高型壳的湿态和高温强度，坏壳率最低。通过比较选择，结晶氯化铝在工艺性、成本方面突出的优势被确定为加固层硬化剂材料。3.2.2 结晶氯化铝硬化剂工艺参数的控制和检测前述结晶氯化铝硬化剂浓度为 30%33%， 过 高 则 溶 液 过 于 粘 稠 ， 硬 化 受 阻 碍 ， 过 低 则 有 效 成 分 不足，硬化反应微弱。理论上，当氯化铝水溶液 pH 值 3 时，铝的存在形式是单核络合物；pH 值3 时，形成带不同数量羟基的碱式氯化铝，溶液变得更加粘稠和浑浊。当 pH 值达到 5 时 ， 开 始 析 出氢氧化铝沉淀。在氯化铝硬化水和水玻璃不断进行酸碱中和的硬
13、化反应过程中，不但消耗氯化铝 成分，而且 pH 值会不断升高，也会使溶液更粘稠，影响硬化反应进行的强度和速度，造成硬化不 良。这里就引出四个氯化铝硬化剂的指标：（1）pH 值。新配制的结晶氯化铝含量 30%33%的硬化剂 pH 值为 1.41.7，随着 pH 值增高溶 液会变粘稠，影响硬化反应进行，pH 值达到 3 为临界点，故将其指标定位 1.42 之间。（2）Al 2O3 含量。是表示硬化剂中有效成分氯化铝的指标，控制为 6%7%，高和低都有弊端。 由公式 AlCl36H2O%= Al2O3%4.737 而来。（ 3） 碱 化 度 。 是 反 映 硬 化 剂 中 羟 基 数 量 的 指 标
14、 ， 在 经 验 上 碱 化 度 小 于 10%， 铝 元 素 大 部 分 以 单 核络合物形式存在，对硬化反应基本不产生影响。（4）密度。结晶氯化铝含量的间接指标。在生产中 Al2O3 含量测量麻烦、工作量大，一个月内可以用密度替代，但密度还受碱化度影响，所以还需定期检测 Al2O3 含量。上述四个指标中碱化度检测条件苛刻、过程繁琐，经过近两年的生产时间证明，我们完全以目 测溶液浑浊程度配合检测 pH 值的方法替代，确定结晶氯化铝硬化剂指标，如表 3 所示。表 3 氯化铝硬化剂指标指标 数值 监测频次Al2O3 含量（% ） 密度（g/cm 3）671.141.17每月 1 次每班 1 次p
15、H 值 1.42 每周 1 次另外，需注意两点：第一，当溶液出现浑浊时，可以加入适量盐酸降低 pH 值，消除浑浊；第 二 ， 不 可 以 将 氯 化 铵 溶 液 混 入 氯 化 铝 中 ， 因 为 氯 化 铵 溶 液 pH 值为 67， 混 入 后 会 增 加 溶 液 的 碱 化 度 ， 出现硬化水浑浊，造成分层等质量缺陷。3.2.3 加固层其他制壳参数的调整 在选用了结晶氯化铝水溶液做硬化剂后，由于硬化剂粘度较高，粘滞作用阻碍型壳硬化速度和硬 化 层 深 度 。 为 保 证 硬 化 效 果 符 合 批 量 生 产 要 求 ， 又 进 行 了 三 轮 实 验 ， 对 整 个 制 壳 参 数 进
16、 行 了 调 整 ， 如表 4 所示。表 4 参数调整参数 改前 调整后硬化剂温度（） 硬化时间（min） 风干时间（min） 涂料粘度（s） 自然干燥时间（h）2535152520404044122836152530503842243.2.4 型壳厚度的降低 硬化反应生成的 A（ OH） 3， 在 型 壳 中 称 为 铝 胶 ， 按 Al2O3 计算约为型壳整体重量的 0.8%1.2%，增强了型壳高温和湿态的微观强度，是三种硬化剂制壳中强度最高的一种。这对于提高质量和降低 成本极有意义，抓住结晶氯化铝硬化剂型壳的这个优点，经过近一年的实验，在保证跑火和坏壳数 量不增加的要求下，先后降低了所有产品的型壳层数，当年统计节约制壳材料 14%，大幅度降低了生产成本，仅此一项当年节约成本约 42 万元。4 结束语经过以上改进，达到了预期的目标：（ 1） 前 两 层 用 氯 化 铵 硬
