一. 前言：

　　眾所周知，全球精鑄界通用的硅溶膠型殼工藝存在三大缺點：

　　1.成本高。 2.制殼周期長。 3.鑄件脫殼性差(型殼殘留強度高)。

　　據統計，表面層型殼通用的耐火料鋯英石砂、粉占型殼原輔材料成本的48%，占總生產成本的10%(平均值)[1] 。優質鋯英石資源稀缺，因而尋找它的代用品或減少其消耗量是當今國內外精鑄界共同關心，重點研究的課題之一。

　　“快干”硅溶膠的推廣應用和真空干燥設備的逐步完善，緩解了制殼周期長的缺點。由于硅溶膠型殼高溫強度高(是水玻璃型殼的6.7倍)，其相應的殘留強度也高(是水玻璃型殼的2.8倍)，因而鑄件的脫殼性能比水玻璃差得多。加之大部分生產的精鑄件是結構復雜的中小件，型殼殘留強度高會嚴重影響后處理工序生產效率和增加材料工時成本、降低鑄件表面質量，延誤交貨期。

　　我們通過學習國內外同行的先進經驗，經過多年的努力研究和實踐，在降低硅溶膠型殼生產成本和改善脫殼性方面取得了一定成效，特向精鑄界同仁作一介紹，以期達到拋磚引玉的目的。

　　二. 表面層制殼工藝的改進：

　　〈一〉. 鋯英石粉料的代用—

　　長期以來鋯英石是全球精鑄業首選的型殼表面層耐火料。正如2007年美國精鑄學會(ICI)第54屆年會論文所言：“鋯英石與多種合金反應低、密度高、熱化學性能好，要尋找替代用品是困難的”。 [2]

　　1. 美國在2006年前面層涂料的典型工藝是在鋯英粉中摻加5-10%(質量)的熔融石英粉。其主要目的是：降低成本，提高鑄件尺寸精度和改善脫殼性、透氣性。國外重點工藝改進方向是：充分利用熔融石英純度高，雜質少，密度和熱膨脹系數小，加上高溫“析晶”，低溫“相變”的特點，使型殼在高溫時保持高強度而在低溫時因相變產生劇烈收縮(-3.7%)致使型殼殘留強度大大降低，從而使鑄件脫殼性、透氣性、尺寸精度提高。自2007年起，通過技術改進美國已有80%的精鑄企業表面層涂料中的熔融石英粉摻入量已提高至50%(按體積比為68.7%)。其中更有20%工廠其石英摻入量高達75%(按體積比86.8%，鋯粉僅占14.2%)[3]

　　2. 我們根據分析和試驗證實其工藝改進的關鍵技術要點有兩方面：

　　a. 通過采用高致密度即優良級配的粉料提高了表面層涂料的工藝性能。其中主要是“覆蓋性”(涂層平均厚度δ)和致密性(粉液比n或粉料在涂料中的體積濃度k%)兩項。以往進口原包裝澳大利亞鋯粉配制的涂料其粉液比多為：n=3.2-3.7(ηΦ4=40±5s)而近年來已提高到n=3.9-4.6。國內加工的鋯粉則仍大部分為n=2.5-3.7。

　　b.在表面層涂料中加入少量(0.1%-0.2%占硅溶膠質量)“分散劑”。它可在不影響涂料其他工藝性能前提下提高了涂料平均厚度(δ)15-25%(表三)。同時還能改善涂料的均勻性，懸浮性。使涂掛性和均勻性很差的熔融石英在鋯英粉—硅溶膠涂料中摻入量有原5-10%提高到50%-75%。試驗和生產實踐充分證明了上述結論。

　　從表一、二、三、四試驗結果得出下列結論：

　　1. 要提高混合涂料(鋯英粉—熔融石英粉硅溶膠涂料)中熔融石英的摻入量，應采用較高致密度(n=3.9-4.6)的鋯英粉(表一)及熔融石英粉(n=1.5)。這兩種粉料配制的混合涂料(鋯粉70%+熔融石英粉30%)其致密性n=2.5-3.0(k=44-48.5%)，ηΦ4=40±5(s)，δ=0.08-0.09(表七)，才能滿足生產工藝要求。

　　2. 混合涂料用粉料粒度要求應符合表五規定。

　　注：1.采用GSL-101BI型“激光顆粒度測定儀”測定(丹東市遼寧儀器儀表研究所生產)。

　　2.粒度判定以DV90，DV50及Wo%三項指標為主要依據。DV98，DV84為參考指標。

　　3.無粒度檢測條件時，可將待測粉料與“標準”硅溶膠配制成“標準”涂料來判定粉料粒度大小及組成是否符合(表七)各項工藝性能指標規定。

　　3. 砂粉料(鋯英石及熔融石英石)的物理化學性能要求：

　?、?鋯英石砂粉的物理性能應符合“中國鑄造協會精密鑄造分會”標準CICBA/C02.09-1999規定，但應確定砂、粉中游離鐵 (磁性物)含量。即加工過程中混入的磁性物雜質(表九)。

　?、?熔融石英砂、粉，我國尚無精鑄業內標準，參考國外資料結合我國生產廠具體情況暫按表八驗收。

　　4.為改善混合涂料的工藝性能，提高熔融石英的加入量，涂料嚴格選用優質的粉料和合理進行兩種粉料的級配外，加入適量的“添加劑”是不可缺少的措施[6] 。

　　實驗證實：無論在鋯英粉，熔融石英粉或兩者配制的混合涂料中加入少量的“分散劑”能較大幅度地提高涂料的屈服值。使涂料覆蓋性(涂層平均厚度)提高，這正是國外精鑄界能使鋯英粉—硅溶膠涂料中熔融石英粉摻入量由原來5-10%提高到50-75%的主要原因和重要措施之一。

　　5.由表十一，十二及十三實驗結果得出以下結論：

　?、?在表面層涂料中加入少量“分散劑”能改變硅溶膠涂料的流變特性，增加涂料的屈服值從而可提高涂掛性和覆蓋性(涂層平均厚度)δ可提高15-25%。同時由于“分散劑”作用能使粉料“分散”不易“結團”。使平均粒徑減小因而δ增加。雖然粉液比n略有下降，但致密性k%仍在要求范圍之內(表七)。涂料的均勻性，懸浮性，涂掛性和流平性均有提高。“板結”“老化”時間延長(穩定性提高)。

　?、?由表十三可見：混合涂料中熔融石英粉摻入量可由原30%提高到50%，主要是通過“分散劑”加入后得到的效果。

　?、?“分散劑”的作用原理是：高分子長鏈會形成網狀結構使涂料中細粉質點不易按觸合并成大顆粒。使粉料在涂料中分布更分散和均勻。細粉(0.2-10μm)含量增加δ增厚提高了硅溶膠涂料的屈服值，不僅提高了涂料工藝性能，而且對穩定和提高鑄件(型殼)表面質量和增加型殼透氣性有利。粉液比適當減小，涂料成本也能降低，但應控制在合格范圍內(表七)。

　　< 二>.表面層涂料加“鋯砂”工藝 [5]

　　為了提高面層型殼(涂料)的致密性。我們在表面層涂料中外加入10%的鋯英砂(100/200目)(占鋯粉質量)。其效果是由于“砂粒”的摻入，提高了面層型殼干燥時抗拉強度，硅溶膠在失水、干燥收縮時可防止面層型殼產生裂紋。這對于大平面或外表面積較大和鑄件結構復雜、內外壁干燥速度差別大的鑄件特別有效。長江廠生產的“容積器”壁厚5mm，凈重15kg，內腔深200mm。過去表面層型殼須自干12小時以上，往往外表面已出現裂紋，鑄件60-80%出現“飛翅”或“流紋”(線性缺陷)。在表面層涂料中加砂后，多批生產260件，無一出現這類缺陷?；旌贤苛现胁灰思尤朊芏忍〉娜廴谑⑸?，否則會在攪拌機底部及四周沉積。而加入密度大的鋯砂無此現象。全鋯粉或混合硅溶膠涂料加鋯砂后均能改善涂料工藝性能，提高其致密性、流動性、流平性和均勻性。減少了由涂料在復雜型腔內堆積而造成的“鐵豆”，穿鋼等缺陷。尤其可降低型殼開裂的風險，其作用猶如在大平面水泥路上摻入砂、石，可防止水泥漿在失水干燥收縮時開裂的原理一樣。

　　實踐證實，細砂在涂料中加入量未影響鑄件表面粗糙度。當然，砂粒的粒度不宜過粗，以常用的100/200目或140/270目為宜(粒徑d=0.075-0.10mm為最佳)不宜超過涂料層厚度 。目前這一工藝已為多家硅溶膠型殼和水玻璃型殼精鑄應用。效果良好。

　　綜上實驗及一年生產實踐關于表面層涂料(不論是全鋯粉或混合涂料)中加入鋯英砂10%這一工藝措施，其主要特點如下：

　　1.涂料加砂后除涂料致密性k%提高了4%左右，而其他工藝性能均未改變，但涂料的流平性，均勻性得到提高，表面層型殼強度(抗裂性)有所提高，硅溶膠在失水膠凝后的收縮應得以分散使表面層型殼開裂傾向降低，這對于大平面件，尤其是復雜型腔內外干燥不均勻的鑄件最有價值，可大大減少表面產生飛翅(披鋒)或“流紋”缺陷。

　　2.型殼表面致密性的提高，鑄件表面質量相應提高，致密而光潔，使外觀缺陷減少。

　　3.這一工藝同樣適合于水玻璃型殼。適合于涂料工藝性能較差的混合涂料。(鋯粉—熔融石英粉)硅溶膠，或白剛玉—硅溶膠涂料)。

　　<三>.鋯英砂的代用——

　　生產中表面層撒砂料消耗量和成本略高于粉料。美國精鑄業雖然大部分用熔融石英粉取代了鋯英粉，但95%的工廠仍采用鋯英石撒砂料。只有少量企業用熔融石英粉或雷馬斯砂(相當于我國的燒結鋁礬土)國內精鑄廠已有許多工廠已在上產中批量投產試用優質的電熔白剛玉砂，完全取代了鋯英砂。實踐證明，只要選用純度高、雜質少、游離鐵(FeO%)及含量低的精鑄用電熔白剛玉撒砂料。不會造成型殼殘留強度高，鑄件脫殼性惡化的問題。表面層型殼、撒砂料只有密度高才能順利進入復雜型腔、小孔、窄孔內固定涂層。因而生產復雜件，目前只有剛玉砂可以替代鋯砂。較低密度的高嶺石和熔融石英均難以應用(碳鋼件，簡單件例外)。撒砂料的粒度應符合表十四規定(參照CICA標準)測定，商品代號為80/120目的精鑄用砂，實際大多為100/200目。

　　撒砂粒度過粗易造成型殼“蟻孔”，鑄件產生“毛刺”缺陷。過細則會造成表面層型殼“分層”或“裂紋”。鑄件表面生成“流紋”或“飛翅”缺陷。故其粒徑應在d=0.08-0.15mm為宜，即100/200目(表十四)。其含粉量<0.2%(過300目即d<0.045mm)表面層撒砂的粒徑分布的要求是：相對集中，適度分散

　　<四>.目前我們廠精鑄件表面層型殼生產工藝為：

　　1.表面層制殼工藝—

　?、?涂料配比：鋯英粉70%+熔融石英粉30%，外加10%鋯英砂(占鋯粉質量)

　　(300-400目) (200-270目)

　?、?撒砂：100%電熔白剛玉(100/200目)(鄭州三星白剛玉廠)

　　2.鋯英砂物化性能：按CICBA/C02-09-1999，粒度按表五或表七驗收。FeO則應符合表九規定。涂料中加鋯砂粒度按表十四。

　　3.表面層型殼用電熔白剛玉砂的物化性能同鋯英石可查標準。

　　4.目前我們正在小批試用涂料中加“分散劑”，盡早采用鋯粉50%+熔融石英粉50%的表面層混合涂料，力爭早日達到國外先進工藝水平。

　　5.據統計，表面層涂料熔融石英粉摻入量30%，撒砂100%改用電熔白剛玉砂，工藝改進后，型殼材料成本每月可降低2.3萬元，年節約達27萬元。

　　三.背層制殼材料的選用及工藝改進：

　　(一)砂粉料合理選用：

　　硅溶膠型殼三大缺點之一是型殼殘留強度過高，鑄件脫殼性差。不僅與表面層或過渡層有關，還常和背層型殼耐火材料的合理選擇關系密切。背層型殼耐火砂、粉料雖在其單價成本比面層低得多(只有鋯英石的1/10以下)，但因層數多，每噸合格鑄件約須消耗1.2噸耐火料，因而其在生產成本中也占相當大的比例，國內不少精鑄企業在背層耐火料的選用上常將價格因素放在第一位，選購“價廉、質次”的砂粉料，其后果往往是鑄件返修率、報廢率和型殼破損、漏鋼率增加，后處理成本大幅增高，鑄件生產綜合成本往往高過耐火料差價，結果是得不償失。背層耐火料選購也應以“高性價比”為宗旨才是上策，其中背層砂、粉料要特別注意以下幾項質量驗收標準：

　　1.鋁硅系耐火料中的游離鐵FeO%(磁性物)含量，它是影響型殼高溫強度和殘留強度的主要因素，我國行業標準中未見注明這一項重要指標，型殼焙燒澆注時的漏裂、變形和殘留強度過高，脫殼困難均與此有關，不同生產方式，去除FeO%效果差別很大(表十)，高嶺石FeO%含量相差2.7-4.8倍，采購時應按表九(推薦值)進行。

　　2.砂、粉料的煅燒應以灼減(燒失量)W<0.5%為驗收依據，但很少企業在進料時檢測其W%值，煅燒不完全也是造成型殼變形、開裂和殘留強度高的主要因素之一。

　　3.背層鋁硅系耐火料的“礦物組成”(行業標準中也未見標注)，其中水鋁石含量(或高嶺石含量)是驗收判別高嶺石和低等鋁礬土的主要指標之一(化學成分Al2O3等相近)(表十六)。

　　4.回用型殼的應用。

　　全球精鑄界如美國、日本等都非常重視廢殼的回收再利用，經過多年的探討試用，國內不少硅溶膠型殼(或水玻璃型殼)精鑄廠也用于第三層以后的背層(砂或粉)，其成本僅為新料的1/2，經過高溫焙燒和澆注型殼煅燒完全(灼減量W<0.3%)，而且經權威單位檢測回收砂粉中鋯英石含量高達14%左右，只要通過多次強磁除鐵(去除FeO%磁性物)，FeO%可達到表九要求。

　　加之篩分除灰分(砂料)及過篩達到背層型殼常用的粒度要求即可使用，不少單位在背層中摻加50%與新料搭用，連續使用五次，第一次的回用料含量僅剩3.15%左右，廢殼回用變廢為寶，更是資源循環利用，降本增利的有效途徑，各廠應根據鑄件要求，從沾漿層開始采用逐步推廣到背層(第2層不用)。

　　(二)背層涂料的工藝改進：

　　長江廠從2006年起就在探討改善硅溶膠型殼脫殼性問題，盡管在表面層中已采用了新制殼工藝，改進了表面層涂料和撒砂材料取得了一定成效，但鑄件脫殼性仍不能令人滿意。我們決定從背層著手，在保證型殼強度前提下盡可能降低型殼殘留強度。

　　自2013年五月份起，通過多次反復試制，小批投產，目前已正式批量生產應用，主要工藝要點是在背層(從第2—3層開始)在涂料中采用(高嶺石粉40%+普通石英粉60%)配比(撒砂全部仍用高嶺石砂)，其中第二層或過渡層采用精制石英粉，背層用普通石英粉即可(降低成本)，表面層按本文前述工藝。通過對比，長江廠最難脫殼的鑄件支管(304，重0.8kg)，以往震殼只能將Φ18彎孔中20%砂殼震出，然后要滾拋1-2小時(鋼丸)，再由用人工用震動鎬夾持鋼筋掏、挖彎孔存砂，清理十分困難?，F改用新工藝背層涂料后，型殼高溫強度正常，殘留強度大幅下降，震殼時一分鐘內彎孔砂殼全部震出，再經吊拋(丸)20-30分鐘即可酸洗鈍化，效率提高一倍以上，其他零件也相應提高了除殼效果，生產15kg的容積器也未見型殼漏裂、制殼層數如常，尺寸精度未有變化，目前已全面投產，背層耐火料成本降低了1/2，脫殼生產效率大大提高。

　　四.結束語：

　　1.合理選用制殼耐火料是硅溶膠型殼工藝改進及穩定和提高鑄件質量的基礎，“高性價比”是采購的基本原則。

　　2.表面層型殼工藝改進的主要方向是：采用鋯英粉-熔融石英混合(硅溶膠)涂料，減少鋯英粉用量是降低成本，改善鑄件脫殼性和提高尺寸精度的有效措施，也是目前國外精鑄界制殼工藝改進的主流方案。

　　3.實踐證明：用優質精鑄用電熔白剛玉砂代替鋯砂是性價比較高的舉措，也是我國精鑄業的創新，值得推廣應用。

　　4.生產高錳鋼或含錳量較高的鑄件等，采用電熔白剛玉粉、砂代替鋯英石砂粉作面層，型殼是合理可行的制殼工藝(避免鑄件表面出現“結疤”和“粘砂”)。

　　5.在背層型殼中加入50-70%的石英粉是改善硅溶膠型殼脫殼性能的有效舉措，簡易可行，降本增利，應根據工廠產品鑄件大小，凈重在保證型殼強度的前提下降低型殼殘留強度，調整石英粉加入量比例，要特別注意背層和面層砂粉料熱膨脹系數的匹配，防止型殼開裂或鑄件尺寸變化。

　　(轉自精鑄分會網站)