水玻璃型殼熔模鑄造制殼工藝的環(huán)保化改進(jìn)

1、水玻璃型殼熔模鑄造制殼工藝的環(huán)保化改進(jìn)張玉林（一汽鑄造有限公司，吉林長(zhǎng)春 130062）摘要：精密鑄造工藝中熔模鑄造工藝是以制造質(zhì)量小、精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件見(jiàn)長(zhǎng)的一種工藝。本文介 紹了用水玻璃作為粘結(jié)劑的精密鑄造，在制殼硬化時(shí)由氯化銨溶液向氯化鋁溶液改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及總結(jié)， 氯化銨溶液揮發(fā)出氨氣，具有刺激性氣味，與提倡的綠色環(huán)保相違背，因此改用氯化鋁硬化，沒(méi)有刺激性 氣味，不污染環(huán)境，在試驗(yàn)過(guò)程中，主要遇到了硬化不充分、表面質(zhì)量不良等問(wèn)題。通過(guò)各項(xiàng)工藝試驗(yàn)和 改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了背層完全用氯化鋁代替的目的，減輕工作環(huán)境污染，降低成本。 關(guān)鍵詞：精鑄件；氯化銨；水玻璃型殼；氯化鋁；節(jié)能環(huán)保1前言熔模鑄

2、造又稱精密鑄造，其產(chǎn)品精密、復(fù)雜，接近于零件最后形狀，可不加工或很少加工就直 接使用，熔模鑄造是一種近凈形成形的生產(chǎn)工藝。傳統(tǒng)的熔模鑄造以水玻璃為粘結(jié)劑制作型殼，故 稱為水玻璃型殼熔模鑄造，獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，生產(chǎn)的合金種類不受限制，在小型鑄鋼件、球 鐵件、合金鋼件生產(chǎn)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。筆者廠自上世紀(jì)八十年代建廠以來(lái)，從蘇聯(lián)引進(jìn)了該生產(chǎn)工藝，采用懸鏈自動(dòng)制殼線進(jìn)行生產(chǎn)， 后于 2004 年開(kāi)發(fā)了手工制殼生產(chǎn)工藝，可以生產(chǎn) 0.0530kg 的中小型熔模鑄件，產(chǎn)品主要供應(yīng)一 汽解放公司，包括各種鑄鋼類支架、球鐵類調(diào)整環(huán)等產(chǎn)品，如圖 1 所示。鑄件表面粗糙度達(dá) ra6.3 3.2，尺寸精度 c

3、t5-ct6 級(jí)，具備年產(chǎn) 2000 噸的生產(chǎn)能力。圖 1 鑄件產(chǎn)品特鑄廠熔模工藝在多年的不斷改進(jìn)中解決了諸多的質(zhì)量和成本問(wèn)題，但在環(huán)保要求不斷提高的 形勢(shì)下，現(xiàn)今有個(gè)突出問(wèn)題一直困擾車間技術(shù)和管理人員：制殼區(qū)域的氨氣濃度過(guò)高，雖然氨氣無(wú) 毒，但刺激呼吸道等表皮神經(jīng)，一進(jìn)入制殼區(qū)域，刺鼻刺眼的氨氣讓很多人難以承受；為此我們做 了大量經(jīng)驗(yàn)整理和實(shí)驗(yàn)研究工作，著重在發(fā)生源上采取針對(duì)性措施，取得了很大成效。本文主要介 紹制殼工藝改進(jìn)，解決了制殼氨氣污染問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)這種制殼硬化工藝的改進(jìn)，大幅地降低了型 殼破損率，降低了成本。2工藝介紹2.1 主要工藝流程（見(jiàn)圖 2）2.2 制殼過(guò)程介紹制殼工藝流程

4、，如圖 3 所示。圖 2 工藝流程圖 3 制殼工藝流程撒砂種類及粒度：1 層：石英砂40/70 目。2 層：石英砂20/40 目。3-5 層：石英砂 10/20 目和高鋁砂 8/16 目以 1:1 混合使用。 制殼具體工藝如表 1 所示。表 1制殼具體工藝1 遍2 遍3、4、5、6 遍硬化水溫/ 涂料粘度/s 硬化前風(fēng)干時(shí)間/min30253529322025353842無(wú)硬化時(shí)間/min1520硬化后風(fēng)干時(shí)間/min3520403氨氣污染的成因和改進(jìn)方法3.1 氨氣濃度大的原因熔模鑄造中型殼的強(qiáng)度是產(chǎn)品質(zhì)量基礎(chǔ)，型殼分為表面層、過(guò)渡層和加固層，表面層決定鑄件 的表面質(zhì)量，加固層決定鑄件的形狀

5、尺寸，過(guò)渡層是表面層和加固層的連接。從上面的制殼工藝介 紹可以看出，采用氯化銨做硬化劑型殼取得強(qiáng)度依靠以下公式：na2o.msio2.nh2o+2nh4cl=msio2. （n-1）h2o+2nacl+2nh3 +2h2o產(chǎn)生的 sio2 膠體，先從溶膠狀態(tài)逐步試水過(guò)渡為凍膠，最后轉(zhuǎn)變成凝膠，是決定型殼濕強(qiáng)度和 高溫強(qiáng)度的主要物質(zhì)，但同時(shí)也產(chǎn)生了刺激性 nh3 氣體。這就是氨氣產(chǎn)生的化學(xué)過(guò)程，不只是在硬 化過(guò)程中產(chǎn)生氨氣，在制殼過(guò)程內(nèi)風(fēng)干以及制殼完畢的停放風(fēng)干這段時(shí)間里，因型殼內(nèi)還有大量水 分，這個(gè)化學(xué)反應(yīng)依然在進(jìn)行，直至型殼徹底干燥后反應(yīng)才可終結(jié)，所以氨氣也不斷產(chǎn)生?；谝?上氨氣發(fā)生機(jī)理，

6、對(duì)制殼廠房氨氣污染作如下分析：（1）熔模鑄造的制殼工藝對(duì)環(huán)境的特殊要求，使得氨氣無(wú)法順利排放。熔模鑄造制殼工序?qū)?度和濕度要求嚴(yán)格，最佳工藝溫度是 251，相對(duì)濕度 50%10%，通常采用恒溫恒濕機(jī)控制，但 成本相對(duì)較高。所以一般規(guī)?；a(chǎn)將溫度區(qū)間放大至 1632，濕度不做特殊控制，這就要求廠 房相對(duì)封閉，特別是冬天為保溫必須緊閉門窗。室內(nèi)的空氣循環(huán)緩慢，氨氣流出通道被切斷，其無(wú) 法順利排除廠房外。（2）氯化銨做熔模鑄造硬化劑優(yōu)點(diǎn)突出，應(yīng)用最廣泛。水玻璃型殼熔模鑄造工藝在硬化劑的選 擇上，基本上為弱酸性的氯化鹽水溶液，主要有三種：氯化銨、結(jié)晶氯化鋁、結(jié)晶氯化鎂。氯化銨 作為硬化劑材料和其他

7、兩種材料比較：從經(jīng)濟(jì)性上看：氯化銨貨源充足、價(jià)格最低，不易潮解、運(yùn)輸儲(chǔ)存方便。 從工藝性上看：氯化銨溶液不粘稠，滲透硬化效果最好，硬化和風(fēng)干速度最快，一般三分鐘內(nèi)即可完成基本硬化過(guò)程，所以等待時(shí)間少。而且硬化效果對(duì)硬化水溫、硬化時(shí)間最不敏感，工藝參 數(shù)范圍較寬且容易控制。從產(chǎn)品質(zhì)量控制上看，型殼強(qiáng)度適中，缺陷最少。而且參數(shù)檢測(cè)指標(biāo)少，只需每周檢測(cè)氯化銨 含量?jī)纱?、每月檢測(cè)氯化鈉含量一次即可。以上氯化銨硬化劑的突出優(yōu)點(diǎn)，在表面層制殼中基本無(wú)可替代，使其在上世紀(jì)應(yīng)用最廣泛，技 術(shù)和操作人員已經(jīng)對(duì)這種材料形成了依賴的思維習(xí)慣。圖 4、圖 5 為氯化銨硬化的特性曲線。 1. 濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 30%

8、圖 5 氯化銨硬化劑中 nacl2. 濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為 25%含量對(duì)硬化層厚度的影響圖 4 氯化銨濃度與硬化層厚度的關(guān)系3.2 工藝改進(jìn)方法制殼特殊的封閉要求，使得氨氣不能順利排除，氯化銨又有著突出的優(yōu)點(diǎn)，特別在表面層制殼 上現(xiàn)有條件下無(wú)法改變。為不影響鑄件表面質(zhì)量，還要最大限度地降低氨氣產(chǎn)生，采用復(fù)合硬化的 方式，就是面層采用氯化銨作硬化劑，加固層采用結(jié)晶氯化鋁或氯化鎂作硬化劑。3.2.1 加固層硬化材料的選用 先后就氯化鎂和氯化鋁做硬化劑做過(guò)大量制殼實(shí)驗(yàn)，兩者應(yīng)用在面層都明顯降低鑄件表面質(zhì)量，出現(xiàn)蠕蟲(chóng)狀缺陷蛤蟆皮缺陷，是膠凝收縮過(guò)大和硬化不透所致，故表面層我們還是延續(xù)使用了氯化 銨。而型

9、殼加固層不影響鑄件的表面質(zhì)量，只要保證穩(wěn)定的強(qiáng)度即可，在實(shí)驗(yàn)和小批量生產(chǎn)中兩者 都取得了成功。為選擇最優(yōu)工藝方案，對(duì)結(jié)晶氯化鋁和氯化鎂做了比較，如表 2 所示。 硬化反映公式分別是：na2o.msio2.nh2o+mgcl2=msio2. （n-1）h2o+2nacl+ mg（oh）3 3（na2o.msio2.nh2o）+2alcl3。6h2o=3 msio2.(n-1)h2o+2al（oh）3+2nacl表 2 工藝方案比較項(xiàng)目mgcl26h2oalcl36h2o粘度大適中硬化時(shí)間（min）3205硬化溫度（）40452840質(zhì)量配比（硬化劑鹽：水）1.01.4：1mgcl2 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 2

10、8%32%0.5：1alcl36h2o 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 30%33%日消耗（kg/槽班）254.2批量實(shí)驗(yàn)時(shí)壞殼率（%）4.731.64從上表可以看出，結(jié)晶氯化鎂硬化劑粘度大，需高溫快速硬化，水溫難于控制和操作不便，消 耗量大、成本增高、強(qiáng)度低、壞殼率高。結(jié)晶氯化鋁硬化劑粘度介于結(jié)晶氯化鎂和氯化銨之間，滲透硬化速度也適中，采用一般硬化時(shí) 間和硬化水溫度即可，與氯化銨相當(dāng)；雖然價(jià)格是結(jié)晶氯化鎂的 2 倍左右，但反應(yīng)形成的 al(oh)3 會(huì)大部分回溶至硬化水中，使得硬化劑整體消耗量?jī)H是結(jié)晶氯化鎂的 1/6，成本降低；更值得提出的 是硬化反應(yīng)中產(chǎn)生的鋁膠更能提高型殼的濕態(tài)和高溫強(qiáng)度，壞殼率最低。通過(guò)比較

11、選擇，結(jié)晶氯化鋁在工藝性、成本方面突出的優(yōu)勢(shì)被確定為加固層硬化劑材料。3.2.2 結(jié)晶氯化鋁硬化劑工藝參數(shù)的控制和檢測(cè)前述結(jié)晶氯化鋁硬化劑濃度為 30%33%，過(guò)高則溶液過(guò)于粘稠，硬化受阻礙，過(guò)低則有效成分 不足，硬化反應(yīng)微弱。理論上，當(dāng)氯化鋁水溶液 ph 值3 時(shí)，鋁的存在形式是單核絡(luò)合物；ph 值3 時(shí)，形成帶不同數(shù)量羥基的堿式氯化鋁，溶液變得更加粘稠和渾濁。當(dāng) ph 值達(dá)到 5 時(shí)，開(kāi)始析 出氫氧化鋁沉淀。在氯化鋁硬化水和水玻璃不斷進(jìn)行酸堿中和的硬化反應(yīng)過(guò)程中，不但消耗氯化鋁 成分，而且 ph 值會(huì)不斷升高，也會(huì)使溶液更粘稠，影響硬化反應(yīng)進(jìn)行的強(qiáng)度和速度，造成硬化不 良。這里就引出四個(gè)氯

12、化鋁硬化劑的指標(biāo)：（1）ph 值。新配制的結(jié)晶氯化鋁含量 30%33%的硬化劑 ph 值為 1.41.7，隨著 ph 值增高溶 液會(huì)變粘稠，影響硬化反應(yīng)進(jìn)行，ph 值達(dá)到 3 為臨界點(diǎn)，故將其指標(biāo)定位 1.42 之間。（2）al2o3 含量。是表示硬化劑中有效成分氯化鋁的指標(biāo)，控制為 6%7%，高和低都有弊端。 由公式 alcl36h2o%= al2o3%4.737 而來(lái)。（3）堿化度。是反映硬化劑中羥基數(shù)量的指標(biāo)，在經(jīng)驗(yàn)上堿化度小于 10%，鋁元素大部分以單 核絡(luò)合物形式存在，對(duì)硬化反應(yīng)基本不產(chǎn)生影響。（4）密度。結(jié)晶氯化鋁含量的間接指標(biāo)。在生產(chǎn)中 al2o3 含量測(cè)量麻煩、工作量大，一個(gè)月

13、內(nèi) 可以用密度替代，但密度還受堿化度影響，所以還需定期檢測(cè) al2o3 含量。上述四個(gè)指標(biāo)中堿化度檢測(cè)條件苛刻、過(guò)程繁瑣，經(jīng)過(guò)近兩年的生產(chǎn)時(shí)間證明，我們完全以目 測(cè)溶液渾濁程度配合檢測(cè) ph 值的方法替代，確定結(jié)晶氯化鋁硬化劑指標(biāo)，如表 3 所示。表 3 氯化鋁硬化劑指標(biāo)指標(biāo)數(shù)值監(jiān)測(cè)頻次al2o3 含量（%） 密度（g/cm3）671.141.17每月 1 次每班 1 次ph 值1.42每周 1 次另外，需注意兩點(diǎn)：第一，當(dāng)溶液出現(xiàn)渾濁時(shí)，可以加入適量鹽酸降低 ph 值，消除渾濁；第 二，不可以將氯化銨溶液混入氯化鋁中，因?yàn)槁然@溶液 ph 值為 67，混入后會(huì)增加溶液的堿化度， 出現(xiàn)硬化水渾

14、濁，造成分層等質(zhì)量缺陷。3.2.3 加固層其他制殼參數(shù)的調(diào)整 在選用了結(jié)晶氯化鋁水溶液做硬化劑后，由于硬化劑粘度較高，粘滯作用阻礙型殼硬化速度和硬化層深度。為保證硬化效果符合批量生產(chǎn)要求，又進(jìn)行了三輪實(shí)驗(yàn)，對(duì)整個(gè)制殼參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整， 如表 4 所示。表 4參數(shù)調(diào)整參數(shù)改前調(diào)整后硬化劑溫度（） 硬化時(shí)間（min） 風(fēng)干時(shí)間（min） 涂料粘度（s） 自然干燥時(shí)間（h）2535152520404044122836152530503842243.2.4 型殼厚度的降低 硬化反應(yīng)生成的 a（loh）3，在型殼中稱為鋁膠，按 al2o3 計(jì)算約為型殼整體重量的 0.8%1.2%，增強(qiáng)了型殼高溫和濕態(tài)的微觀強(qiáng)度，是三種硬化劑制殼中強(qiáng)度最高的一種。這對(duì)于提高質(zhì)量和降低 成本極有意義，抓住結(jié)晶氯化鋁硬化劑型殼的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)近一年的實(shí)驗(yàn)，在保證跑火和壞殼數(shù) 量不增加的要求下，先后降低了所有產(chǎn)品的型殼層數(shù)，當(dāng)年統(tǒng)計(jì)節(jié)約制殼材料 14%，大幅度降低了生產(chǎn)成本，僅此一項(xiàng)當(dāng)年節(jié)約成本約 42 萬(wàn)元。4結(jié)束