摘要：分析当前国内精密铸造业的发展方向，并对现行精密铸造生产的制壳工艺优缺点进行比较，提出一种新型节能精密铸造粘拉剂—ZF-801型快干硅溶胶。通过分析ZF-801型快干硅溶胶型壳的制壳时间，铸件尺寸精度，表面质量，常温强度，高温强度，残留强度等方面的优异表现，从而得出ZF-801型快干硅溶胶是符合当前国家“十一五”规划低能耗，较少污染物排放要求，且成本适中的新一代精密铸造制壳专用粘接剂。

一、当前国内精密铸造面临的机遇和挑战

    中国精密铸造业从20世纪90年代初起，进入了一个飞速发展的时期.经过十几年的稳步发展现已成为亚洲地区生产规模最大,专业化程度最高,辅助材料最为齐全的精铸产品生产基地.我国“十一五”规划纲要提出,“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右、主要污染排放总量减少10%。这是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措;是建设资源节约型、环境友好型社会的必须选择;是推进经济结构调整,转变增长方式的必由之路;是维护中华民族长远利益的必然要求.同时,国家发改委也制定了节能中长期规划,这表示国家将对各行业进行强制检查,落后的高能耗技术工艺将被淘汰。

铸造行业是国民经济中耗能较多的行业之一，占机械工业总能耗的25~30%。因此，作为铸造业中先进工艺的精密铸造，必须以科学的发展观为指导思想，摆脱目前较粗犷的生产方式，求质量，求效益，保护环境，以人为本。为实现这一目标我们就要从整个精铸生产工艺流程中注意减少材料使用量，节省能源。制壳工艺是精密铸造中一个非常重要的环节，他直接影响着后续工艺的每一个环节。因此，寻找一种既环保节能又价格低廉的制壳工艺就成为了我们的当务之急，武汉市智发科技开发有限公司开发的ZF-801型快干硅溶胶正是基于此点而研制的。

二、目前国内精铸生产中主要制壳工艺的优缺点

    目前国内精铸件生产中广泛采用的制壳工艺有以下3种：

    A、水玻璃型壳；B、复合型壳；C、硅溶胶型壳；D水玻璃型壳

    这一工艺在国内已有近50年的生产历史，其厂点数至今仍在我国精铸厂家中占有相当比重。多年来由背层型壳耐火材料的改进和新型硬化剂的推广应用，水玻璃型壳强度有了成倍增长，铸件表面质量、尺寸精度及成品率有了很大提高。低廉的成本、最短的生产周期、优良的脱壳性能及高透气性至今仍是其他任何型壳工艺所不及的。

    1.1存在的主要问题

    （1）水玻璃粘结剂固有的缺点是Na₂O含量高，型壳高温强度、抗蠕变能力远不及硅溶剂型壳。加之面层耐火料采用价低质次、粒度级配不良的石英砂（粉），因而必须不能获得高质量的精铸件。

    （2）型壳生产条件差，缺乏严格的生产过程及参数的控制。由于硬化剂的强腐蚀性，除尘设备简陋，很少车间有恒温、恒湿、除尘的生产环境。影响型壳和铸件质量的涂料配制、硬化、风干、脱蜡等工序，极少按行业规定的操作规范严格控制。型壳风干处的温度、湿度、风速等更是不加控制，故常在高、低温或梅雨季节发生批量报废的质量事故。总之，大部分工厂停留在手工作坊阶段，靠技艺而不是靠科学的质量管理进行生产。这是水玻璃型壳数十年来铸件质量不稳定、废品率、返修率高的重要原因之一。

    2、复合型壳

    目前不少工厂将第一、二层改用锆英粉及莫来石粉，硅溶胶型壳。背层仍要用原有水玻璃型壳工艺。它是结合硅溶胶型壳的优良表面质量和水玻璃低成本、短周期的优点的一种改进方案。与水玻璃型壳相比，其铸件表面质量有了很大提高，表面粗糙度降低、表面缺陷减少、返修率下降。生产周期与水玻璃型壳相近。

    2.1存在的主要问题

    （1）由于背层保留了水玻璃粘结剂，故其型壳整体高温强度、抗蠕变能力比硅溶胶型壳低，浇注的铸件尺寸精度及形位公差均比不上硅溶胶型壳。

    （2）透气性不如水玻璃型壳也不如硅溶胶型壳，型壳高温强度不及硅溶胶型壳，易造成废品。

    （3）复合型壳铸件质量稳定性比水玻璃好，但远不如硅溶胶型壳。

    （4）复合型壳由于采用价高的锆英粉作面层，其型壳成本是水玻璃型壳的4.5倍，若背层采用莫来石砂粉，其型壳成本与硅溶胶型壳成本相差无几，其成本低的优势并不明显。

    （5）复合型壳不能使用中温蜡料。中温蜡不能使用热水脱蜡。在高压釜中脱蜡时，由于高温、高压，中温蜡液会与背层中的水玻璃及残留硬化剂产生剧烈的皂化反应，不经回收处理无法回用。

    3、硅溶胶型壳

    20世纪60年代，硅溶胶作为陶瓷壳型粘结剂应用于铸造领域，立即以其无可比拟的优势逐步取代了曾经广泛使用的制备工艺繁杂、有污染、成本高的水玻璃和硅酸乙脂水解液。实践证明，用硅溶胶液作为陶瓷壳型粘剂具有下列优点：配制工艺简便，涂料便于贮存，浸涂用过的料浆调整成分后可继续使用，减少材料消耗，浸涂工艺性能稳定，容易操作，取消了用硅酸乙脂水解液时的氨干，工作环境得到改善，采用可控湿度的热风干燥，壳型强度高，采用水基硅溶胶，安全性好。据称，从硅酸乙酯改用硅溶胶后，能源消耗减少20~30%，壳型合格率提高15~20%，工作环境大大改善。

    3.1硅溶胶（低温蜡）型壳

    低温蜡成型容易、设备简单，蜡模表面粗糙度相差不大，工艺比复合型壳质量稳定，尤其是铸件尺寸精度高，因它没有水玻璃存在，型壳高温性能好，焙烧后型壳透气性高，抗蠕变能力强，既可适用于薄壁件，复杂结构的中小件，又可生产重达50~100kg的特大件。

    3.1.1存在问题

    （1）由于采用低温蜡，大部分型壳在水中脱蜡，难免有皂化物残留进入型壳中易产生铸件表面夹杂，返修率稍高。

    （2）制壳生产周期长是它的最大缺点和不足，尤其在生产大件，有深孔、深槽件时，每层干燥常用24~48h。

    （3）硅溶胶型壳（低温蜡）型壳成本较水玻璃型壳高5倍，比复合型壳高17%。铸件成本相应较高。

    3.2硅溶胶（中温蜡）型壳

    国际上通用的精铸件生产工艺，它具有最高的铸件质量、最低的返修率，特别适合于表面粗糙度要求高，尺寸精度高的中小件、特小件。

    3.2.1存在问题

    （1）成本高，其型壳生产成本是水玻璃型壳的8倍。比低温蜡硅溶胶型壳也高也25%。

    （2）生产周期与低温蜡硅胶溶胶型壳相同，比水玻璃及复合型壳长得多。

    （3）生产中大件往往要采用中温液态蜡及高压注蜡，厚壁蜡模易缩凹，铸件尺寸精度并不太高。中大件对尺寸精度、表面粗糙度要求也没有小件那么高，故中大件较少采用硅溶胶（中温蜡）型壳。

    三、ZF-801型快干硅溶胶

   纵观以上这几种制壳工艺，都存在不可避免的缺陷。水玻璃工艺尺寸精度差、质量不稳定、废品率、返修率高，大量的次、废品不仅浪费了资源而且给企业造成了损失。复合型壳工艺增加了工艺管理的难度，而且为了节约投资在设备、原料、环境等方面都不及全硅溶胶，所以质量的稳定性较差；有时由于返修率和废品率的提高，实际的生产成本反而会比全硅溶胶工艺的还高。硅溶胶制壳工艺虽然尺寸精度高，环境压力也小，但制壳生产周期太长，且硅溶胶粘结剂型壳生产铸件时，由于型壳的强度高，能够得到较好表面质量和尺寸精度，同时由于型壳的残留强度较高，型壳的溃散性较差，给清砂带来极大困难。另加之，随着中国加入WTO及国际精铸市场环境的变化，美国及欧洲精铸件订单大量转向中国，国内市场对不锈钢制品及精密机械零件的需求量也急剧扩大，且由于客户要求交货期越来越短，迫使铸造企业在保证品质的前提下缩短生产周期。因此，作为新一代国内快干硅溶胶的ZF-801型快干硅溶胶就无疑成为了当前精铸制壳工艺的一个比较理想的选择。

    1、快干机理

    ZF-801型快干硅溶胶属于增强型快干硅溶胶，与普通硅溶胶相比能够使型壳快速建立湿强度，并提高型壳湿强度，从而大大缩短制壳层间干燥时间。加入的水不溶性有机纤维，可在干燥过程中起到毛细管作用，加快内部水分的挥发，且此纤维在高温培烧过程会被烧去，从而使壳型形成微观多孔结构而增加壳型的透气性。高聚物的加入侧对硅溶胶胶粒有物理绑缚作用，且能使硅溶胶的胶凝临界浓度下降而更快达到胶凝浓度，从而大大缩短了层间干燥时间。同时，高聚物对型壳有增强作用。因为高聚物的水溶液本身就是一种粘结剂，并有着良好的成膜性，它还会改善硅胶在粉、砂中的分布状态。用它作料浆粘结剂与蜡膜的亲合力得到改善有利于挂浆，成膜性好在浓缩干燥后结合力强，因而使壳型的常温强度增大，脱膜后型壳不易开裂，从而保证型壳质量，提高制壳速度，也大量减少了后期工序中次、废品的产生，不仅节约了能源，同时也为企业带来了利润。

    2、在精铸制壳工艺中体现出的优异性

    2.1大大的缩短了制壳时间。将830、1430硅溶胶制壳与ZF-801型快干硅溶胶进行比较，其结果如表1所示，由表中我们可以看出用ZF-801型快干硅溶胶比用830、1430硅溶胶制壳可减少40小时的制壳时间，且制壳过程中壳膜无回溶现象。这样不仅提高了单位时间内的生产效率，而且节省了人力、物力。

表1  制过过程对比

    2.2铸件尺寸精度高。ZF-801型快干硅溶胶型壳完全克服了以往与硅溶胶型壳相比，水玻璃型壳和复合型壳铸件尺寸精度低，型壳整体高温强度、抗蠕变能力低的缺点。我们先用XX机种动力涡轮工作叶片测量，其中测量点用数字表示（6个点），各点的平均尺寸偏差结果如表2所示，从表2我们可以看出，ZF-801型快干硅溶胶所制型壳与普通硅溶胶所制型壳一样拥有较好的铸件尺寸精度。

表2  尺寸偏差对比

    2.3铸件品质及表面面优良。从表3和表4我们可以看出ZF-801型快干硅溶胶对铸件飞翅，小孔冲沙等情况有明显的改善；且能有效的防止大平面铸件胀壳，表现出了优异的表面质量。因此也大大的减少了次废品的产生，使有限资源得到了合理的应用，提高了一次成品率。

表3  表面质量对比

表4  表面粗糙度对比

    2.4即有较好的常温及高温壳型强度，又有较低的残留强度。普通硅溶胶型壳的残留强度较高，溃散性较差，给清砂带来极大困难，为了解决这一问题普通的做法是振动清砂，抛丸机清砂，内腔的残壳用钻削清砂，这些做法不仅劳动强度高，效率低，而且振动清砂易使铸件产生裂纹。而ZF-801型快干硅溶胶就很好的解决了这一难题，由表5数据可知，ZF-801型快干硅溶胶型壳常温强度高于S-1430普通硅溶胶型壳，高温强度相当，而残留强度侧大幅降低。这样就在保证型壳质量的前提下，极大的减少了后续工序中的振壳时间和碱爆次数，也减轻了清砂的难度，节省了能源消耗，降低了成本。

表5  壳型强度对比

    2.5产品质量稳定，使用保持期长。经过在多家厂家使用的情况来看，用ZF-801型快干硅溶胶配制的浆料，在定期补加适量去离子水以保证料浆粘度的情况下，最长可连续使用三个月之久。这样不仅可以保证生产的连续性，而且避免了由于料浆的变动而引起的批次间质量差异问题。

2.6综合能耗及成本较低。价格过高是以往快干硅溶胶无法在我国大规模使用的主要原因之一。因此我们对ZF-801型快干硅溶胶制壳工艺的成本进行了详细的统计和计算，其结果如表6所示。

表6  成本对比

    从表中数据我们可以看出ZF-801型快干硅溶胶型壳的单件工序成本与普通硅溶胶型壳基本相当，但由于月产量由120万件增加到190万件增长了58%，且使用ZF-801型快干硅溶胶后，一次成品率大大提高，飞翅、鼓胀、夹砂、裂痕等现象有明显改善，使后续工序返修量大幅减少，同时减少了振壳、碱爆工序的工作量。所以相对而言，综合成本还可得到一定幅度的下降。

    四、总结

    作为新一代国产快干硅溶胶的ZF-801型快干硅溶胶，不论是在制壳时间、尺寸精度、铸件品质，还是在产品质量、综合能耗及成本上都有非常优异的表现。较短的制壳时间，有效的提高了生产效率；良好的尺寸精度、优良的铸件品质、稳定的质量，大大增加了一次成品率，减少了返修量，使有限资源得到合理的使用；较低的残留强度，侧避免了清砂过程中的能源浪费；合理的综合成本又保证了企业的利润。因此，ZF-801型快干硅溶胶是符合当前国家节能减排要求的新一代节能型精铸制壳专用粘结剂。

 

 

 

来源：铸造纵横