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(diǎn)：
1.成本高。   2.制殼周期長。   3.鑄件脫殼性差（型殼殘留強(qiáng)度高）。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(chǎn)成本的10%（平均值）[1] 。優(yōu)質(zhì)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(dāng)今國內(nèi)外精鑄界共同關(guān)心，重點(diǎn)研究的課題之一。
“快干”硅溶膠的推廣應(yīng)用和真空干燥設(shè)備的逐步完善，緩解了制殼周期長的缺點(diǎn)。由于硅溶膠型殼高溫強(qiáng)度高（是水玻璃型殼的6.7倍），其相應(yīng)的殘留強(qiáng)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(chǎn)的精鑄件是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中小件，型殼殘留強(qiáng)度高會嚴(yán)重影響后處理工序生產(chǎn)效率和增加材料工時(shí)成本、降低鑄件表面質(zhì)量，延誤交貨期。
  我們通過學(xué)習(xí)國內(nèi)外同行的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過多年的努力研究和實(shí)踐，在降低硅溶膠型殼生產(chǎn)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(dá)到拋磚引玉的目的。

二. 表面層制殼工藝的改進(jìn)：
〈一〉. 鋯英石粉料的代用—
    長期以來鋯英石是全球精鑄業(yè)首選的型殼表面層耐火料。正如2007年美國精鑄學(xué)會（ICI）第54屆年會論文所言：“鋯英石與多種合金反應(yīng)低、密度高、熱化學(xué)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(zhì)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(diǎn)工藝改進(jìn)方向是：充分利用熔融石英純度高，雜質(zhì)少，密度和熱膨脹系數(shù)小，加上高溫“析晶”，低溫“相變”的特點(diǎn)，使型殼在高溫時(shí)保持高強(qiáng)度而在低溫時(shí)因相變產(chǎn)生劇烈收縮（-3.7%）致使型殼殘留強(qiáng)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(shù)改進(jìn)美國已有80%的精鑄企業(yè)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(dá)75%（按體積比86.8%，鋯粉僅占14.2%）[3]
2. 我們根據(jù)分析和試驗(yàn)證實(shí)其工藝改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)有兩方面：
a． 通過采用高致密度即優(yōu)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(xiàng)。以往進(jìn)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(nèi)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(zhì)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(shí)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(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐充分證明了上述結(jié)論。

從表一、二、三、四試驗(yàn)結(jié)果得出下列結(jié)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(yīng)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(chǎn)工藝要求。
2. 混合涂料用粉料粒度要求應(yīng)符合表五規(guī)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(chǎn)）。
    2.粒度判定以DV90，DV50及Wo%三項(xiàng)指標(biāo)為主要依據(jù)。DV98，DV84為參考指標(biāo)。
    3.無粒度檢測條件時(shí)，可將待測粉料與“標(biāo)準(zhǔn)”硅溶膠配制成“標(biāo)準(zhǔn)”涂料來判定粉料粒度大小及組成是否符合（表七）各項(xiàng)工藝性能指標(biāo)規(guī)定。

3. 砂粉料（鋯英石及熔融石英石）的物理化學(xué)性能要求：
⑴.鋯英石砂粉的物理性能應(yīng)符合“中國鑄造協(xié)會精密鑄造分會”標(biāo)準(zhǔn)CICBA/C02.09-1999規(guī)定，但應(yīng)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(zhì)（表九）。
⑵.熔融石英砂、粉，我國尚無精鑄業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，參考國外資料結(jié)合我國生產(chǎn)廠具體情況暫按表八驗(yàn)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(yán)格選用優(yōu)質(zhì)的粉料和合理進(jìn)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(shí)驗(yàn)證實(shí)：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(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：
       ⑴.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(shí)由于“分散劑”作用能使粉料“分散”不易“結(jié)團(tuán)”。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(nèi)（表七）。涂料的均勻性，懸浮性，涂掛性和流平性均有提高?！鞍褰Y(jié)”“老化”時(shí)間延長（穩(wěn)定性提高）。
       ⑵.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。
       ⑶.“分散劑”的作用原理是：高分子長鏈會形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使涂料中細(xì)粉質(zhì)點(diǎn)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(xì)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(wěn)定和提高鑄件（型殼）表面質(zhì)量和增加型殼透氣性有利。粉液比適當(dāng)減小，涂料成本也能降低，但應(yīng)控制在合格范圍內(nèi)（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(zhì)量）。其效果是由于“砂粒”的摻入，提高了面層型殼干燥時(shí)抗拉強(qiáng)度，硅溶膠在失水、干燥收縮時(shí)可防止面層型殼產(chǎn)生裂紋。這對于大平面或外表面積較大和鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)外壁干燥速度差別大的鑄件特別有效。長江廠生產(chǎn)的“容積器”壁厚5mm，凈重15kg，內(nèi)腔深200mm。過去表面層型殼須自干12小時(shí)以上，往往外表面已出現(xiàn)裂紋，鑄件60-80%出現(xiàn)“飛翅”或“流紋”（線性缺陷）。在表面層涂料中加砂后，多批生產(chǎn)260件，無一出現(xiàn)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(jī)底部及四周沉積。而加入密度大的鋯砂無此現(xiàn)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(dòng)性、流平性和均勻性。減少了由涂料在復(fù)雜型腔內(nèi)堆積而造成的“鐵豆”，穿鋼等缺陷。尤其可降低型殼開裂的風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)開裂的原理一樣。
       實(shí)踐證實(shí)，細(xì)砂在涂料中加入量未影響鑄件表面粗糙度。當(dāng)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(yīng)用。效果良好。

綜上實(shí)驗(yàn)及一年生產(chǎn)實(shí)踐關(guān)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(diǎn)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(qiáng)度（抗裂性）有所提高，硅溶膠在失水膠凝后的收縮應(yīng)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(fù)雜型腔內(nèi)外干燥不均勻的鑄件最有價(jià)值，可大大減少表面產(chǎn)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(zhì)量相應(yīng)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(chǎn)中表面層撒砂料消耗量和成本略高于粉料。美國精鑄業(yè)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(yè)用熔融石英粉或雷馬斯砂（相當(dāng)于我國的燒結(jié)鋁礬土）國內(nèi)精鑄廠已有許多工廠已在上產(chǎn)中批量投產(chǎn)試用優(yōu)質(zhì)的電熔白剛玉砂，完全取代了鋯英砂。實(shí)踐證明，只要選用純度高、雜質(zhì)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(qiáng)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(jìn)入復(fù)雜型腔、小孔、窄孔內(nèi)固定涂層。因而生產(chǎn)復(fù)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(yīng)用（碳鋼件，簡單件例外）。撒砂料的粒度應(yīng)符合表十四規(guī)定（參照CICA標(biāo)準(zhǔn)）測定，商品代號為80/120目的精鑄用砂，實(shí)際大多為100/200目。

撒砂粒度過粗易造成型殼“蟻孔”，鑄件產(chǎn)生“毛刺”缺陷。過細(xì)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(yīng)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(chǎn)工藝為：
     1.表面層制殼工藝—
         ①.涂料配比：鋯英粉70%+熔融石英粉30%，外加10%鋯英砂（占鋯粉質(zhì)量）
                  （300-400目）  (200-270目)
         ②.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(yàn)收。FeO則應(yīng)符合表九規(guī)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(biāo)準(zhǔn)。
     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(dá)到國外先進(jìn)工藝水平。
     5.據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jìn)后，型殼材料成本每月可降低2.3萬元，年節(jié)約達(dá)27萬元。

三．背層制殼材料的選用及工藝改進(jìn)：
(一)砂粉料合理選用：
硅溶膠型殼三大缺點(diǎn)之一是型殼殘留強(qiáng)度過高，鑄件脫殼性差。不僅與表面層或過渡層有關(guān)，還常和背層型殼耐火材料的合理選擇關(guān)系密切。背層型殼耐火砂、粉料雖在其單價(jià)成本比面層低得多(只有鋯英石的1/10以下)，但因?qū)訑?shù)多，每噸合格鑄件約須消耗1.2噸耐火料，因而其在生產(chǎn)成本中也占相當(dāng)大的比例，國內(nèi)不少精鑄企業(yè)在背層耐火料的選用上常將價(jià)格因素放在第一位，選購“價(jià)廉、質(zhì)次”的砂粉料，其后果往往是鑄件返修率、報(bào)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(chǎn)綜合成本往往高過耐火料差價(jià)，結(jié)果是得不償失。背層耐火料選購也應(yīng)以“高性價(jià)比”為宗旨才是上策，其中背層砂、粉料要特別注意以下幾項(xiàng)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：
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(qiáng)度和殘留強(qiáng)度的主要因素，我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中未見注明這一項(xiàng)重要指標(biāo)，型殼焙燒澆注時(shí)的漏裂、變形和殘留強(qiáng)度過高，脫殼困難均與此有關(guān)，不同生產(chǎn)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(shí)應(yīng)按表九(推薦值)進(jìn)行。
2．砂、粉料的煅燒應(yīng)以灼減(燒失量)W<0.5%為驗(yàn)收依據(jù)，但很少企業(yè)在進(jìn)料時(shí)檢測其W%值，煅燒不完全也是造成型殼變形、開裂和殘留強(qiáng)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)中也未見標(biāo)注)，其中水鋁石含量(或高嶺石含量)是驗(yàn)收判別高嶺石和低等鋁礬土的主要指標(biāo)之一(化學(xué)成分Al2O3等相近)(表十六)。

4．回用型殼的應(yīng)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(jīng)過多年的探討試用，國內(nèi)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(jīng)過高溫焙燒和澆注型殼煅燒完全(灼減量W<0.3%)，而且經(jīng)權(quán)威單位檢測回收砂粉中鋯英石含量高達(dá)14%左右，只要通過多次強(qiáng)磁除鐵(去除FeO%磁性物)，F(xiàn)eO%可達(dá)到表九要求。
加之篩分除灰分(砂料)及過篩達(dá)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(xù)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(huán)利用，降本增利的有效途徑，各廠應(yīng)根據(jù)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(jìn)：
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(jìn)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(qiáng)度前提下盡可能降低型殼殘留強(qiáng)度。
自2013年五月份起，通過多次反復(fù)試制，小批投產(chǎn)，目前已正式批量生產(chǎn)應(yīng)用，主要工藝要點(diǎn)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(shí)(鋼丸)，再由用人工用震動(dòng)鎬夾持鋼筋掏、挖彎孔存砂，清理十分困難?，F(xiàn)改用新工藝背層涂料后，型殼高溫強(qiáng)度正常，殘留強(qiáng)度大幅下降，震殼時(shí)一分鐘內(nèi)彎孔砂殼全部震出，再經(jīng)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(yīng)提高了除殼效果，生產(chǎn)15kg的容積器也未見型殼漏裂、制殼層數(shù)如常，尺寸精度未有變化，目前已全面投產(chǎn)，背層耐火料成本降低了1/2，脫殼生產(chǎn)效率大大提高。

四．結(jié)束語：
1．合理選用制殼耐火料是硅溶膠型殼工藝改進(jìn)及穩(wěn)定和提高鑄件質(zhì)量的基礎(chǔ)，“高性價(jià)比”是采購的基本原則。
2．表面層型殼工藝改進(jìn)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(jìn)的主流方案。
3．實(shí)踐證明：用優(yōu)質(zhì)精鑄用電熔白剛玉砂代替鋯砂是性價(jià)比較高的舉措，也是我國精鑄業(yè)的創(chuàng)新，值得推廣應(yīng)用。
4．生產(chǎn)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(xiàn)“結(jié)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(yīng)根據(jù)工廠產(chǎn)品鑄件大小，凈重在保證型殼強(qiáng)度的前提下降低型殼殘留強(qiáng)度，調(diào)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(shù)的匹配，防止型殼開裂或鑄件尺寸變化。