摘 要：通過覆膜砂原砂選型與級配、覆膜工藝優(yōu)化，結(jié)合排渣排氣澆注系統(tǒng)設(shè)計、模具制造技術(shù)、澆注溫度和澆注速度控制，生產(chǎn)精密鑄鋼件、不銹鋼件，表面、內(nèi)部質(zhì)量均能達到熔模精密鑄件水平，廢砂可全部回收，既解決了環(huán)保問題，又縮短工序提高品質(zhì)，現(xiàn)該工藝已批量穩(wěn)定化應(yīng)用。
熔模鑄造工藝應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)有近一個世紀的發(fā)展歷史，它作為一種近凈成形的制造工藝，在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度和表面要求高的精密鑄件，特別是高熔煉溫度、高化學(xué)活性金屬的成形中起著無法替代的作用，目前利用熔模鑄造工藝主要生產(chǎn)各種牌號精密鑄鋼件產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品特性要求不同，熔模精鑄生產(chǎn)工藝一般分為兩類，一類是硅溶膠制殼工藝，采用硅熔膠作為黏結(jié)劑，制殼后蒸汽脫蠟，型殼高溫焙燒后澆注，主要用于生產(chǎn)不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金等材質(zhì)高端產(chǎn)品；另一類是水玻璃制殼工藝，采用水玻璃作為黏結(jié)劑，制殼時需要用氯化鋁或氯化銨化學(xué)硬化，制殼后熱水脫蠟，型殼高溫焙燒后澆注，主要生產(chǎn)碳鋼、低合金鋼材質(zhì)的汽車或機械類產(chǎn)品。該兩種熔模精鑄工藝都有一定污染物或氣體排放，尤其是水玻璃制殼工藝，廢水、廢氣、廢砂、粉塵等環(huán)保指標(biāo)很難達到，造成近兩年以來鑄造行業(yè)成為環(huán)保部門屢次檢查的重點，熔模鑄造工藝也面臨下一步如何發(fā)展的問題。
在此背景之下，用覆膜砂工藝生產(chǎn)鑄鋼件產(chǎn)品被提上了日程，歷史上覆膜砂工藝因耐高溫沖擊性差多用來生產(chǎn)鑄鐵件產(chǎn)品。我國研究應(yīng)用覆膜砂開始于20世紀50年代，直至80年代中期只有幾家工廠采用自制的覆膜砂用于殼芯生產(chǎn)。自此以后，覆膜砂開始作為商品推向市場，隨著原材料、制造設(shè)備和制造工藝的不斷改進，覆膜砂品質(zhì)也不斷得到提高，生產(chǎn)成本下降，90年代以來，覆膜砂的應(yīng)用得到了更迅速的發(fā)展，產(chǎn)品種類不斷增多，并已形成系列化。目前，我國鑄造用覆膜砂年產(chǎn)量已達50萬t以上，共有專業(yè)生產(chǎn)廠家近百家。隨著我國隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和機械產(chǎn)品外貿(mào)出口需要，以及鑄件國際市場的開發(fā)，對鑄件品質(zhì)的要求越來越高，覆膜砂的應(yīng)用將會在短期內(nèi)得到迅速增長，這類覆膜砂用于生產(chǎn)各種鑄鐵產(chǎn)品，已經(jīng)非常成熟，而且產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于普通砂鑄，得到了非常廣泛的應(yīng)用。
熔模鑄造工藝和精鑄覆膜砂殼型工藝兩種工藝流程分別如圖1、圖2所示。
本文重點是介紹精鑄覆膜砂殼型工藝，來代替熔模鑄造工藝生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄鋼件，所以普通的覆膜砂是無法達到這個要求，而是需要從覆膜砂原材料的選擇、覆膜工藝來保證覆膜砂質(zhì)量，同時設(shè)計合適的澆注系統(tǒng)、制作合適的模具、選用合適的制芯設(shè)備來保證制出緊實致密的殼型，再選擇合適的澆注溫度和澆注速度來澆注形成鑄件，即可以達到熔模精鑄件的表面質(zhì)量，而且殼型配合專用涂料可以生產(chǎn)合金鋼和不銹鋼產(chǎn)品。
1、覆膜砂原材料的選擇
覆膜砂一般是由骨料、黏結(jié)劑、固化劑、潤滑劑和特殊添加劑組成。
1.1 骨料
骨料是構(gòu)成覆膜砂的主體。對骨料的要求是：耐火度高、揮發(fā)物少、顆粒較圓整并自身強度高等。一般選用天然擦洗硅砂，這主要是由于其儲量豐富，價格便宜，能滿足鑄造要求。而用于鑄鋼件精鑄覆膜砂的骨料對硅砂有更高的要求，具體要求如下：
（1）硅砂SO2含量高，要求含量≥98%；
（2）含泥量低，要求含泥量≤0.2%；
（3）粒形圓整，盡可能選擇圓整性好的硅砂，角形因數(shù)要求≤1.2；
（4）粒度分布宜采用3～5篩分散度；
（5）AFS細度：應(yīng)根據(jù)鑄件表面粗糙度要求來選定不同的細度，一般為AFS50～65；
（6）P H值控制范圍4～7；
（7）采購原硅砂需要特殊處理，保證達到用于精鑄覆膜砂骨料對硅砂的要求。
圖1 熔模鑄造工藝流程（周期4-7天）
圖2 精鑄覆膜砂殼型工藝流程（周期2天）
1.2 黏結(jié)劑
酚醛類樹脂是普遍采用的黏結(jié)劑，它有固體和液體、熱固性和熱塑性之分，目前制作覆膜砂通常采用的是熱塑性固態(tài)酚醛樹脂，對基常規(guī)性能要求如下：
（1）聚合速度（熱板法）：25～27s；
（2）軟化點（環(huán)球法）：90～105℃；
（3）流動性（斜板法）：60～110mm；
（4）游離酚含量（溴化法）：≤4%。
黏結(jié)劑的性能對覆膜砂的品質(zhì)有很大的影響，應(yīng)用于生產(chǎn)鑄鋼件的精鑄覆膜砂必須選用專用改性酚醛樹脂，具有高強度、低發(fā)氣量、延遲發(fā)氣時間、耐高溫沖刷、易潰散等特殊性能，只有這種樹脂才能滿足生產(chǎn)鑄鋼件產(chǎn)品要求。
1.3 固化劑、潤滑劑、添加劑
固化劑通常采用烏洛托品即六亞甲基四胺，分子式為（CH2）6N4，要求為工業(yè)一級品。潤滑劑一般采用硬脂酸鈣，其作用是防止覆膜砂結(jié)塊，增加流動性，使型、芯表面致密及改善砂型（芯）的脫模性。添加劑的主要作用是改善覆膜砂的性能，尤其是用于鑄鋼件的覆膜砂，添加劑作用尤其重要，目前采用的添加劑主要有：耐高溫添加劑（如含碳材料或其他惰性材料）、易貴散添加劑（如二氧化錳、重鉻酸鉀、高錳酸鉀、已內(nèi)酰胺等）、增強增韌添加劑（如超短玻璃纖維材料、有機硅烷KH-550等）以及防粘砂添加劑和抗老化添加劑等等。
2、覆膜工藝
決定覆膜砂的性能除原材料外，就是熱覆膜工藝裝備，我公司采用全自動智能控制覆膜砂生產(chǎn)線，其中德國WEBAC-30HP高速擺輪式混砂機是全套覆膜砂生產(chǎn)設(shè)備的重要組成部分，它的特點是：混砂速度快、覆膜均勻、操作方便、安全，該機采用快速雙擺輪結(jié)構(gòu)，底部中央有強力鼓風(fēng)冷卻系統(tǒng)，在覆膜過程中，通過一對主刮板、一對底刮板和雙擺輪的調(diào)整旋轉(zhuǎn)，使集聚在桶壁附近的砂粒和樹脂產(chǎn)生一種向上的懸浮狀態(tài)，懸浮砂團高度超過規(guī)定時，由桶壁上的壓板向下?lián)Q向，同時由擺輪碾向桶壁，經(jīng)側(cè)刮板刮下，再經(jīng)底板向上拋起，不斷重復(fù)這一過程，實現(xiàn)樹脂混合物對砂粒的均勻覆膜，同時不會粘結(jié)成緊實的砂團，在混砂過程中，通過高壓風(fēng)冷卻，使覆膜砂很快降溫。
覆膜砂覆膜工藝有冷法、溫法和熱法三種，為保證覆膜砂性能及連續(xù)大批量生產(chǎn)，我公司采用熱法覆膜工藝，有專用覆膜砂生產(chǎn)線，加料、溫控實現(xiàn)自動控制，用于生產(chǎn)鑄鋼的覆膜砂性能遠遠高于普通覆膜砂，具體性能要求如表1所示。
表1 精鑄覆膜砂性能參數(shù)
澆注系統(tǒng)的作用主要是充填金屬液，并對鑄件凝固時進行補縮，防止產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，一般由澆口杯、直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口組成，必要時配備單獨冒口。對于鑄鋼件產(chǎn)品，因其凝固過程中收縮比例較大，一般在2%以上，所以澆注系統(tǒng)設(shè)計尤其重要。熔模精鑄工藝由于制殼方式的限制，加上澆注時熱殼澆注，它的澆注系統(tǒng)相對比較簡單，主要由澆口杯、直澆道、內(nèi)澆口組成，多數(shù)產(chǎn)品不用特意考慮排渣排氣系統(tǒng)設(shè)計，殼型澆注系統(tǒng)作用和要求如下：
（1）殼型澆注系統(tǒng)主要由直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口、冒口、排氣孔等組成，主要作用為液態(tài)金屬充填、補縮、排氣；
（2）澆注系統(tǒng)應(yīng)有一定強度，在澆注時能支撐起型殼；
（3）澆注系統(tǒng)應(yīng)力求簡化，去除時操作方便，生產(chǎn)效率高（如錘擊落件）；
（4）在保證鑄件補縮質(zhì)量前提下，盡量減小澆注系統(tǒng)重量，提高鑄件工藝出品率；----平均出品率達70%；
（5）鑄鋼件單獨冒口作用稍差，一般澆道通過冒口時作用明顯；
（6）澆注系統(tǒng)應(yīng)能控制鑄件凝固時的溫度分布，實現(xiàn)順序凝固，減少或消除鑄件縮孔、縮松、裂紋、變形等缺陷。
圖3 精鑄覆膜砂殼型工藝帶排氣孔澆注系統(tǒng)
圖4 典型制芯機兩種結(jié)構(gòu)
精鑄覆膜砂殼型工藝澆注系統(tǒng)作用和要求與熔模精鑄工藝是相同的，但它又有著特殊要求，它屬冷殼澆注，鑄鋼液態(tài)時流動性比鑄鐵相比較差，再加上覆膜砂遇到高溫金屬液時燃燒發(fā)氣，必須考慮澆注時型腔內(nèi)氣體的流向，即排氣系統(tǒng)設(shè)計，典型澆注系統(tǒng)如圖3所示。
4、模具制造技術(shù)和制芯工藝
覆膜砂砂殼（芯）質(zhì)量好壞直接由模具和制芯工藝決定的，它直接影響鑄件表面質(zhì)量。模具一般由型腔、排氣道、射砂道、頂桿、加熱管組成，模具排氣系統(tǒng)設(shè)計決定制作砂芯的緊實度和致密程度，砂芯越致密，鑄件表面質(zhì)量越好，模具和制芯機優(yōu)先選用雙邊射砂工藝，這樣砂芯致密性較好。
典型制芯機如圖4所示，主要是兩種，一種是上下開型、雙邊射砂，另一種是左右開型、上方射砂，無論是哪種制芯機，模具溫度合適，合箱必須壓緊，射砂壓力必須足夠，才能保證砂芯致密性。
澆注鑄鋼的覆膜砂砂殼，尤其是澆注不銹鋼，型腔表面必須噴涂專用涂料，提高砂殼表面粗糙度，保證鑄件表面質(zhì)量，如圖5所示。
圖5 合格砂芯與噴涂料后砂芯
5、熔化和澆注工藝控制
熔化工序重點控制原材料質(zhì)量，要求廢鋼無銹蝕，回爐料拋丸后使用，控制原材料中雜質(zhì)元素含量，防止某些元素和覆膜砂中的樹脂反應(yīng)，造成鑄件表面密集性氣孔。
澆注工藝控制與熔模鑄造差異較大，澆注溫度必須嚴格控制，一般鑄件控制1560～1580℃，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)適當(dāng)調(diào)整具體溫度，如圖6所示。如果溫度偏高，由于覆膜砂高溫耐沖刷性有限，造成局部橘皮、粘砂等缺陷；如果溫度偏低，則會造成冷隔、澆不足等缺陷，所以澆注溫度需要嚴格控制。另外澆注速度直接影響氣孔缺陷產(chǎn)生，澆注時覆膜砂中樹脂燃燒產(chǎn)生氣體，氣體在澆注過程中通過排氣系統(tǒng)要排出型腔，澆注速度要低于熔模工藝，但也不能過慢，澆注過慢，造成鋼水溫度偏低。典型產(chǎn)品如圖7。
圖6 精鑄覆膜砂殼型工藝澆注效果
6、小結(jié)
采用精鑄覆膜砂殼型工藝替代熔模鑄造生產(chǎn)鑄鋼件，從精密鑄造發(fā)展來看是一種趨勢，它與熔模鑄造工藝相比，有著較大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾方面：
（1）生產(chǎn)周期縮短一半，勞動強度降低40%，效率提升30%；
（2）覆膜砂材料澆注后回收利用，取消了脫蠟、蠟處理、焙燒工序，消除酸水、酸霧排放，污染物排放減少80%；
（3）鑄件變形量偏小，校正效率提高50%，同時加入冷鐵應(yīng)用，工藝出品率提高近10個百分點；
（4）與熔模鑄造工藝相比，每噸鑄件綜合成本可降低1,000～1,500元。
將精鑄覆膜砂殼型工藝用于生產(chǎn)鑄鋼件產(chǎn)品，雖然優(yōu)勢明顯，但也存在短板，過于復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，由于砂芯多，產(chǎn)生飛邊打磨量大，同時覆膜砂澆注后仍有部分異味，所以下模具技術(shù)提升和無氣味覆膜砂研發(fā)將是重點方向。
參考文獻
[1] 李遠才，覆膜砂及制型（芯）技術(shù).機械工業(yè)出版社，2008.
[2] 張秀亮，李義德，覆膜砂在低合金鋼箱體鑄件中的應(yīng)用.鑄造設(shè)備研究，2002（10）：40-50.
[3] 段連祥，鋯砂覆膜砂生產(chǎn)中小型鑄鋼件工藝的研究與實踐.機車車輛工藝，2007（3）：4-6.
[4] 金永錫，殼型鑄造用覆膜砂若干技術(shù)問題探討.現(xiàn)代鑄鐵，2007（1）：63-65
