熔模铸造制壳工艺探讨

熔模铸造制壳工艺探讨

中温模具材料硅溶胶制壳工艺是目前国内外的主流工艺，用于精密铸件的生产。但面临着型壳生产周期长、表层型壳缺陷造成铸造缺陷的困境。提出面浆中添加抗裂剂、大风力干燥表面、面层采用大颗粒硅溶胶、第二层施工前取消预润湿、面层施工前除去硅溶胶等工艺措施，以提高面层壳的强度，减少面层壳的缺陷，缩短涂料的干燥时间，提高铸件的一次性合格率。熔模铸造中温蜡全硅溶胶型壳工艺适合生产表面粗糙度低、尺寸精度高的精密零件，已成为广泛应用的主流工艺。这种制壳工艺生产周期长，特别是表层壳的裂纹、起皮、鼓胀、分层等缺陷，造成铸件表面缺陷较多，阻碍批量生产和提高表面质量。表层型壳的质量是决定铸件表面质量和一次性合格率的关键。

1、制壳工艺的改进

1.1.在表面浆料中添加抗裂剂，硅溶胶壳形成的过程实际上是壳内部建立强度的过程。当涂层完全干燥并且硅溶胶凝胶完成时，涂层的湿强度就建立了。表层浆料中添加的抗裂剂是具有长键状分子形态的聚合物，对硅溶胶表面进行改性和保护，降低硅溶胶胶体的Zeta电极电位，减弱颗粒间的相互排斥力。在脱水凝胶过程中，由于聚合物分子链的缠结，促使硅溶胶胶束相互靠近，从而加快了凝胶速度。

1.2.待预湿处理表层壳充分干燥后，将组件在硅溶胶中浸泡一段时间，然后涂覆第二层壳。这是传统的硅溶胶预润湿处理工艺。预润湿的目的是增加表层硅溶胶的质量，从而提高表层的高温强度，防止许多因表层缺陷而引起的铸件表面缺陷。然而，预润湿的负面影响也不容忽视。首先，表层的干燥是通过在严格的温湿度环境条件下长时间的自然干燥来实现的。将干燥后的表层壳浸入稀硅溶胶（SiO2质量分数为25%）中，将整个表层润湿，恢复到表层干燥前涂层的初始状态。在现场控制中，二层的干燥时间往往比面层的干燥时间长得多。事实上，对于第二层外壳的干燥，不仅需要将第二层本身充分干燥，而且还需要将受潮的表层重新干燥。因此，延长第二层的干燥时间是不可避免的。其次，硅溶胶涂料在干燥硬化过程中，具有失水、胶凝硬化、湿凝胶重新溶解、软化等可逆物理变化的特点。预湿面层壳在再干燥过程中存在无法观测的变量，存在壳缺陷隐患。涂覆第二层之前的预润湿处理弊大于利，应予以改进。

改进思路和方法：第二层外壳一般称为过渡层。该层不仅起到表层的增强和保护作用，而且起到表层和背层之间的连接层的作用。它是防止表层硅溶胶溶解、防止表层壳缺陷具有特殊意义的关键层。第二层浆料可以是莫来石粉或刚玉粉。浆料粘度值控制在17-18秒之间（用4#詹森杯测得），甚至16-17秒。与用于预润湿的同类型耐火粉料的浆料相比，浆料的粘度值要低得多，这意味着浆料变得更稀。由于较薄的第二层浆料更容易渗透到面层壳中粒径较大的砂层中，因此不仅增加了面层砂的强度，而且为面层浆料层提供了强有力的支撑。第二层砂撒60-80目莫来石砂或60-80目刚玉砂。在干燥的表面环境下，吹气速度为4-6（米/秒）。如果产品结构不太复杂，无深孔，则第二层干燥时间应为≤8-10小时。但对背层进行预润湿处理是十分必要和可行的。

1.3.一些精密铸造厂家在模具表面层涂覆之前将模具浸入硅溶胶中，因为这样易于操作。笔者对此持否定态度。对模具材料有三个基本要求：热物理性能、力学性能、工艺性能。从工艺性能来看，良好的涂层性能与制壳密切相关，应予以追求。无论是蜡基模具还是树脂基模具，它们的共同特点是疏水性。树脂基模具的疏水性尤为突出，模具的涂层性能是根据熔模模具与粘合剂之间的接触角度来考虑的。水玻璃粘结剂表面张力为60（10-3N/cm），水玻璃+非离子润湿剂表面张力为37（10-3N/cm）。硅溶胶粘合剂表面张力为71.6（10-3N/cm），硅溶胶粘合剂+非离子润湿剂表面张力为36（10-3N/cm）。需要强调的是，水玻璃和硅溶胶都是水溶性粘结剂，按质量计含有相当量的水，熔体模具的疏水性突出。显然，润湿剂在降低粘结剂的表面张力方面发挥着重要作用。润湿机理是在表层硅溶胶浆料中添加非离子表面活性剂后，亲油基团的一端被熔体吸引而定向排列，而亲水基团则被水分子吸引而停留在熔体的一端。浆料界面，形成由表面活性剂分子组成的单分子层，从而降低浆料与熔体之间的界面张力，使浆料与熔体结合，达到良好的涂覆性能。根据以上分析可以得出，模块中使用硅溶胶并没有改善硅溶胶浆料与熔模模具之间的润湿效果。反之，会降低浆料的局部粘度值。熔模模具上的硅溶胶与面层浆料接触后，仍需依靠面层浆料中的润湿剂与熔模模具产生亲和力。感觉操作很简单，但只是局部浆料瞬间变稀，流动性更好。涂料性能的提高不是通过硅溶胶实现的，而是通过润湿剂的润滑来实现的。生产实践证明，粉液比为3.3-3.4:1的面浆，润湿剂的适宜用量为0.04-0.042%。计算方法如下：润湿剂%=润湿剂质量分数/(硅溶胶质量分数+粉体质量分数)*100%。

1.4.应用于表层硅溶胶的大胶体硅溶胶的理化指标不仅关注SiO2的质量分数、pH值、运动粘度，还关注胶体颗粒的直径，俗称硅溶胶的粒径，这是我们非常关心的一个参数。 SiO2含量决定了壳的强度，pH值决定了浆料的稳定性，运动粘度决定了粉液比，颗粒大小既决定了浆料的稳定性，又决定了壳的强度。对于橡胶颗粒，一般认为粒径越大，浆料稳定性越好，粒径越小，胶凝速度越快。所以多年来国内大部分厂家都倾向于面层采用小粒径，背层采用大粒径，笔者对此持不同看法。国内生产的硅胶平均粒径为8-20nm至8-15nm，而美国为12nm、22nm。在日本，830为8nm，1430为14nm。以日本硅溶胶在国内精铸厂家的应用为例，1430主要用于表层，830用于背层。据资料显示，日本大多数精密铸造厂也是按照这个粒度进行混合和应用的。对于表层浆料，前提是首先要考虑浆料的稳定性，因为表层浆料直接决定铸件的表面质量。从这个意义上说，表层使用大胶体硅溶胶是正确的。至于胶凝时间的快慢，大颗粒和小颗粒的差异可以忽略不计，可以忽略不计。对于硅溶胶胶体颗粒粒径大、壳强度低的问题，理论与实际生产控制存在偏差，国内外的应用情况恰恰相反。从表层自然干燥到吹干，国内精铸厂家在工艺规程中已不再严格规定背层使用大颗粒硅溶胶，表层使用小颗粒硅溶胶。目前，表层使用大颗粒硅溶胶的厂家越来越多，并且有不再局限于表层使用小颗粒硅溶胶的趋势。

2、结论与讨论

2.1.在面层浆料中添加抗裂剂并风干，可以克服面层壳的缺陷，缩短干燥时间，显着提高一次合格率。

2.2.涂覆第二层之前的预润湿过程弊大于利。降低第二层浆料的粘度值可以为表层提供保护和强化，有利于消除表层外壳的隐藏缺陷。

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