覆膜砂在硅溶胶熔模铸造中的应用

        以硅溶胶作为粘结剂的熔模铸造制壳工艺已经得到了广泛运用，但在生产弯曲型腔结构的管、阀类产品时，内腔型砂难以去除。利用覆膜砂的特点，结合硅溶胶制壳的特点，可以使弯曲型腔结构铸件内部的型砂更容易去除。

1、弯曲型腔类产品清砂难点

以弯曲型腔结构产品异径管三通为例(见图1)，产品内腔呈弯曲状，且出口端(A处)直径逐渐缩小。采用硅溶胶制壳工艺制得的型壳强度高。因为该产品内腔为异形圆滑过渡管状，制壳后其内腔形成管状或实心状的耐火材料层(见图2)，铸件浇注后，内腔散热条件非常差，形成过热点，造成型壳被烧结成玻璃状粘结在铸件内腔，型壳溃散性差。铸件冷却过程中冷却收缩时产生的应力更无法促使形成的管状或实心状耐火涂料层破裂，这就给产品内腔的后期清砂造成非常大的困难。在清除此类产品内腔中的型砂时，通常采用碱煮(爆)、HF酸浸泡、高压水冲击、抛丸、人工敲凿等方式。

碱煮(爆)和HF酸浸泡都是对铸件上残留的附着型砂进行化学清理的一种方法，但都无法完全将此类产品内腔清除干净，导致产品存在“死角”，见图3。在抛丸处理时，高速运动的钢丸到达内腔“死角”，已经没有冲击作用，不能完全清除型砂。

通过分析产品的结构特点，要解决内腔残砂的清理问题，可从改进制壳工艺上入手，通过改善内腔形成的管状或实心状耐火涂料层的溃散性，就能达到解决问题的目的。

2、型壳内、外层强度分析

为了解弯管结构形成的型壳内、外层强度差异，制备壁厚为5 mm，长度为40 mm，内径分别为5、8、12、16、20 mm的圆管蜡模，按生产工艺进行挂砂，制作砂层分别为1～6层，并经过焙烧的型壳作为试样。采用抗弯强度试验仪在常温下对制作的5组试样进行型壳强度试验：加载至试样外层破裂为止，记录载荷值；清除破碎的试样外层，再对试样内层加载，直至破裂为止，记录载荷值。把试样内、外层破碎的载荷值之比近似地作为试样内、外层强度比进行分析，可以明显看出试样内层与外层的型壳强度(以下简称内、外层强度)有着明显的区别，结果见表1。通过数据可以看出，正常挂砂条件下，壳强度一般都大于外部形成型壳的强度，增大其溃散性，但是又不能使产品外部的型壳强度降低，也就意味着需要相对地降低内腔形成的管状型壳强度。根据这一思路，选用具有溃散性特点的耐火材料来制造型壳，从而降低内腔管状型壳的强度。

3、覆膜砂的特点与选择

覆膜砂具有以下特点:

①高强度、低发气、低膨胀性；

②溃散性好、紧实度高；

③不起层、热稳定性好、导热性好、流动性好；

④耐高温、抗粘砂性好。

覆膜砂添加剂的主要作用是改善覆膜砂的性能，要利用覆膜砂的溃散性来解决型壳清砂的问题，最主要的就是需要选用合适的覆膜砂。

选用覆膜砂需要考虑两方面的问题:

一是与制壳工艺的协调一致性；

二是能够达到易溃散的目的。

经过与覆膜砂制造厂家一起对覆膜砂溃散性的分析和研究，多次对比，最终确定了易溃散覆膜砂添加剂加入量的最佳范围。

4、两种工艺型壳强度比较

硅溶胶的制壳工艺中，第1层(面层)型壳直接接触金属液体，决定铸件的表面质量，一般为错英粉和错英砂；第3层及以后各层(背层)增强型壳的强度，一般为铝硅系耐火材料；第2层是过渡层，起到连结面层和背层的作用。所以第1层(面层)和第2层不宜加入覆膜砂，而此类型腔一般在挂第3层、第4层涂料时，内腔基本堵死，因此加挂覆膜砂最好在第3层后进行。制壳过程中，只对第3层和第4层加入覆膜砂，其他各层按照正常挂砂工艺进行。加挂覆膜砂的方案并不是对型壳所有部位都涂撒覆膜砂，而是有针对性地只对形成内腔的部位撒砂。这样做的目的主要是使型壳从制壳工艺上就让其内、外部形成“不一致”，破坏其型壳的完整性，为后期的型砂溃散创造条件。因为覆膜砂表面附着一层树脂，表面光洁，改变了原砂的颗粒形状，使得颗粒形状以圆形居多，这将会降低型壳的透气性，所以加挂覆膜砂时应单独配置涂料，涂料粘度比一般背层涂料少3-5s。

制壳过程加入涂挂覆膜砂层时对型壳内腔的干燥控制尤其重要，因为其干燥效果将直接影响型壳的常温和高温强度。加入覆膜砂层时的干燥时间以确保型壳得到充分干燥为原则，干燥间内温度和湿度必须严格控制。

为了验证加入覆膜砂后对型壳内、外层强度的影响，再次制备出相同尺寸和数量的试样，只是在第3层和第4层时加入覆膜砂。同样把试样内、外层破碎的载荷值比近似地作为试样内、外层强度比进行分析，可以看出其内、外层强度比有着比较明显的变化，数据见表2。

从表2中可以看出，涂挂覆膜砂后型壳内腔形成的管状型壳层强度与产品外部型壳层强度的差异非常明显。实际产品在制壳时加入覆膜砂，可以只在第3层涂挂，也可以在第4层涂挂，还可以第3层、第4层都涂挂，具体加入覆膜砂的方案应根据产品尺寸和结构来确定型壳层内、外层强度比明显下降，说明产品型壳内腔形成的管状型壳层的溃散性得到了有效改善。通过对连续20个批次的集尘器体、异径管三通各180件产品的实际生产表明，产品的内腔清砂难度下降，45%以上的产品通过震壳和抛丸后，内腔无残砂粘附；约50%的产品通过抛丸后内腔的粘砂基本清除干净；剩余的产品延长抛丸时间后内腔也可完全清除干净。

5、结语

弯曲型腔结构产品的硅溶胶熔模铸造工艺中，通过改变挂砂用耐火材料，制定相应的工艺，可以改善内、外型壳层的强度。应用合适性能要求的覆膜砂，可以改善硅溶胶熔模铸造工艺型壳层的溃散性，为型腔复杂精密铸造件的清砂问题提供了解决措施。