大型不锈钢铸件: 制壳工艺分析

我的大部分工作生涯都是在精密铸造壳室度过的.

我见过在干燥室中看起来很完美的外壳在高压灭菌器中却失败了; 我见过便宜的硅酸钠壳在报价上省了钱，却在废品中损失了两次.

我还看到一条控制良好的硅溶胶生产线生产出大型不锈钢铸件，客户在喷丸后几乎不需要接触这些铸件.

适用于大型不锈钢铸件, 外壳不属于周边消耗品. 是尺寸精度的基础, 表面质量, 和产量.

在中国精密铸造行业, 四种制壳路线被广泛使用:

• 一个. 水玻璃壳
• b. 复合外壳
• c. 硅溶胶壳低温蜡
• d. 中温蜡硅溶胶壳

前三种路线一般采用低温蜡模. 从铸件质量的角度来看, 硅酸钠是最弱的; 中间为复合材料和硅溶胶-低温蜡; 硅溶胶-中温蜡效果最佳.

从外壳成本的角度来看, 硅酸钠是最便宜的, 而硅溶胶-中温蜡是最贵的.

本文从铸造工程师的角度对这四种路线进行了比较——而不是目录.

1. 为什么制壳对于大型不锈钢铸件很重要

陶瓷壳既充当阴模又充当熔融金属的结构容器.

其性能直接影响表面质量, 维度的准确性, 内部声音, 和成品铸件的产量.

适用于大型不锈钢部件, 值得特别关注的五个外壳特性.

高温强度和抗蠕变性

不锈钢一般是在比较高的温度下浇注的, 取决于合金牌号, 铸造几何形状, 和铸造实践.

陶瓷壳在预热过程中必须保持足够的机械强度, 浇注, 和凝固.

高温强度不足的外壳可能会在熔融金属的重量下变形.

这可能会导致尺寸偏差, 壁厚不均匀, 局部膨出, 或关键加工表面变形.

抗蠕变性同样重要. 陶瓷壳在高温下承受持续负载, 即使没有立即发生断裂，它们的变形行为也会影响尺寸精度.

这是硅溶胶粘结型壳在要求较高的大型铸造应用中通常比硅酸钠粘结型壳表现更好的原因之一.

渗透性和气体排出

浇注时, 当熔融金属填充外壳时，模具型腔内的空气和其他气体必须逸出.

水分, 残蜡, 粘合剂分解产物也会导致与气体相关的缺陷.

如果外壳渗透性不足, 气体可能会被困住并导致孔隙率, 气孔, 或不完整的填充.

薄壁型材, 狭窄的通道, 复杂的叶轮几何形状对这些条件特别敏感.

渗透率取决于几个因素:

• 耐火材料粒度分布和颗粒形状.
• 面层厚度和壳层数.
• 粘合剂含量和粉液比.
• 干燥和烧成条件.
• 残留蜡的存在, 水分, 或其他污染物.

高质量的外壳必须在强度和透气性之间提供适当的平衡.

增加粘合剂含量或产生过于致密的表面涂层可以改善外壳完整性的某些方面，同时限制气体排出.

表面饰面和尺寸精度

面层直接接触熔融不锈钢，很大程度上决定铸态表面状况.

其耐火质量, 颗粒分布, 润湿行为, 对金属模具反应的抵抗力影响表面粗糙度和缺陷形成.

用于高精度 投资铸件, 原始技术比较中引用了 Ra 0.8–4.3 μm 左右的表面粗糙度和尺寸公差等级 CT3–CT5，以满足高要求的应用.

这些数字应被理解为依赖于流程的基准，而不是普遍保证, 特别适用于大型铸件.

表面要求不高的中型和大型不锈钢铸件可能无法证明中温蜡和硅溶胶壳系统的额外成本是合理的.

在这种情况下, 低温蜡或复合壳工艺可提供更好的整体经济效益.

抗热震性和外壳完整性

大型铸件对壳体施加巨大的热负荷. 受热不均匀, 残留水分, 干燥不足, 快速脱蜡, 不适当的烧成条件会产生热应力.

外壳破裂会导致金属穿透, 鳍, 维度缺陷, 或完全铸造废品.

对于重型部件, 修理或更换出现故障的外壳也会浪费大量劳动力, 活力, 和生产时间.

因此，稳健的制壳工艺需要受控干燥, 均匀射击, 适用的耐火材料, 以及与铸件的质量和几何形状相匹配的壳体厚度.

生产成本和交货时间

制壳工艺影响的不仅仅是陶瓷材料的直接成本.

它还决定了劳动力需求, 设备投资, 能源消耗, 占地面积利用率, 以及释放模型组件以进行浇注所需的时间.

对于重达数十公斤的大型叶轮或阀体, 节省少量耐火材料但需要额外几天干燥的工艺可能并不经济.

反过来, 当优质外壳系统具有较高的尺寸精度和较低的废品率，可显着降低下游加工和质量成本时，该系统可能是合理的.

因此，最经济的工艺是以最低的总制造成本提供所需的铸件质量的工艺, 不一定是外壳材料成本最低的.

2. 四种制壳工艺概述

这四种工艺的主要区别在于粘合剂化学成分, 面层耐火材料, 备用壳结构, 蜡模要求, 和生产控制.

3. 水玻璃壳: 便宜的, 已证实, 但质量有限

水玻璃制壳 已有近近年的生产历史 60 年 在中国. 仍占约 70% 中国精密铸造厂数量.

这并不是因为它生产出最好的铸件. 正是因为它便宜, 快速地, 和宽容.

几十年来, 备用耐火材料和新型硬化剂的改进使外壳强度提高了一倍以上.

铸造加工性, 维度的准确性, 且产量有所提高. 水玻璃型壳仍占有较大市场份额，并在批量出口订单中替代了部分海外砂型铸件.

优点是实实在在的: 低成本, 生产周期短, 良好的淘汰行为, 和高渗透性. 在这些方面，没有其他壳工艺可与硅酸钠相媲美.

但铸造质量——表面粗糙度, 缺陷数, 维度的准确性, 屈服, 和失败率——比其他三种路线差.

核心问题

根本的弱点是粘合剂本身. 硅酸钠含有高含量的 氧化钠.

其高温强度和抗蠕变性能远低于硅溶胶壳，仅约 1/30 到 1/60 硅溶胶的.

因为这, 许多代工厂使用低成本, 背衬层采用粒度级配较差的低品位石英砂和面粉.

硬化剂仍然主要限于 氯化铵. 在那些条件下, 高质量的精密铸件根本无法实现.

第二个问题是过程控制. 不同批次的外壳生产差异很大. 许多车间缺乏对工艺参数的严格控制.

硬化剂有腐蚀性, 除尘设备经常磨损, 很少有车间有温度-, 湿度-, 和粉尘控制环境.

涂层准备, 硬化, 烘干, 脱蜡很少按照行业操作标准——粘度进行控制, 比重, 固化剂浓度, 和 pH 值未按计划进行检查.

干燥-室温, 湿度, 和空气速度常常不受控制. 因此, 高的- 或低温天气和潮湿季节会产生批次废品.

换句话说, 许多工厂仍停留在手工作坊水平, 依靠经验而不是科学的质量控制.

这是水玻璃铸件质量不稳定的一个重要原因, 高拒绝率, 以及几十年来的高故障率.

改进方向

第一的, 用高纯二氧化硅微粉替代普通低档石英砂粉, 例如脉石英.

使用 双峰粒度分布 圆形石英粉制备面漆浆料.

这提高了面壳的热化学稳定性并允许高粉液比.

在一个生产示例中, 与硅酸钠 模量 3.4 和 密度 1.28 g/cm³, 粉液比达到 2.7.

湿式球磨后, 单槽沉降, 磁选, 和去离子水处理, 圆形的, 双峰, 高纯度粉末的性能优于人工混合粉末.

第二, 完善现场质量控制并遵循国家标准. 分离涂层, 粉刷, 和来自外壳干燥室的硬化区域.

控制成型前的温度和湿度; 提高后者的除尘和防腐能力. 稳定外壳质量并改善工作环境.

第三, 将第一层和第二层方解石-硅酸钠壳替换为 方解石-硅溶胶 面层和过渡层, 完全消除表面层和过渡层中的硅酸钠和氯化铵硬化剂.

成本计算显示铸造成本仅增加 0.46 元/公斤, 而制壳周期仍与硅酸钠壳相当.

4. 带低温蜡的硅溶胶壳: 务实的中间路线

硅溶胶-低温蜡路线非常适合中国市场.

它特别适用于铸件周围 1 公斤, 尤其是周围 5 公斤 及以上——中重型铸件——它比中温蜡提供更大的灵活性和优势.

适用于大多数中型和大型铸件, 表面粗糙度, 维度的准确性, 并且公差要求不是极高.

无需使用高熔点中温蜡. 中温蜡需要高压注蜡——以上 6–7 兆帕—或液体蜡注射.

这意味着大量的设备投资. 厚的, 重中温蜡模容易出现收缩, 形变, 且成本较高.

低温蜡易成型, 需要简单的设备, 且蜡模粗糙度差异不大.

与复合材料壳体相比, 这条路线质量更稳定, 特别是尺寸精度. 它不含硅酸钠, 因此外壳具有良好的耐高温性能.

烧结后约 1,500°C, 外壳渗透性高，抗蠕变能力强.

可用于薄壁零件和复杂的中大型零件, 也适用于重型零件 60–100公斤—泵壳, 叶轮, 导水壳, 泵主体, 阀体, 和类似的组件.

适用于厚壁中大型或重型零件, 叉壳或升降壳直接在炉前浇注可实现高产量.

问题

第一的, 因为使用的是低温蜡, 大多数贝壳在水中脱蜡.

皂化残渣不可避免地进入型壳内，尤其是复合型和水玻璃型壳在同一水箱中脱蜡时，会造成表面夹杂物，故障率稍高. 这是主要弱点.

第二, 制壳周期长是最大的缺点. 适用于带有深孔或深槽的重型零件, 每层可能需要 24–47小时 干燥的.

一个 60 kg 双通道叶轮 通常需要 10–15 天 贝壳制作的. 任何未干燥的盲区都会导致水脱蜡时硅溶胶重新溶解并导致外壳裂纹.

第三, 成本约为 5 次 硅酸钠壳的大约 6,000 元/吨铸件 用于贝壳制作——以及 18% 更高 比复合材料壳. 因此铸造成本相对较高.

改进方向

避免因低温蜡加工不完全以及与复合或水玻璃壳共用同一热水箱而产生皂化夹杂物, 使用 蒸汽脱蜡 在 0.3–0.5兆帕 和 130–140°C 代替水脱蜡.

这避免了皂化夹杂物和壳破裂.

如果使用热水脱蜡, 添加 1–3%体积工业盐酸 到水, 脱蜡后用含酸热水冲洗贝壳，以减少皂化残留物.

请勿与水玻璃或复合外壳共用同一罐体. 单独换水或脱蜡，减少皂化物进入外壳.

用于再生蜡处理, 使用 3–5%（体积）硫酸 在沸水中, 有足够的沸腾和沉降时间.

冬天, 硬水温度低, 硅酸钠和复合贝壳含有较多的Na2O, 而且蜡皂化比较严重.

向再生蜡中添加更多的硫酸. 蜡处理后, 立即添加聚醚也很重要.

缩短制壳周期, 使用 快干硅溶胶. 这个过程正在日趋成熟. 每层干燥时间可缩短约 一半.

对于大型零件, 除了最后一层之外的每一层只需要大约 3 小时. 制壳时间可以缩短 62 小时到 24 小时.

适用于中型重型零件, 减少量约为 60% 与传统硅溶胶相比.

市场价格仅为 20–30% 高, 并且可以通过减少占地面积来收回溢价, 热量消耗, 和更高的产量. 快干硅溶胶是硅溶胶壳改革的必然方向.

降低成本, 最有效的途径是用锆石替代 熔融石英或合成石英 用于面层耐火材料. 锆石约占 65% 硅溶胶壳总成本.

用方解石或石英代替锆石可降低外壳成本 6,000 元/吨铸件至 2,210 元/吨, 一个 55.8% 减少. 适用于中型重型零件, 熔融石英砂/粉正在逐渐取代锆英石砂/粉.

5. 中温蜡硅溶胶壳: 质量基准

硅溶胶-中温蜡是国际通用的精密铸造路线. 它提供了最好的铸件质量和最低的故障率.

特别适用于表面粗糙度要求高的中大型、特大型零件——Ra 0.8–4.3—以及高尺寸精度—CT3-CT5.

由于设备和成本限制, 然而, 它很少用于中型重型零件 5–100公斤 范围.

问题

第一的, 成本. 外壳成本约为 8 次 硅酸钠的, 以及关于 20% 更高 优于低温蜡-硅溶胶.

主要原因是壳和蜡材料成本较高, 设备功耗更高, 以及较高的设备投资.

第二, 生产周期与低温蜡硅溶胶相似，比水玻璃或复合壳长得多.

第三, 为了 5–60公斤 中重型铸件, 中温液体蜡 63–75°C 和约高注射压力 7.1–8.0 兆帕 需要.

薄壁蜡模容易收缩. 尺寸精度不是特别高.

由于中型重型零件不需要与大型零件相同的尺寸精度和粗糙度, 很少选择硅溶胶-中温蜡.

改进方向

在保证质量的同时控制成本, 用中温蜡解决方解石润湿性差的问题后, 用合成石英或熔融石英取代锆石显然是方向.

熔融石英的线膨胀系数仅为 5 × 10⁻⁷/°C, 而它的价格仅为 1/6 锆石的. 海外, 熔融石英的应用逐渐扩大.

快干硅溶胶缩短制壳周期是行业共同方向.

发展国产中温蜡或改进石蜡-聚醚低温蜡是重要任务.

关键是解决再生蜡处理问题，使蜡性能在生产中保持稳定.

6. 复合外壳: 妥协, 不是最终答案

克服水玻璃外壳的弱点, 现在许多工厂使用锆石和莫来石硅溶胶作为第一层和第二层, 同时保留了背衬层原有的硅酸钠工艺.

这是一种折衷方案，结合了硅溶胶良好的加工性能和水玻璃的低成本、短周期的优点.

与水玻璃壳相比, 复合壳体显着提高铸造加工性能: 较低的粗糙度, 更少的表面缺陷, 和更低的故障率.

它们可用于不锈钢, 耐热钢, 和其他高合金钢. 生产周期比低温蜡硅溶胶短得多，与水玻璃相似.

关键问题

第一的, 因为支撑层保留了硅酸钠粘合剂, 型壳整体高温强度和抗蠕变性能低于硅溶胶型壳.

壳的烧结温度限制在以下 960°C. 多于 800°C, 壳变形增加 30%.

硅溶胶壳可烧结至约 1,500°C 并且在该温度之前不会变形.

所以, 复合壳铸件的尺寸精度, 包括公差, 不如硅溶胶壳.

浇注大型铸件时 10 公斤, 额外的硅溶胶层——通常至少 2 更多层数——获得高温强度和防止变形所需的.

第二, 前两层是影响贝壳渗透性的主要因素. 从硅酸钠改为硅溶胶大大降低了壳的整体渗透性.

当烧结温度低且保温时间不足时, 气孔隙度, 错误, 并且经常发生冷隔.

因此，复合材料壳体很难用于薄壁零件 d≤ 3 毫米, 大零件, 和下面的超大零件 60 公斤.

因为高温强度比硅溶胶低, 可能会导致报废. 换句话说, 复合壳渗透率低于水玻璃壳和硅溶胶壳.

第三, 复合壳质量比硅酸钠稳定，但比硅溶胶稳定性差. 背衬层仍含有硅酸钠粘合剂.

控制成本, 很多工厂仍然采用低成本, 不稳定的耐火材料，如粘土和粒状砂. 过程控制与硅酸钠类似, 所以质量稳定性较差.

对于周围较重的零件 10 公斤 和下面的大部件 1 公斤, 废品率和故障率高于硅溶胶壳.

第四, 因为复合贝壳使用昂贵的锆石作为表面涂层, 壳成本是 6.3 次 硅酸钠的.

如果使用莫来石砂/面粉作为支撑层, 壳成本几乎与硅溶胶相同，仅约 1 元/公斤铸件 不同之处. 低成本优势并不显着.

第五, 复合外壳不能使用中温蜡. 中温蜡不能在热水中脱蜡.

在高压灭菌器中 171°C和 0.6 MPA, 中温达玛树脂与硅酸钠和背衬层中残留的硬化剂发生强烈反应, 形成白色粘稠皂化物，未经处理无法回收.

硅溶胶壳既可以使用低- 而中温蜡就没有这个问题.

总之, 复合材料壳是对硅酸钠的改进. 铸造加工性更好, 屈服, 和故障率, 但它与硅溶胶壳仍有本质的区别.

除了更短的生产周期和略低的外壳成本外, 其铸造质量和可靠性不如硅溶胶.

改进方向

第一的, 用方解石代替锆英砂作面层耐火材料. 铸造加工性能并不完全取决于面层耐火材料; 与粘结剂有密切关系，也与蜡模有密切关系——蜡模粗糙度和皂化残留物.

复合型壳只能使用低温蜡，多用于中等粗糙度的精密铸件——Ra 6.3–11.5—以及较低的尺寸精度—CT4-CT6.

生产经验表明，面层用方解石硅溶胶代替锆石硅溶胶是完全可行的.

这降低了外壳成本 4,150–4,830元/吨铸件至 1,360 元/吨, 仅有的 460 元 超过硅酸钠.

第二, 改善制壳质量控制和环境, 尤其是支撑层.

第三, 备份层应该使用稳定的, 耐高温, 相对便宜的耐火材料，水分含量与面层相容.

推荐两种常用的备份材料. 一种是耐火粘土-石英粉末涂料 60%/40%, 用破碎刚玉砖废料和相关耐火砖废料制成的颗粒砂粉刷.

它被广泛使用, 便宜的, 与莫来石或铝土矿相比，具有更高的高温强度和抗蠕变性, 仅在 1/2–1/3 铝土矿的价格.

适用于锆石或合成石英面层. 第二种是耐火粘土-颗粒粉末涂料，体积比为 3:7, 粉刷颗粒砂.

此选项仅适合锆石复合外壳. 一些工厂使用莫来石砂/面粉或铝土矿作为复合支撑层.

涂层性能稳定, 壳薄，易烧结, 但成本太高且高温性能不如上述两种方案. 铝土矿的淘汰行为较差.

由碎废瓷器制成的材料, 釉面砖, 或者地砖便宜, 但它们不是在高温下烧制的, 成分复杂, 在高温下表现出强烈的开裂倾向, 具有较低的耐火度, 浇注后很难敲除——特别是对于重型零件. 不推荐他们.

7. 大型不锈钢铸件制壳未来发展趋势

制壳技术的发展越来越注重提高铸件质量同时降低生产成本, 周期, 和环境影响.

硅溶胶粘合剂的更广泛用途

硅溶胶系统因其良好的型壳性能和稳定生产的潜力，为高质量熔模铸造提供了坚实的技术基础.

它们的广泛采用取决于减少与材料成本和干燥时间相关的缺点.

快干硅溶胶, 优化的外壳结构, 更经济的耐火系统可以帮助缩小这一差距.

耐火材料优化

用合格的合成二氧化硅或熔融二氧化硅代替昂贵的锆石可以降低材料成本, 但替代品必须保持化学兼容性和表面质量.

未来的工艺开发应重点关注整个面漆系统, 包括粘合剂化学, 粉末装载, 粒度分布, 润湿行为, 和干燥稳定性.

一起优化这些变量比单独降低耐火材料成本更有效.

干燥更快、更一致

快干粘合剂, 改进气流管理, 控制湿度, 更好的车间环境监测可以减少制壳周期时间.

目标不仅仅是尽快干燥每一层. 以最短的等待时间和可接受的工艺变化实现足够的强度和尺寸稳定性.

数据驱动的过程控制

现代铸造厂可以通过记录浆料特性来提高一致性, 干燥条件, 壳层计数, 脱蜡参数, 烧制曲线, 和铸造检验结果.

分析这些记录有助于识别与壳体裂纹相关的工艺条件, 尺寸偏差, 和表面缺陷.

随着时间的推移, 这使得操作窗口更加可靠，并减少对个人操作员经验的依赖.

总成本制造

长期趋势是通过生产合格铸件的成本而不是仅通过外壳材料来评估制壳工艺.

减少拒绝的过程, 加工余量, 即使初始材料成本较高，交货延迟也可能带来更好的商业结果.

这对于大型不锈钢铸件尤为重要, 每个被拒绝的组件都可能代表重大损失.

8. 结论

熔模铸造采用的四大制壳工艺——水玻璃型壳, 复合材料外壳, 低温蜡硅溶胶壳, 和中温蜡硅溶胶型壳——每种在铸造质量方面都有不同的优势, 成本, 和生产周期.

适用于大型不锈钢铸件, 最有效的改进是加强过程控制, 优化面层耐火材料, 采用经过验证的快干硅溶胶系统, 提高蜡回收率, 并根据铸件几何形状和产量选择壳体结构.

最终, 最好的贝壳制作工艺不一定是最便宜或最复杂的.

它是始终以最低的总制造成本生产符合要求的质量标准的铸件的工艺.

对于寻求更好质量和更稳定生产的铸造厂, 合适的硅溶胶技术的组合, 合格的耐火材料, 受控干燥, 数据驱动的流程管理为实现更高产量的熔模铸造提供了一条实用途径.

 

常见问题解答

哪种制壳工艺可为大型不锈钢铸件提供最佳质量?

硅溶胶壳与中温蜡提供最佳的铸造质量, 维度的准确性, 和最低的故障率.

硅溶胶与低温蜡是中型重型零件的实用替代品.

硅酸钠的质量较差，为什么还要使用？?

硅酸钠价格便宜, 生产周期短, 良好的淘汰行为, 和高渗透性. 对于要求较低的铸件来说，它在经济上仍然具有吸引力.

复合外壳为什么不能使用中温蜡?

在 171°C 的高压釜中脱蜡 0.6 MPA, 中温达玛树脂与硅酸钠和背衬层中残留的硬化剂发生反应, 形成粘稠的皂化物质，未经处理无法回收.

大型不锈钢铸造壳体未来发展方向是什么?

随着质量要求的提高，硅溶胶型壳，尤其是低成本面层耐火材料和快干粘结剂，将逐渐取代水玻璃和复合型壳.