摘 要：通过覆膜砂原砂选型与级配、覆膜工艺优化，结合排渣排气浇注系统设计、模具制造技术、浇注温度和浇注速度控制，生产精密铸钢件、不锈钢件，表面、内部质量均能达到熔模精密铸件水平，废砂可全部回收，既解决了环保问题，又缩短工序提高品质，现该工艺已批量稳定化应用。
熔模铸造工艺应用于工业化生产已经有近一个世纪的发展历史，它作为一种近净成形的制造工艺，在生产结构复杂、精度和表面要求高的精密铸件，特别是高熔炼温度、高化学活性金属的成形中起着无法替代的作用，目前利用熔模铸造工艺主要生产各种牌号精密铸钢件产品。根据产品特性要求不同，熔模精铸生产工艺一般分为两类，一类是硅溶胶制壳工艺，采用硅熔胶作为黏结剂，制壳后蒸汽脱蜡，型壳高温焙烧后浇注，主要用于生产不锈钢、耐热钢、高温合金等材质高端产品；另一类是水玻璃制壳工艺，采用水玻璃作为黏结剂，制壳时需要用氯化铝或氯化铵化学硬化，制壳后热水脱蜡，型壳高温焙烧后浇注，主要生产碳钢、低合金钢材质的汽车或机械类产品。该两种熔模精铸工艺都有一定污染物或气体排放，尤其是水玻璃制壳工艺，废水、废气、废砂、粉尘等环保指标很难达到，造成近两年以来铸造行业成为环保部门屡次检查的重点，熔模铸造工艺也面临下一步如何发展的问题。
在此背景之下，用覆膜砂工艺生产铸钢件产品被提上了日程，历史上覆膜砂工艺因耐高温冲击性差多用来生产铸铁件产品。我国研究应用覆膜砂开始于20世纪50年代，直至80年代中期只有几家工厂采用自制的覆膜砂用于壳芯生产。自此以后，覆膜砂开始作为商品推向市场，随着原材料、制造设备和制造工艺的不断改进，覆膜砂品质也不断得到提高，生产成本下降，90年代以来，覆膜砂的应用得到了更迅速的发展，产品种类不断增多，并已形成系列化。目前，我国铸造用覆膜砂年产量已达50万t以上，共有专业生产厂家近百家。随着我国随着我国汽车工业的快速发展和机械产品外贸出口需要，以及铸件国际市场的开发，对铸件品质的要求越来越高，覆膜砂的应用将会在短期内得到迅速增长，这类覆膜砂用于生产各种铸铁产品，已经非常成熟，而且产品质量优于普通砂铸，得到了非常广泛的应用。
熔模铸造工艺和精铸覆膜砂壳型工艺两种工艺流程分别如图1、图2所示。
本文重点是介绍精铸覆膜砂壳型工艺，来代替熔模铸造工艺生产结构复杂的铸钢件，所以普通的覆膜砂是无法达到这个要求，而是需要从覆膜砂原材料的选择、覆膜工艺来保证覆膜砂质量，同时设计合适的浇注系统、制作合适的模具、选用合适的制芯设备来保证制出紧实致密的壳型，再选择合适的浇注温度和浇注速度来浇注形成铸件，即可以达到熔模精铸件的表面质量，而且壳型配合专用涂料可以生产合金钢和不锈钢产品。
1、覆膜砂原材料的选择
覆膜砂一般是由骨料、黏结剂、固化剂、润滑剂和特殊添加剂组成。
1.1 骨料
骨料是构成覆膜砂的主体。对骨料的要求是：耐火度高、挥发物少、颗粒较圆整并自身强度高等。一般选用天然擦洗硅砂，这主要是由于其储量丰富，价格便宜，能满足铸造要求。而用于铸钢件精铸覆膜砂的骨料对硅砂有更高的要求，具体要求如下：
（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）粒形圆整，尽可能选择圆整性好的硅砂，角形因数要求≤1.2；
（4）粒度分布宜采用3～5筛分散度；
（5）AFS细度：应根据铸件表面粗糙度要求来选定不同的细度，一般为AFS50～65；
（6）P H值控制范围4～7；
（7）采购原硅砂需要特殊处理，保证达到用于精铸覆膜砂骨料对硅砂的要求。
图1 熔模铸造工艺流程（周期4-7天）
图2 精铸覆膜砂壳型工艺流程（周期2天）
1.2 黏结剂
酚醛类树脂是普遍采用的黏结剂，它有固体和液体、热固性和热塑性之分，目前制作覆膜砂通常采用的是热塑性固态酚醛树脂，对基常规性能要求如下：
（1）聚合速度（热板法）：25～27s；
（2）软化点（环球法）：90～105℃；
（3）流动性（斜板法）：60～110mm；
（4）游离酚含量（溴化法）：≤4%。
黏结剂的性能对覆膜砂的品质有很大的影响，应用于生产铸钢件的精铸覆膜砂必须选用专用改性酚醛树脂，具有高强度、低发气量、延迟发气时间、耐高温冲刷、易溃散等特殊性能，只有这种树脂才能满足生产铸钢件产品要求。
1.3 固化剂、润滑剂、添加剂
固化剂通常采用乌洛托品即六亚甲基四胺，分子式为（CH2）6N4，要求为工业一级品。润滑剂一般采用硬脂酸钙，其作用是防止覆膜砂结块，增加流动性，使型、芯表面致密及改善砂型（芯）的脱模性。添加剂的主要作用是改善覆膜砂的性能，尤其是用于铸钢件的覆膜砂，添加剂作用尤其重要，目前采用的添加剂主要有：耐高温添加剂（如含碳材料或其他惰性材料）、易贵散添加剂（如二氧化锰、重铬酸钾、高锰酸钾、已内酰胺等）、增强增韧添加剂（如超短玻璃纤维材料、有机硅烷KH-550等）以及防粘砂添加剂和抗老化添加剂等等。
2、覆膜工艺
决定覆膜砂的性能除原材料外，就是热覆膜工艺装备，我公司采用全自动智能控制覆膜砂生产线，其中德国WEBAC-30HP高速摆轮式混砂机是全套覆膜砂生产设备的重要组成部分，它的特点是：混砂速度快、覆膜均匀、操作方便、安全，该机采用快速双摆轮结构，底部中央有强力鼓风冷却系统，在覆膜过程中，通过一对主刮板、一对底刮板和双摆轮的调整旋转，使集聚在桶壁附近的砂粒和树脂产生一种向上的悬浮状态，悬浮砂团高度超过规定时，由桶壁上的压板向下换向，同时由摆轮碾向桶壁，经侧刮板刮下，再经底板向上抛起，不断重复这一过程，实现树脂混合物对砂粒的均匀覆膜，同时不会粘结成紧实的砂团，在混砂过程中，通过高压风冷却，使覆膜砂很快降温。
覆膜砂覆膜工艺有冷法、温法和热法三种，为保证覆膜砂性能及连续大批量生产，我公司采用热法覆膜工艺，有专用覆膜砂生产线，加料、温控实现自动控制，用于生产铸钢的覆膜砂性能远远高于普通覆膜砂，具体性能要求如表1所示。
表1 精铸覆膜砂性能参数
浇注系统的作用主要是充填金属液，并对铸件凝固时进行补缩，防止产生缩孔、缩松缺陷，一般由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇口组成，必要时配备单独冒口。对于铸钢件产品，因其凝固过程中收缩比例较大，一般在2%以上，所以浇注系统设计尤其重要。熔模精铸工艺由于制壳方式的限制，加上浇注时热壳浇注，它的浇注系统相对比较简单，主要由浇口杯、直浇道、内浇口组成，多数产品不用特意考虑排渣排气系统设计，壳型浇注系统作用和要求如下：
（1）壳型浇注系统主要由直浇道、横浇道、内浇口、冒口、排气孔等组成，主要作用为液态金属充填、补缩、排气；
（2）浇注系统应有一定强度，在浇注时能支撑起型壳；
（3）浇注系统应力求简化，去除时操作方便，生产效率高（如锤击落件）；
（4）在保证铸件补缩质量前提下，尽量减小浇注系统重量，提高铸件工艺出品率；----平均出品率达70%；
（5）铸钢件单独冒口作用稍差，一般浇道通过冒口时作用明显；
（6）浇注系统应能控制铸件凝固时的温度分布，实现顺序凝固，减少或消除铸件缩孔、缩松、裂纹、变形等缺陷。
图3 精铸覆膜砂壳型工艺带排气孔浇注系统
图4 典型制芯机两种结构
精铸覆膜砂壳型工艺浇注系统作用和要求与熔模精铸工艺是相同的，但它又有着特殊要求，它属冷壳浇注，铸钢液态时流动性比铸铁相比较差，再加上覆膜砂遇到高温金属液时燃烧发气，必须考虑浇注时型腔内气体的流向，即排气系统设计，典型浇注系统如图3所示。
4、模具制造技术和制芯工艺
覆膜砂砂壳（芯）质量好坏直接由模具和制芯工艺决定的，它直接影响铸件表面质量。模具一般由型腔、排气道、射砂道、顶杆、加热管组成，模具排气系统设计决定制作砂芯的紧实度和致密程度，砂芯越致密，铸件表面质量越好，模具和制芯机优先选用双边射砂工艺，这样砂芯致密性较好。
典型制芯机如图4所示，主要是两种，一种是上下开型、双边射砂，另一种是左右开型、上方射砂，无论是哪种制芯机，模具温度合适，合箱必须压紧，射砂压力必须足够，才能保证砂芯致密性。
浇注铸钢的覆膜砂砂壳，尤其是浇注不锈钢，型腔表面必须喷涂专用涂料，提高砂壳表面粗糙度，保证铸件表面质量，如图5所示。
图5 合格砂芯与喷涂料后砂芯
5、熔化和浇注工艺控制
熔化工序重点控制原材料质量，要求废钢无锈蚀，回炉料抛丸后使用，控制原材料中杂质元素含量，防止某些元素和覆膜砂中的树脂反应，造成铸件表面密集性气孔。
浇注工艺控制与熔模铸造差异较大，浇注温度必须严格控制，一般铸件控制1560～1580℃，根据产品结构适当调整具体温度，如图6所示。如果温度偏高，由于覆膜砂高温耐冲刷性有限，造成局部橘皮、粘砂等缺陷；如果温度偏低，则会造成冷隔、浇不足等缺陷，所以浇注温度需要严格控制。另外浇注速度直接影响气孔缺陷产生，浇注时覆膜砂中树脂燃烧产生气体，气体在浇注过程中通过排气系统要排出型腔，浇注速度要低于熔模工艺，但也不能过慢，浇注过慢，造成钢水温度偏低。典型产品如图7。
图6 精铸覆膜砂壳型工艺浇注效果
6、小结
采用精铸覆膜砂壳型工艺替代熔模铸造生产铸钢件，从精密铸造发展来看是一种趋势，它与熔模铸造工艺相比，有着较大的优势，主要体现在以下几方面：
（1）生产周期缩短一半，劳动强度降低40%，效率提升30%；
（2）覆膜砂材料浇注后回收利用，取消了脱蜡、蜡处理、焙烧工序，消除酸水、酸雾排放，污染物排放减少80%；
（3）铸件变形量偏小，校正效率提高50%，同时加入冷铁应用，工艺出品率提高近10个百分点；
（4）与熔模铸造工艺相比，每吨铸件综合成本可降低1,000～1,500元。
将精铸覆膜砂壳型工艺用于生产铸钢件产品，虽然优势明显，但也存在短板，过于复杂的产品结构，由于砂芯多，产生飞边打磨量大，同时覆膜砂浇注后仍有部分异味，所以下模具技术提升和无气味覆膜砂研发将是重点方向。
参考文献
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