熔模铸造制壳工艺分析及成本优化探究

摘 要：熔模铸造工艺是我国传统制造业中最重要的工艺之一。目前，我国熔模铸造工艺使用最多的技术有四种，分别是：水玻璃工艺、硅溶胶水玻璃复合工艺、硅溶胶（中温蜡）工艺、硅溶胶（低温蜡）工艺。通过对四种工艺技术的分析，有利于我国工艺装备制造业水平的提高。通过对四种技术的分析比较及对制壳成本的控制，是熔模铸造技术创新变革的基础，对传统工业的创新发展和国民经济的增长及资源合理利用具有重要意义。同时也是推动我国制造业持续发展的重要动力之一。

关键词：熔模铸造；制壳；成本优化

目前，在熔模铸造工艺生产中所采用的四种技术中，有三种蜡料选择的是低温蜡（常用石蜡-硬脂酸），仅仅在生产中温蜡硅溶胶工艺时使用中温蜡（996C等进口蜡料）。随着中国社会经济的发展和科技水平的提高，使得对精密铸造生产的要求逐步提高。传统的制壳工艺已不能完全适应时代发展的需要。因此，需要铸造从业技术人员结合自身的产品及工厂实际需求进行改进，以促进生产质量、生产效率、经济效益的提高，同时适应绿色铸造环保要求，从而将进一步强化各自工艺的竞争优势，增强其综合竞争力。

1 水玻璃工艺

水玻璃工艺是我国熔模铸造所有生产工艺中投资最少、制造周期最短、模壳透气性最高的一种铸造技术。此外，它还具有良好的剥离性能。也是我国20世纪最早使用的一种熔模铸造技术，这些优点在其他铸造技术中都是不可比的。随着先进材料的使用和新型硬化剂等辅助材料的应用，该工艺的运行效率逐渐增加，极大程度地提高了我国精密制造业的生产水平。然而，生产技术也有很大的缺点，与其它几种熔模铸造制壳技术相比，该工艺生产的产品尺寸精度及内、外部质量相对较低。

1.1存在的问题

由于水玻璃粘结剂中Na2O含量高，在高温下，壳层的强度和抗蠕变性较纯硅溶胶工艺低。同时，由于水玻璃工艺采用的石蜡硬脂酸蜡料其热稳定性差，型壳采用的石英砂（粉）为骨料存在低温相变的因素，氯化铵硬化后型壳强度低，导致铸件尺寸精度等级较差，铸件清理后表面质量也相对较差。并且生产环境要求一般不高，生产过程可控制性差，相关操作标准和管理要求不能很好地实施，因此不能很好的保证精密铸造的质量。在实际生产过程中，生产单件重量较重、结构复杂小件的成品率相对较低。

1.2方法与成本优化

在生产过程中，使用质量较好、颗粒度相对稳定的硅微粉代替普通石英粉作为耐火材料，以提高型壳质量稳定性。此外，使用良好的硅微粉及质量稳定的水玻璃也可以改善配料管理，不仅可以促进生产操作标准化，而且可以提高稳定产品质量，除上述方法外，还采用更加优秀稳定的耐火材料如刚玉粉。并且由于氯化铵硬化液的氨气环境污染问题，为适应环保要求采用了氯化镁硬化液也得到推广且经过硬化后型壳强度高，从而可以提高此工艺的质量。

2硅溶胶（中温蜡）型壳

该工艺是目前全球熔模精密铸造生产中最为流行的工艺方案。采用这种工艺生产的产品质量高、返修率低。特别适用于中小型、高精密零件的生产，并且在航空航天零部件生产中得到广泛的应用，能否制造出合格的发动机叶片、涡轮等也是一个国家综合国力的体现。

2.1存在的问题

该工艺所选蜡模材料成本较高（一般最便宜的也要1万元以上/吨），制壳用的硅溶胶、锆英砂粉料也较贵。硬化采用自然风干加风机吹风结合形式，生产周期也明显长于水玻璃工艺（硅溶胶正常4-7天，水玻璃正常1-3天），故其生产材料成本、设备投入成本都相对高。生产周期明显长于水玻璃壳体和复合壳体工艺。

2.2改进方法与成本优化

对于一些材料及产品精度不太高的产品，采用熔融石英砂粉或普通石英砂粉或者刚玉砂粉代替锆英砂粉，可有效保证产品质量，降低生产成本。且近些年通过对硅溶胶的改性，采用快干型硅溶胶制壳或者改善模壳风干条件，缩短生产周期以降低生产成本。

3硅溶胶水玻璃复合工艺

通过对上诉两种工艺的分析，由于硅溶胶工艺稳定性好，面层强度高，而水玻璃工艺生产周期短，成本低。在生产实践中尝试将硅溶胶和水玻璃制壳结合在一起，并实现两种工艺的完美融合，使两种工艺的要点得到充分发展，从而提高产品的生产周期和产品质量。

3.1存在的问题

由于该工艺由两种工艺组成，水玻璃型壳的强度和耐高温蠕变性較差，因此与纯硅溶胶壳相比，复合工艺的精度和质量相对较低。因为水玻璃和硬化剂的使用将降低该工艺生产模壳的质量，大大降低产品的性能。此外，使用面层为硅溶胶型壳降低了模壳的透气性。如果生产过程中的保温时间较短或烘烤温度低，则会造成严重的产品缺陷，因此该技术不适合生产各种优良的产品。

3.2改进方法与成本优化

熔融石英用于替代表面耐火材料的锆石。实践证明，该方法是切实可行的。采用这种方法，每吨浆料的成本降低了6000元。背层耐火材料需要稳定的质量、优异的高温性能和较低的成本，同时保证能与面层耐火材料的膨胀相匹配。推荐了两种加固耐火材料，即石英粉、耐火粘土涂料（体积比：1：1）；颗粒粉、耐火粘土涂料（体积比：7：3）。有条件的公司可以采用模壳回用粉的使用也可以有效降低成本，提高经济效益。

4 硅溶胶（低温蜡）工艺

硅溶胶（低温蜡）制壳工艺在制造大型零件时具有独特的优势和适应性。低温蜡壳工艺比中温蜡设备简单，易于成形。最终的表面粗糙度差别不大，可以满足对重大铸件尺寸和精度较低的要求。

4.1存在的问题

模组正常在水中脱蜡，铸件表面容易产生夹杂物，因此该方法的表面缺陷相对高温蜡较多。硅溶胶（低温蜡）工艺的由于主要生产重大件层数较多，其生产周期较长。硅溶胶在水中的脱蜡过程中时间较长，容易导致型壳裂纹。该方法成本较高。

4.2改进方法与成本优化

采用低压蒸汽脱蜡的方法来保证铸件的质量。如果采用热水脱蜡，则在回收蜡过程中添加少量的盐酸在水（体积分数1%～3%）中，保证充分的煮沸时间和沉淀时间。采用日益成熟的“快干硅溶胶”制壳，从而缩短生产周期。快干硅溶胶的市场价格比普通硅溶胶20%—30%高，可以通过降低功耗来补偿。采用熔融石英作为耐火材料，可有效降低制壳工艺的成本。

结论

综上所述，目前我国精密铸造行业所采用的四种工艺都有各自的优缺点。这些特点对他们自己的应用与发展有着非常重要的决定性影响。从目前情况来看，随着国内环保及产品质量要求的提升，水玻璃制壳工艺的缺点也越来越明显，更加绿色、高效、稳定的技术替代已成为必然趋势。硅溶胶工艺技术将在熔模铸造的未来发展中越来越流行。最后，它成为行业发展中最重要的技术，优化后生产周期及成本改善逐渐被业界所接受。

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（作者单位：纽威工业材料（大丰）有限公司）