水玻璃自硬砂在鎳鋁青銅合金中的應用

水玻璃自硬砂在鎳鋁青銅合金中的應用

我們工廠生產的主要發(fā)動機系列為銅鋁垂直銅屑，標志為al9ni4af4mm。2007年以前,一直采用傳統的CO2硬化水玻璃砂制作鑄型,由于使用普通水玻璃做黏結劑,加入量較大,吃砂量較大的鑄型(芯)在烘烤后,水分殘留量仍很大,鑄件易產生氣源性縮孔、縮松、氣孔、渣孔、夾砂、結疤等鑄造缺陷。另外,通入CO2固化以及烘烤鑄型所需時間較長,生產效率較低;而且這種型砂只能一次性使用,不能回用;對于含有一定量的水玻璃廢砂還要求做無害化處理,成本很高?，F在,我廠使用有機酯硬化水玻璃自硬砂制作鑄型,使鑄件的氣源性鑄造缺陷得到了有效控制,顯著提高了鑄件質量;舊砂再生率明顯提高,大大降低了生產成本,同時還提高了生產效率,改善了環(huán)境污染。1由銅硫酸鈉al9ni4f4nm2制成的性能特征1.1固結性能合金的結晶溫度范圍小,約30℃左右,屬于層狀凝固;流動性好,體積收縮大,容易形成集中縮孔等。1.2氧化傾向合金中含有較多的、極易被氧化的鋁元素,高溫金屬液在充型過程中,極易發(fā)生氧化反應,形成懸浮性的Al2O3二次氧化渣,很難清除。1.3吸入傾斜合金的高溫金屬液的蒸汽壓比黃銅和錫青銅都低,再加上鎳元素的存在,因此吸氣傾向大。2鑄造鎳鋁青銅的自硬砂由于鑄造鎳鋁青銅合金有上述鑄造性能弱點,采用傳統的CO2硬化水玻璃砂制作鑄型不僅增加了廢砂處理成本,且廢品率高。據此,我們嘗試采用有機酯硬化水玻璃自硬砂作為鑄造鎳鋁青銅合金造型用砂。經近3個月的反復試驗,其工藝基本成熟。且將有機酯硬化水玻璃自硬砂與CO2水玻璃自硬砂的性能特點作了詳細分析比較、評價,如表1所示。3有機硬水玻璃自硬砂的工藝方法和特點3.1硬水有機化合物玻璃的制造3.1.1造原輔材料質量鑄造原砂、再生砂、黏結劑、固化劑等鑄造原輔材料的質量,直接影響著型砂液料加入量、型砂性能、砂型固化速度、鑄型強度、再生砂回收率等各項技術工藝要求。3.1.2原砂及再生砂的物化性質鑄造原砂選用自然成形的、經過水洗和烘干的天然海砂,我廠選用天然海砂。根據鑄造鎳鋁青銅合金的性能,要求鑄造原砂W(SiO2)≥97%,粒度為30～50目。所用原砂和再生砂的物理技術參數如表2所示。1)由于海砂的SiO2含量高,砂粒表面硬度也相當高,經過砂再生處理系統的離心再生砂,砂損耗極少,微粉含量減少,增加再生砂復用頻次,有利于提高再生砂的回用率;2)再生砂角形系數、粒度值變化小,穩(wěn)定減少水玻璃固化劑的加入量;3)經烘干的原砂及再生砂,在潮濕環(huán)境條件下,吸濕性小;4)鑄型孔隙率高,透氣性好,型(芯)強度穩(wěn)定性好。3.1.3提高水玻璃施工質量型砂黏結劑和固化劑使用是一種牌號為HYT-S10新型水玻璃和固化劑。新型水玻璃是一種改性水玻璃,和普通水玻璃相比,具有黏度低、濕潤角大,表面張力小,使水玻璃黏結膜在短時間內較好地包覆砂粒表面,提高型砂的強度,與普通水玻璃相比強度提高30%以上,從而使水玻璃的加入量大大減少。我廠采用牌號HYT-G134有機酯固化劑與新型水玻璃發(fā)生化學反應的特點是:反應均一,強失水、低失堿,硬透性好,特別在低溫、高濕,硬化性能遠優(yōu)于其他普通有機酯固化劑。3.2再生砂質量控制有機酯硬化水玻璃自硬砂的組成為:鑄造型砂、改性水玻璃、固化劑。一般情況下,液料控制范圍為:水玻璃2%～3%;固化劑占水玻璃含量的15%～18%,即占出砂量的0.3%～0.45%。在實際生產中,型砂和液料的配比必須參照檢驗數據進行實時調整,以滿足生產需要。須注意水玻璃加入量的控制。1)當再生砂Na2O殘留量<0.5%時,可全部采用再生砂造型;超過0.5%時,必須按照10%～15%的比列補充新砂,降低再生砂中Na2O的殘留量。2)在環(huán)境溫度≥35℃,或再生砂砂溫≥30℃時,工藝試驗證明,若加入G-132型固化劑,型砂固化速度就會加快到10min之內,甚至更快。這時,應將黏結劑更換為HYT-S106型水玻璃,并按10%～15%的數量添加G-130型固化劑,降低型砂固化速度。3)當環(huán)境相對濕度≥70%時,將固化劑用量由15%增加到17.5%左右。型砂再生設備選用無錫錫南鑄造機械廠制造的熱法再生系統。砂型經落砂機、振動破碎機、高溫焙燒爐、離心再生機、逆流冷卻器、砂溫冷卻器、再生砂氣力輸送裝置等設備系統,自動完成型砂的落砂、破碎、除膜再生、降溫、輸送等工序的運行。經現場測定,處理后的再生砂,殘留的Na2O穩(wěn)定保持在0.30%以下,100目以下及微粉含量控制在0.5%～1.0%及以下,再生砂各項技術指標能滿足造型材料的技術要求,舊砂回收率≥85%。有機酯硬化水玻璃自硬砂加入的改性水玻璃量少,具有潰散性良好、鑄型吸濕小、發(fā)氣量小、舊砂再生率高、生產成本低等優(yōu)點;CO2硬化水玻璃砂加入的水玻璃量高,具有潰散性差、舊砂無法再生等缺點。針對鑄造鎳鋁青銅合金高溫金屬液極易出現氧化、吸氣等鑄造工藝特性,我們廣泛應用了有機酯硬化水玻璃自硬砂替代CO2水玻璃砂作為鑄造螺旋槳等船用鑄件的造型材料。3.3鑄型砂箱設計有機酯硬化水玻璃自硬砂具有良好的流動性、硬透性、退讓性,并且強度比較穩(wěn)定,再根據鑄件的特點,制定了以下的造型工藝原則:1)鑄型椿砂造型時,首先將模型的深槽(溝)、側平面、死角等部位用手或合適的椿砂工具填砂、搗實;并延伸至整個鑄型平面。2)在模型型腔表面均勻分布面砂,用氣動或手動椿砂工具搗實。3)鑄型吃砂量可控制在200～250mm,提高了型砂的透氣性,也在很大程度上節(jié)約了型砂。4)由于砂箱平面面積大,并全部采用鋼板結構焊制,為保證鑄型的整體強度,防止鑄型脫箱,因此在砂箱內部設計了相應的砂型筋骨。一般在距離鑄型型腔50～100mm的空間內,用羅紋鋼直接焊接在砂箱的箱筋(帶)下部,即可作為鑄型的筋骨。5)造型完畢,必須在鑄型上箱的型腔部位,均勻插出多個排氣孔。6)在確保鑄型質量的前提下,確定鑄型的起模時間,當環(huán)境溫度≥28℃時,起模時間為2～4h;當環(huán)境溫度<28℃時,起模時間為3～4h。3.4鑄型打干鑄型由于鑄造鎳鋁青銅合金(Al9Ni4Fe4Mn2)的高溫金屬液吸氣量大,并且在充型過程中極易發(fā)生氧化反應,因此為防止型腔表面返潮,確保型腔表面干燥,并具有一定的干燥層厚度和一定的表面溫度,必須設計合理的鑄型涂料涂刷、合箱烘烤工藝。這樣能使鑄型形成高溫熱氣氛,與環(huán)境氣氛相對隔絕,使高溫金屬液在充型過程中降低降溫速度,有效減少吸氣傾向和2次氧化夾雜的產生。其注意事項如下。1)鑄型涂刷涂料前,應先用火焰噴槍烘烤型腔表面至干燥,然后在空氣中自然冷卻,在其表面高出環(huán)境溫度10℃左右時,開始涂刷涂料。涂料采用專用的醇基剛玉涂料,涂刷前涂料必須攪拌均勻。2)對表面積大的大型鑄型型腔表面,應分段涂刷,并及時點燃;對表面積小的型腔表面,可一次性涂刷完畢后,再及時點燃。3)完成整個鑄型型腔表面涂料涂刷后,在點燃燃燒的同時,應繼續(xù)使用火焰噴槍烘烤型腔表面15～20min,然后再進行合箱烘烤。4)鑄型等待合箱烘烤的時間不得超過2h,防止放置時間過長,型腔表面涂料產生返潮現象。5)烘烤設備采用可移動的熱風機,熱風主要通過直澆道和冒口部位吹入,對于大型鑄件或結構復雜的鑄件,可以設計1個或幾個附加熱風吹入口。同時在熱風吹入口的對面或型腔末端,設置3～5個直徑為30～60mm的通風出口。6)熱風吹入溫度設定在200～250℃,但必須保證熱風出口的溫度在100～150℃。根據鑄型型腔(芯)吃砂量和結構的不同,可適當調整溫度上限。7)根據環(huán)境溫度的變化,確定相應合理的烘烤時間。通常情況下,環(huán)境最低氣溫≤20℃時,烘烤時間為25～30h;環(huán)境最低氣溫>20℃時,烘烤時間為15～20h。具體烘烤時間的確定,還要結合生產環(huán)境溫度、空氣相對濕度、生產條件等進行綜合考慮。4發(fā)揮有機酯硬化水玻璃自硬砂生產工藝的作用1)鑄件質量顯著提高。應用有機酯硬化水玻璃自硬砂制作鑄型后,水玻璃加入量為2%～3%,僅是CO2硬化水玻璃砂中水玻璃加入量的1/3,同時鑄型的強度穩(wěn)定提高,使得鑄型的吃砂量由300～400mm降低為200～250mm,從而鑄型烘烤后的殘留水分量顯著減少,因此顯著提高了鑄件質量,氣源性縮孔、渣孔缺陷由48.0%降低為3.5%,表面夾砂結疤缺陷由25.4%降低為4.5%。2)舊砂再生回用率顯著提高,生產成本明顯降低。應用有機酯硬化水玻璃自硬砂生產工藝,舊砂再生回用率達到85%～90%,新砂的加入量僅為10%～15%,徹底改變了水玻璃砂只能一次性使用的缺點,節(jié)約了大量原砂,大幅降低了生產成本。同時從根本上減少了鑄造廢砂對環(huán)境的污染,大大節(jié)省了廢砂無害化處理的費用。我廠按年產150套計算,每年生產鑄件為1050t,如采用CO2硬化水玻璃砂生產工藝,累計產生廢砂9700t,每噸廢砂的無害化處理費約820元,則無害化費用高達795.4萬元。應用有機酯硬化水玻璃自硬砂生產工藝,不但不需要廢砂的無害化處理費用,而且每年還可降低新砂成本費65