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SKP27-3 面層增強型硅溶膠在精密鑄造上的應用
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廣東惠爾特納米科技有限公司 賴 洪 何 欣 林廈濤 葉海鋒 王國順*
惠州市吉邦精密技術有限公司 吳軍武 董文慶 張 兵
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摘 要 SKP27-3 面層增強改性硅溶膠與普通 830 硅溶膠相比，配制的漿料具有更高的穩(wěn)定性、優(yōu)良的涂掛性和對干燥條件的不敏感性，使用效果已達到國際同類硅溶膠的水準。經(jīng)精鑄企業(yè)的大批量使用驗證，采用 SKP27-3 面層增強改性硅溶膠配制的漿料，穩(wěn)定性高達 62 天，制得的殼模內腔表面光滑細膩，生產的 鑄件表面質量明顯改善，一次性成品率大大提升，鑄件返修率大幅度降低。
關鍵詞：SKP27-3 硅溶膠；面層增強；涂掛性；穩(wěn)定性
硅溶膠作為精密鑄造制殼的高溫粘結劑，直接影響著型殼強度及鑄件的表面質量、生產周期和生產成本。長期以來，硅溶膠作為精密鑄造制殼的重要粘結劑不可取代，但使用普通 830 硅溶膠配制的漿料制殼時普遍存在著漿料老化快、對干燥條件要求高、生產周期長、殼模內腔表面質量差等問題。SKP27-3面層增強硅溶膠是一款針對熔模鑄造制殼面層系列不 良問題研發(fā)的新型硅溶膠。在工藝條件一致的前提下，大批量生產同一款型產品的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，制殼面層用普通 830 硅溶膠配漿生產的鑄件，表面不良率為13%；而用 SKP27-3 型硅溶膠配漿生產的鑄件，其表面不良率僅為 3.5%。這樣就極大的降低了鑄件后處理的返修成本，在提升了產品表面質量的同時也提高了生產效率。
1 普通 830 面層硅溶膠使用的問題淺析
在制殼過程中，采用硅溶膠和昂貴的鋯英粉等耐火材料配制的面層漿料，其穩(wěn)定性較差是精密鑄造行業(yè)的痛點。面層漿料的使用壽命受到由硅溶膠、蠟模清洗劑殘留物、漿料存放環(huán)境、漿料攪拌速度及鋯英粉中的雜質含量多少等一系列因素的影響。弱酸性的鋯英粉無疑對漿料穩(wěn)定性影響最大，但卻是我們目前無法改變的。因此，硅溶膠自身性能的提升以及硅溶膠與耐火材料混合體系的穩(wěn)定性就變得尤 為重要。
用普通 830 硅溶膠配制的面層漿料，存在漿料老化快導致膠凝收 縮等先天性的不足，往往配制的漿料沒有用完就需要及時更換，這樣無疑會增加制殼材料成本。另外，普通 830 硅溶膠配制的面層漿料，最終生產的鑄件的表面質量差，返修率高，也會增加后處理的工作量 和返修成本。因此，開發(fā)一款穩(wěn)定性好、制殼干燥條件寬松、且能改善鑄件表面質量的新型硅溶膠變得尤為迫切。
2 SKP27-3 面層增強改性硅溶膠的研發(fā)路徑和機理
與普通 830 硅溶膠相比，SKP27-3硅溶膠在生產過程中添加了有機粘結劑，使之改性為有機復合型硅溶膠，解決了普通 830 硅溶膠單純作為無機粘結劑在膠凝過程中不均衡收縮帶來的缺陷，提高了面層漿料的使用壽命，有效地改善了鑄件的表面質量，減少了鑄件的返修成本。以下簡要說明 SKP27-3 型硅溶膠的研發(fā)路徑及機理。
2.1 膠體內部結構改變增加漿料穩(wěn)定性
SKP27-3硅溶膠采用更加精細化的生產工藝，呈現(xiàn)出比普通830硅溶膠更加均勻的粒徑分布和更高的 pH 值。表 1 所示為普通830硅溶膠和SKP27-3硅溶膠的理化指標參數(shù)。
表 1 兩種硅溶膠的理化指標參數(shù)
如表 1 所示，普通 830 硅溶膠的 pH 為 9~10，平均粒徑為 7~10nm， SKP27-3 硅溶膠的 PH 值為 10~11，平均粒徑為 10~13nm。因此，用 SKP27-3 硅溶膠配制的面層漿料，表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。
2.2 高聚物對膠體的包覆改善了面層漿料的涂掛性
SKP27-3 型硅溶膠與普通 830 硅溶膠的不同，還在于用含氨基類的高聚物對硅溶膠進行了改性，高聚物對硅溶膠膠粒進行包覆，且高聚物層中的氨基和膠體表面的硅醇基形成了分子間氫鍵。圖 1a 為普通硅溶膠表面模擬圖，1b 圖為改性后的模擬圖。
圖 8 a）普通硅溶膠表面模擬圖；b）SKP27-3 型硅溶膠表面模擬圖。
如圖 1a 所示，硅溶膠粒子表面充斥著大量的Si-OH基。圖 1b 為 SKP27-3 硅溶膠膠粒表面的模型圖，最外層為含氨基類的高聚物包覆改性層，高聚物層可以是半包覆或全包覆。其中，高聚物層中的 N 可以和膠體的 Si-OH 基形成分子間氫鍵，使得改性過的硅溶膠，不易聚集，增加了膠體的穩(wěn)定性。同時高聚物本身具有吸附功能，改性后的 SKP27-3 硅溶膠也增加了表面吸附作用。因此，配成漿料后顯 現(xiàn)出較好的涂掛性和流平性，制得殼模的內腔表面質量更好。
3 SKP27-3 面層增強型硅溶膠在精鑄大生產中的應用
3.1 面層漿料的配制
選用 SKP27-3 面層增強型硅溶膠和普通 830 硅溶膠，采用完全相同的耐火材料和添加劑，按照國內某精鑄公司現(xiàn)有的配漿參數(shù)和配漿工藝，進行面層漿料的配制。
3.2 制得漿料的 pH、粘度、比重和沾漿的厚度對比
將 SKP27-3 面層和普通 830 硅溶膠配成的漿料攪拌 24 小時之后，進行漿料的 pH、比重和沾漿的厚度測試。結果如表 2 所示。
表 2 兩種硅溶膠的配漿實測數(shù)據(jù)
從表 2 可見，在大生產配漿過程中，這兩款硅溶膠除了漿料的 pH 值不同以外，其他參數(shù)都基本接近。采用 SKP27-3 面層硅溶膠配制的面層漿料的pH值為9.98，遠高于普通830硅溶膠配成漿料的pH。
3.3 制殼的干燥條件參數(shù)
在大生產過程中，采用 SKP27-3 型硅溶膠配制的面層漿料制殼 工藝參數(shù)如下，實驗效果如圖 2 所示。
（1）采用普通 830 硅溶膠配成的漿料在面層制殼過程中，環(huán)境溫 度為（24±2）℃，相對濕度為 55%~70%，無風條件干燥后再進行下 一層。
（2）采用 SKP27-3 型硅溶膠配成的漿料在面層制殼過程中，環(huán)境溫度在 22℃~28℃之間波動，相對濕度為 40%~70%之間波動，在無風或強風條件下干燥（風力 5-6 m/s），面層均未見脫落或開裂現(xiàn)象，干燥之后直接進行下一層作業(yè)。
圖 2 a）待沾漿的蠟模；b）沾漿完之后的干燥圖；c) 鑄件的最終表面質量圖
從圖 2 可以看出，采用 SKP27-3 型硅溶膠配制的面層漿料在制完面層后，在強風下直接干燥，最終得到的鑄件表面，未見毛刺或開裂等現(xiàn)象，產品效果較佳。
3.4 鑄件的最終表面質量對比
開發(fā) SKP27-3 型面層硅溶膠的核心訴求，就是要提高面層漿料的穩(wěn)定性并最終改善鑄件的表面質量。剔除其它因素的影響，鑄件表面質量的好壞，能夠非常直觀地反映出采用不同面層硅溶膠制殼的使用效果。圖3a 所展示的是型號為“10-00-00-6954”的鑄件圖，為了觀察兩款硅溶膠制殼的最終鑄件效果，分別采用 SKP27-3 型硅溶膠配漿生產了 22618 件該鑄件和采用普通 830 硅溶膠配漿生產了20691件該鑄件。圖 3b 所展示的是型號為“10-00-00-6784”的鑄件圖，也分別采用 SKP27-3 型硅溶膠配漿生產了9682件該鑄件和采用普通 830 硅溶膠配漿生產了10183 件該鑄件。表 3 所反映的是這兩款硅溶膠的鑄件總數(shù)、表面缺陷件數(shù)及表面不良率
圖 3 a）“10-00-00-6954”型號的鑄件；b）“10-00-00-6784”型號的鑄件。
表 3 兩種硅溶膠面漿制殼的最終鑄件的表面不良率
如表 3 所示，無論是型號“6954”還是“6784”鑄件，采用普通 830 配制的面層漿料生產的鑄件，其表面不良率都在11%以上，而采用SKP27-3型硅溶膠配制的面層漿料生產的鑄件，其表面不良率 僅為 3.5%左右。
3.5 使用 SKP27-3 型硅溶膠產生的經(jīng)濟效益
對于面向市場開發(fā)的產品，不僅要為客戶帶來產品質量的提升，同時還要考慮性價比。為了便于估算其帶來的經(jīng)濟效益，根據(jù)表 3 中的鑄件數(shù)據(jù)，采用 SKP27-3 型硅溶膠和普通 830 硅溶膠就成本和返修率進行簡單的對比，估算其帶來的經(jīng)濟效益（表 4）。
表 4 兩種硅溶膠面漿最終鑄件的經(jīng)濟效益
從表 4 可以看出，在大生產中，采用 SKP27-3 型硅溶膠面漿制殼生產的鑄件，表面質量好，返修率低，返修成本小。此外，由于普通 830 硅溶膠和昂貴的耐火材料配成的漿料，其使用壽命差，漿料老化帶來的原材料損耗也是不能被忽視的。因此，使用 SKP27-3 型面層硅溶膠綜合成本低，性價比高，具有可觀的經(jīng)濟效益。
4 SKP27-3 面層增強型硅溶膠與國內外同類產品比較
4.1 硅溶膠的理化指標對比
將 SKP27-3 型硅溶膠、普通830硅溶膠、進口A型面層硅溶膠和進口 B 型面層硅溶膠的理化指標對比，如表 4 所示。
表 4 四種硅溶膠的理化指標參數(shù)
4.2 硅溶膠面層漿料的穩(wěn)定性對比
選用 SKP27-3 型硅溶膠、普通 830 硅溶膠、進口 A 型面層硅溶 膠和進口 B 型面層硅溶膠，采用完全相同的耐火材料，按照國內某鑄造企業(yè)標準的配漿參數(shù)和工藝制備漿料，進行面漿穩(wěn)定性平衡比較 實驗。本次實驗的條件為，溫度恒定為 25±1℃，濕度恒定 60±5%，添加的水為純水。采用的粉液比為 1:4.4（其中硅溶膠為 1），結果如圖 4 所示。
圖 4 SKP27-3、進口 A 型面層硅溶膠、進口 B 型面層硅溶膠和普通 830 硅溶膠配成的漿料， 隨時間推移的漿料 pH 變化圖。
漿料的 pH 是衡量漿料穩(wěn)定性的一個非常重要的指標，從圖 4 可以看出，在相同環(huán)境條件下，普通 830 硅溶膠漿料只維持了 5 天，其 pH 就從開始的 8.86 下降至 8.0 左右，發(fā)生嚴重老化。進口 A 型面層硅溶膠漿料穩(wěn)定性在 10 天左右，進口 B 型面層硅溶膠漿料穩(wěn)定性大約在 20 天左右。而 SKP27-3 型面層硅溶膠漿料的穩(wěn)定性能有效保持 62 天，較其它三種面層硅溶膠漿料的穩(wěn)定性有明顯的優(yōu)勢。
4.3 硅溶膠面層漿料的涂掛性對比
涂掛性不僅可以作為衡量漿料穩(wěn)定性的一個參數(shù)，還是衡量最終鑄件表面質量的一個非常重要的指標。觀察漿料隨時間變化的涂掛性，不僅可以研究漿料中粉液體系的穩(wěn)定性變化，還可以進一步研究 漿料的使用壽命。將普通 830、SKP27-3 型和進口面層硅溶膠進行面層漿料涂掛性對比實驗，圖 5 分別截取了SKP27-3型硅溶膠新配漿、連續(xù)攪拌 10 天、40 天、62 天的沾漿效果，進口 A 型面層硅溶膠新配漿和連續(xù)攪拌 10 天的沾漿效果和普通 830 面層硅溶膠新配漿和連續(xù)攪拌 5 天的沾漿效果。
圖 5 a）SKP27-3 新配漿的沾漿效果圖；b）SKP27-3 配漿連續(xù)攪拌 10 天的沾漿效果圖；c) SKP27-3 配漿連續(xù)攪拌 40 天的沾漿效果圖；d) SKP27-3 配漿連續(xù)攪拌 62 天的沾漿效果圖； e) 進口 A 型面層硅溶膠新配漿的沾漿效果圖；f) 進口 A 型面層硅溶膠配漿連續(xù)攪拌 10 天的沾漿效果圖；g) 普通 830 硅溶膠新配漿的沾漿效果圖；h) 普通 830 硅溶膠配漿連攪拌 5 天的沾漿效果圖
從圖 5a~d 可見，SKP27-3 型硅溶膠連續(xù)攪拌 62 天之后，蠟片的表面出現(xiàn)了小顆粒，并且涂掛性也差了很多。采用進口 A 型面層硅溶膠配制的漿料僅僅只維持了 10 天，其蠟片表面的涂掛性就不佳，并且伴隨細小的顆粒物產生，而普通 830 硅溶膠的使用壽命僅僅只持 續(xù)了 5 天。
4.4 硅溶膠面漿制殼的最終鑄件表面質量對比
將 SKP27-3 硅溶膠、進口 A\B 型硅溶膠和普通 830 面層硅溶膠配漿制殼得到的鑄件進行表面質量對比。型號為“10-00-00-6958”的鑄件表面效果如圖 6 所示，型號為“10-00-00-5743”的鑄件表面效果 如圖 7 所示，大批量鑄件不良率統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表 6 所示。
圖 6 a）進口 A 型面層硅溶膠鑄件的鑄件表面效果圖；b）SKP27-3 型面層硅溶膠鑄件的鑄件表面效果圖。
圖 7 a）進口 A 型面層硅溶膠鑄件的鑄件表面效果圖；b）SKP27-3 型面層硅溶膠鑄件的鑄件表面效果圖。
表 6 四種硅溶膠面漿最終鑄件的表面不良率
從圖 6 和圖 7 可以看出，在相同制殼工藝條件下，SKP27-3 型硅 溶膠配漿制殼生產的產品整體表面質量問題較少。對四款硅溶膠配漿 制殼生產的鑄件表面質量不良率統(tǒng)計結果顯示：普通 830 硅溶膠鑄件 的表面不良率為 14.72%，進口 A 型面層硅溶膠鑄件的表面不良率為 11.82%，進口 B 型面層硅溶膠鑄件表面不良率為 8.92%，而 SKP27-3 型硅溶膠鑄件表面不良率為 3.51%。
5 、 結論
（1）SKP27-3 型硅溶膠生產工藝的改進和高聚物對硅溶膠的包覆作用，使得硅溶膠表面結構發(fā)生改變。與普通 830 硅溶膠相比， SKP27-3 型硅溶膠配制漿料的穩(wěn)定性和涂掛性更加突出，干燥速度 快，干燥條件寬松。
（2）采用 SKP27-3 面層增強改性硅溶膠配制的漿料，在連續(xù)攪拌的前提下，其穩(wěn)定性長達 62 天，其穩(wěn)定性明顯優(yōu)于普通 830 硅溶 膠以及進口的兩款同類硅溶膠配制的漿料。
（3）與普通 830 面層硅溶膠相比，采用 SKP27-3 面層增強型硅 溶膠制殼最終鑄件的表面質量，無論是普通鑄件還是結構復雜件，其表面不良率大幅降低，產品返修率大幅下降，綜合經(jīng)濟效益明顯。
惠爾特新研制生產的SKP27-3面層增強改性硅溶膠配制的漿料具有更高的穩(wěn)定性、優(yōu)良的涂掛性和對干燥條件的不敏感性，使用效果與同類進品硅溶膠產品相媲美，經(jīng)精鑄企業(yè)的大批量使用驗證，性能優(yōu)異及使用效果良好，正得到越來越多用戶好評。
