二、型壳的制造
在熔模上涂挂耐火涂料层，最后制成具有一定强度的耐火型壳，这就是制壳。制壳的工艺过程包括：熔模表面的活化处理；耐火涂料的配制并在熔模上涂挂耐火涂料；在涂料层上撒砂；型壳层的干燥和硬化；熔失熔模及焙烧型壳等。制壳工序既长又杂，但是型壳的质量对铸件精度和表面质量影响很大。因此，制壳是熔模铸造中很关键的一个环节。
型壳由耐火材料和黏结剂组成。由于型壳与高温液体金属直接接触，因此要求它具有一定的耐火度；型壳在浇注、成型过程中还承受液体金属的动压力和静压力，所以要求它具有足够的强度；型壳在焙烧和浇注高温液体金属的过程中要发生线量变化，并产生应力、变形甚至产生裂纹，故要求线量变化越小越好，还要求型壳材料具有化学热稳定性。
1.熔模表面的活化处理
熔模模组主要采用含有油脂的模料制成，制模时分型剂也可能黏附在熔模表面上。因此，在模组涂挂涂料之前（或同时），应设法增强熔模表面与耐火涂料之间的吸附力，改善涂料的涂挂性，使涂挂耐火涂料工作既顺利又均匀。
常用的典型工艺是模组表面脱脂，其实质就是在熔模挂涂料之前，用表面活性物质处理。这种活化剂是由不同数量碳原子的烃链组成的增水剂与另一种具有亲水性的基（-COONa）组成的。前者对蜡基模料具有强烈的吸附作用；后者亲水，起到改善涂挂性的中间媒介作用。最早的方法是用肥皂液洗涤熔模表面，这样就增加了一道操作工序。根据同样的原理，现在广泛使用的方法是在表层耐火涂料中加入表面活性剂，以降低黏结剂的表面张力，提高涂料的浸润能力。具有较好效果的方法是在表层的耐火涂料中加入醇氧化乙烯、烷基磺酸钠或洗涤剂等活化剂。实践表明，活化剂的加入有利于水玻璃涂料加速和充分硬化，使表面层涂料在较长时间内不会结皮。
2.耐火材料
制壳用的粉状、粒状耐火材料，使用最多的是硅石粉和硅砂。高合金钢或对精度要求很高的铸件，则采用刚玉砂（粉）。在制造高强度型壳时，在加固层中使用耐火黏土。此外，还采用锆砂、长石粉、钛铁矿砂（FeTiO3）、金刚砂（SiC）和镁砂等作为耐火材料。
硅石粉（砂）有天然和人工之分，人工的又分为普通和精制两种。熔模铸造中多数用人工普通硅石粉（砂），即将石英破碎而得的硅石粉（砂）。人工普通硅石粉（砂）在使用前需经过洗涤、干燥、焙烧、筛分等处理。一般要求严格的铸件一定要经过焙烧处理，焙烧温度为850～900℃，保温时间为2～3h。焙烧的目的是稳定石英相变，减小体积变化；稳定型壳尺寸，去除有机物和结晶水。
刚玉粉（砂）是纯度高的氧化铝（Al2O3）。它是工业矾土经破碎、粉碎及洗涤后在2000～2400℃电炉内熔化制得的。刚玉与硅砂相比，熔点高（2000～2050℃），热导率大，呈中性，在高温时体积稳定和热化学稳定性好，常用来作为高合金钢、各种特殊耐热合金和镁合金铸件的耐火材料，也用来制作复杂件的陶瓷型芯。
3.黏结材料
熔模铸造中所用的黏结材料有硅酸乙酯、水玻璃和硅酸溶胶等，其中水玻璃黏结剂应用比较广泛。这类黏结剂都以硅酸胶体起黏结作用。
（1）硅酸乙酯黏结剂 重要的合金钢铸件和陶瓷型芯多用硅酸乙酯配制涂料，因为它的涂挂性好，型壳强度大，热变形小，获得铸件的精度高和表面质量好。硅酸乙酯使用前需经过水解，即用水解溶液来配制涂料。
硅酸乙酯水解时要用工业蒸馏水，因为天然水或自来水中含有一定的矿物质会恶化水解液的质量。
硅酸乙酯与水互不溶解，呈分层状态，水解时只在接触界面进行，这样不但水解速度慢，而且得到的硅酸胶体在水解液中也不稳定，很快会凝聚而沉淀。但是硅酸乙酯和水都能溶解于乙醇（酒精）或丙酮中，所以常用乙醇作为溶剂，使水解反应在整个溶液内加速进行，并能保证硅酸胶体均匀地溶解在水解液中。乙醇用量应视规定的水解液中SiO2的含量而定，一般使用的质量分数为16%～20%，以18%为最佳。但在实际生产中，若用量为10%～12%（质量分数）型壳的强度已能满足要求，则也可选用，以降低成本。
为了加速硅酸乙酯的水解过程，在水解液中需要加入催化剂。催化剂可用盐酸等，盐酸的质量分数在0.2%～0.3%时型壳的抗拉强度最高。
（2）水玻璃黏结剂 水玻璃黏结剂的主要成分为硅酸钠的无机黏结剂，因为硅酸钠的水溶液来源广，是硅酸乙酯的代用品。水玻璃壳型易变形、开裂，用它浇注的铸件尺寸精度较差，表面粗糙。当生产精度要求较低的碳素钢铸件和熔点较低的有色合金铸件时，水玻璃仍被广泛地应用于生产中。
水玻璃呈碱性，其pH值为11.2～12.8，能与酸或酸性盐起反应生成硅酸胶体溶液，这就是水玻璃作为型壳黏结剂的理论基础。
水玻璃的性能主要以模数和密度来衡量。加水可降低密度，加氯化铵可提高模数，加氢氧化钠降低模数。密度应控制在1.27～1.34g/cm3，模数应调整为2.8～3.5。
（3）硅溶胶黏结剂 硅溶胶与硅酸乙酯相比，材料来源广，价格低，所获得铸件的质量比用水玻璃黏结剂有很大的提高。由于硅溶胶的稳定性好，可长期存放，制型壳时不需专门的硬化剂，但硅溶胶对熔模的润湿性稍差，型壳硬化所需时间较长。
硅溶胶黏结剂在使用前要加入乙醇，目的是保证硅溶胶有好的流动性、浸润性和提高干燥速度。乙醇以细流加入硅溶胶中，可边加边搅拌，加完后继续搅拌3～5min。配成的硅溶胶乙酯溶液应放在密封容器中，在15～25℃阴凉处存放，一般存放期为5～7天，不宜超过一个月。
4.配制耐火涂料
耐火涂料是用粉状耐火材料和黏结剂配制成的悬浮液。涂料按型壳层次的不同可分为表面层和加固层（第二层以后）两种。表面层涂料决定着铸件的表面质量，要求涂料性能较好，一般用的石英粉细，涂料黏度不能过高，撒砂也较细。加固层涂料对型壳主要起加强作用，防止型壳破坏，故涂料黏度较稠，硅石粉较粗，撒砂粒度较大。两种涂料应分别配制，配制比例应根据生产特点参考生产实践经验及资料来确定。硅酸乙酯涂料的配制实例见表5-3。
耐火涂料的配制过程是先把黏结剂按定量加入洁净的搅拌桶内，在不断搅拌的情况下陆续加入粉状耐火材料，加完后继续搅拌15min以上，直至粉状材料充分湿润和气泡逸出，最后测定黏度合格方可使用。配制涂料时应注意：配好的涂料在使用前应充分搅拌，以防粉状材料在重力作用下沉淀而不均匀；配好的涂料应将容器封好存放在阴凉不通风处，存放时间不超过一周；配制时要克服硅石粉加料时粉尘飞扬，可将处理水玻璃的一部分水先加在硅石粉中，改为湿法作业。(https://www.daowen.com)
5.制壳及硬化
涂挂涂料的方法有浸涂法、淋洒法、喷涂法、刷涂法及联合法等，一般面层涂料都采用浸涂法。浸涂时，把模组浸入涂料中，同时转动模组以去除气泡，然后取出模组，稍停片刻使多余的涂料流走，就可以向上撒砂，然后充分干燥和硬化。这些工序重复进行就可制成多层型壳。型壳的层数和总厚度取决于合金种类、铸件大小和复杂程度。型壳通常为5层，小件为4～5层（面层1层，加固层4层），总厚度为18～12mm，大件为6～10层，第一层厚度为0.3～0.5mm，第二层厚度为0.5～1.3mm，第三层厚度为1.3～1.8mm，其余各层厚度为1.3～2.8mm。
型壳每涂好一层后要进行充分的干燥及硬化。干燥的目的是使型壳中的硅酸胶体缓慢地转变为凝胶，将粒状和粉状材料结成整体。硬化的作用主要是加快完成溶胶至凝胶的转变。若干燥和硬化作用不透彻，则会大大地降低型壳的性能。
水玻璃型壳自然干燥包括硬化前的干燥和硬化后的干燥。干燥过程的作用是使硅酸胶体脱水蒸发掉，使硅酸胶体在型壳内扩散、渗透和均匀化，使硅酸胶体薄膜更好地包覆在耐火材料质点上，以利于提高型壳的强度。自然干燥的时间对型壳强度有影响，它与熔模特点、水玻璃的性质、室温和相对湿度有关。实践证明，在室温为18～25℃和相对湿度为40%～50%的条件下，面层硬化前干燥时间需12h以上，其余各层在硬化前不需要干燥，只在硬化后进行干燥，时间一般为30～65min。
表5-3 硅酸乙酯涂料的配制实例
注：1.例1、3混合水解用无水酒精，其他酒精的质量分数为93%～95%。
2.盐酸的质量分数为36%～38%，硅酸乙酯水解前HCl的质量分数小于或等于O.15%。
3.硫酸的质量分数为94%～96%，乙酸的质量分数为97.5%～99%。
4.表中用漏斗黏度计：1OOmL，ϕ4mm孔。
5.水解液pH=2～3。
干燥并不能使型壳充分硬化，因而型壳强度较低，必须在硬化剂中进一步硬化。对于水玻璃型壳，在我国大多数用氯化铵水溶液作硬化剂。硬化工艺实质上就是将型壳浸入质量分数为18%～20%的NH4Cl水溶液中，停1～3min，由于氯化铵与水玻璃中的NaOH发生化学反应，破坏了Na2O与SiO2的平衡，其中SiO2迅速以胶态析出，从而将粉状和粒状材料黏结成完整坚固的硬壳。在反应的同时有氨气（NH3）逸出，钠盐（NaCl）生成，这对型壳并不有利。
化学硬化虽然加速了硅酸凝胶过程，但是失水少，型壳获得的致密性差，室温强度低，高温强度好（因NH4Cl中和了Na2O）；自然干燥作用缓和，型壳的致密性好，从而室温强度高，但由于型壳中Na2O含量高，所以高温强度低。生产上对水玻璃型壳常采用自然干燥和化学硬化相结合的办法。
6.脱模及模料回收
整个型壳涂覆好后，切除型壳无用部分，去除自由砂粒，就可进行脱模。脱模的方法有熔模、溶模和烧模三种。
熔模方法可用热水法、蒸汽法、热空气法和电热箱法。下面仅介绍热水熔模法和蒸汽熔模法。
（1）热水熔模法 热水熔模法是熔失低熔点模料应用最广的方法。它是把带有型壳的模组放在吊筐中，将吊筐沉没在（90～95）℃±5℃的热水槽中，熔失时间最长不超过40min，一般在15min左右。对于水玻璃型壳，为使型壳内表面硬化更为完善，可在水中加入质量分数为1%～3%的NH4Cl或H3BO3或HCl，控制pH=6～7，以去除残留的Na2O。这种方法的优点是：型壳不易被模料胀裂；型壳中的碱、盐物质能溶于水中，有利于提高表面质量；模料回收率较高，可达80%～95%。该方法适用于80℃以下模料的脱模。
（2）蒸汽熔模法 这种熔模法是将模组倒放在蒸汽压力锅内，将蒸汽温度控制在100～120℃，熔失时间为20～30min。熔失时模料自由流出，型壳不易开裂，脏物不易进入，无皂化物产生，但设备较复杂，模料回收率只有80%左右。该方法常用于硅酸乙酯型壳脱模。
尽量做好熔失模料的回收工作。对于石蜡、松香、地蜡和聚苯乙烯等组成的模料，可以采用重熔法净化、过滤回收。但对于石蜡-硬脂酸模料，回收时需经过化学处理，因为呈酸性的硬脂酸在使用过程中与碱、盐等杂物产生皂化作用，生成皂化物。
模料中含有皂化物后，模料流动性降低，收缩增大，韧性变坏，易黏附压型。
处理工艺是把水、旧蜡加热到沸腾，然后加入工业盐酸（旧蜡的质量分数为4%～5%），使沸腾状态保持30～60min，并不断搅拌至白点（皂化物）消失，在60～70℃温度下沉淀4h以上，呈褐色或黄色透明液体为止，再用3层或4层纱布、绸布、尼龙布过滤，浇成蜡锭，以备待用。