由于硅溶胶型壳脱壳性能差。在精铸件生产中，相当一部分的结构复杂、有深孔、盲孔、弯孔或窄槽等复杂内腔的零件，其后处理相当困难。
一般情况下，硅溶胶型壳的常温强度与水玻璃型壳相近，而高温强度及残留强度则是后者的6.7倍及2.8倍。型壳高温强度过高时，其残留强度相应偏高，不仅使脱壳性变差，还会因型壳退让性差而导致铸件产生裂纹。脱壳性差不仅降低了铸件后处理的生产效率，提高了工时成本，往往会因滚抛(丸)、浸酸时间过长损伤铸件表面，降低铸件品质。改善型壳的脱壳性能是亟待解决的难题之一。
在吸收国外精铸同行经验的基础上，经过近一年的反复试验和批量生产验证，在改善硅溶胶型壳脱壳性方面取得了一定的成效，使铸件脱壳效率显著提高，缓解了我厂长期以来铸件后处理工序长、成本高、质量差的状况。
1.脱壳性能的定义及测定
精铸型壳的脱壳性能是指：型壳在浇注金属液、冷却至室温时，经除壳工序处理后脱离铸件表面的能力。
目前国内应用最广泛、效率最高、最经济的首道除壳工序是使用“震动脱壳机”震动去壳，又常以浸酸、抛丸、喷砂、碱爆(煮)等辅助后处理工序彻底清除铸件表面(主要是内腔)的残壳、余砂。
铸件的脱壳性能，不仅取决于型壳本身脱壳性能好坏，还与铸件自身结构复杂程度和后处理除壳工序的设备效率有关(如震壳机冲击能量、抛丸机效率等)。
至今，国际精铸业尚无统一的评价铸件或型壳脱壳性能的标准方法。其中型壳脱壳性常以试样经高温保温后，冷却至室温的残留抗弯强度(σ残)来反映。σ残值越低则型壳脱壳性越好，反之亦然。
以我厂常年产品中脱壳最困难的两种铸件为例(见图1和图2)，在生产条件基本相同前提下来对比不同制壳工艺时对脱壳型能的影响。
通过多批次生产验证，基本上能真实反映型壳的脱壳性能。必须指出，不少结构复杂的铸件仅靠“震动去壳”并不能完全除净残壳、余砂。故在对比脱壳性时不应只看“震壳”效率，还要包括其他辅助除壳方法(抛丸、喷砂等)的总工效来合理评价型壳的脱壳性。
2.影响型壳脱壳性能的主要因素
硅溶胶型壳由粘结剂和耐火材料组成。硅溶胶中SiO2含量及型壳耐火材料的特性及组合决定了型壳高温强度和残留强度，它们是影响型壳脱壳性的主要因素。
2.1硅溶胶中SiO2含量的影响
精铸生产中常用SiO2含量在24%~31%之间(HB5346-1986)，应用最广泛的是ω(SiO2)=(30±1)%的普通硅溶胶。SiO2含量越高，型壳的σ高越高，σ残也越高，故脱壳性越差。反之，降低SiO2含量可以使σ残下降，脱壳性能将会提高。
2.2耐火材料(砂、粉)的影响
2.2.1型壳工艺组合
目前，硅溶胶型壳典型的组合是：表面层(第一层)采用锆英石(ZrO2·SiO2)；过渡层(第二层)及背层(第三层后各层)均使用高岭石硬质粘土熟料。这种壳组合具有型壳高温强度高、抗蠕变能力强、涂料工艺性能优良、铸件(型壳)表面质量好、性价比高的优点。但其不足之处是，优质锆英石矿源稀缺，价格高。高岭石虽矿源多，成本低，综合性能好，但由于其杂质含量高(见表1)，因而大多数只限于在型壳过渡层、背层中应用。又因高温时有多种低熔点氧化物产生，在型壳高温焙烧及浇注后有液相及固相烧结和二次莫来石化等原因，导致σ残高，脱壳性变差。虽然因其Al2O3含量较低，又含有一定量(10%~30%)方石英，尽管其σ残比高Al2O3含量的刚玉质的铝矾要低得多(见表2)，但对于有复杂内腔的精铸件而言，脱壳性能仍较差。
目前，国内大多数精铸厂不论生产结构简单或复杂铸件、质量在2~100g的特小件或50～150kg的特大件，几乎都采用同一种制壳工艺(只是在型壳层数上不同而已)，这显然是不合理的。往往结构复杂的中小件由于型壳高温强度过高，σ残相应提高，致使脱壳性能变差。片面追求高强度、安全系数过大、制壳工艺“一刀切”的现象是导致硅溶胶型壳(铸件)脱壳性不良的主要原因。
2.2.2高岭石耐火料种类的影响
生产实践表明，即使化学成分、杂质含量、主晶相数量相近的高岭石熟料，因矿物组成和含量不同，其制成的型壳高温强度及脱壳性差异也很大。高岭石类硬质粘土可分为煤系和非煤系两大类。煤系高岭石主要是与烟煤、无烟煤伴生的耐火粘土层，即“煤矸石”。其生料可分为“致密状粘土”(高岭石含量)≥95%，系纯高岭石土，色白)和“炭质粘土、砂质粘土"等炭质粘土是典型的煤矸石，含有残煤，粉料呈黑灰色，配制涂料时有黑色煤(炭)质漂浮，砂料中也常有“黑色”煤质存在。上述两种煤系高岭石熟料，高温强度比非煤质高岭石略低，但残留强度更低，仅为后者的1/2。非煤系高岭土制壳后型壳强度高，脱壳性差，这可能与其高岭石含量低、水铝石(α-Al2O3及γ-Al2O3)含量高有关。其矿物组成接近于三级铝矾土(高岭石含量为65%~88%，水铝石为8%~31%)。
综上分析，采用“煤系”高岭石熟料作型壳过渡层或背层耐火料，具有较高的脱壳性和适当的σ高、σ残。曾批量生产过30~160kg的大件(8~13层)，型壳强度正常，脱壳性良好。
2.2.3高岭石砂、粉料煅烧的影响
高岭石须经1250~1400℃高温充分煅烧，才能保证型壳在高温焙烧和浇注时有足够的高温强度、抗蠕变能力和良好的脱壳性能。较低温度锻烧的砂粉，在高温浇注(1600~1700℃)时型壳产生液相，冷却后烧结残留强度剧增，脱壳性恶化。因而在型壳耐火料验收时必须要测试其在1300℃灼减(烧失)值，若>0.5%则说明未经充分锻烧。
2.2.4砂粉料中的游离铁含量
高岭石料除其化学成分、杂质含量应符合要求外，在砂粉加工过程中混入的FeO含量对型壳有重要影响，它与各种杂质及SiO2、Al2O3等在高温时会生成低熔点液相，恶化脱壳性能。验收时应严格控制ω(FeO)≤0.3%。
2.2.5熔融石英对脱壳性的影响
绝大多数制壳耐火料其σ高与σ残呈正比关系，但只有熔融石英是例外。精铸生产中应用的是石英砂熔融后速冷制得的“不透明”熔融石英，有别于水晶石制成的“透明”熔融石英(石英玻璃)。但它们的共同特点是，高温“析晶”，低温“相变”。即在1100℃以上会由非晶型熔融石英转变为晶型的α方石英(析晶)，1525℃达最高值。在浇注温度(钢液1500~1700℃)时型壳约有70%熔融石英产生“析晶”[3]。当型壳冷至180~270℃时，α方石英又相变成稳定的β方石英，体积收缩率为3.7%，型壳会骤然开裂、松散，使脱壳性改善。试验证实，用熔融石英代替高岭石砂粉制壳，其型壳高温强度平均会降低20%，但σ残仅为高岭石型壳的20%~30%，透气性则提高100%以上。目前，充分利用熔融石英这一特点来改善型壳脱壳性是国外精铸界的主要动向。
2.3其他因素的影响
2.3.1型壳各层对脱壳性的影响
表面层型壳只要采用优质的锆英石，极少会与金属液产生化学或机械粘砂，也不会导致面层型壳脱壳性恶化。故正常情况下，表面层型壳对型壳脱壳性影响不大。
过渡层及背层是影响型壳σ高、σ残的主要因素。其中过渡层(第2层)仅为1~2层对型壳整体强度影响不大，但对脱壳性有重要影响。美国不少精铸厂不论型壳其他层数采用何种耐火料，但过渡层均采用“熔融石英”砂、粉来改善脱壳性。背层层数多，对型壳强度影响大于对脱壳性的影响。
2.3.2型壳中砂和粉料的影响
粉料比表面积比砂料大得多，与硅胶接触面也大。型壳强度是粘结剂中SiO2含量和耐火粉料粒子的表面积的函数。由此可知，粉料对型壳强度及脱壳性的影响比撒砂料要大，生产实践也证实了这一点。必须指出，撒砂料，尤其是第1~3层对铸件表面质量及强度、型壳脱壳性等也存在一定影响。
国外试验表明，在涂料及撒砂中均采用熔融石英，则其脱壳性能比只在涂料中使用，撒砂仍用高岭石砂要高出100%以上(σ残低60%)。
3.改善型壳脱壳性能的途径
(1)采用较低SiO2含量的硅溶胶配制涂料对于铸钢(铁、铜)小件(≤0.1kg)，用ω(SiO2)=25%的硅溶胶配制表面层涂料。熔点低、密度小的铝合金铸件更可采用ω(SiO2)=25%和ω(SiO2)=20%的硅溶胶配制表面层及背层涂料。以达到不影响型壳强度前提下改善脱壳性的目的。
(2)在表面层锆英粉涂料中加入占锆粉质量5%~10%的熔融石英粉，或应用“混合石英砂”代替锆英砂作中小件面层撒砂料，以提高型壳的脱壳性和透气性。
(3)在型壳各层，特别是过渡层和背层中采用熔融石英砂粉全面代替高岭石砂粉以改善脱壳性、透气性，提高铸件尺寸精度。也有不少国外精铸厂为降低成本，只在型壳过渡层或背层中应用熔融石英粉涂料，砂仍用高岭石。
(4)在面层涂料中加入高聚物(聚乙烯醇)或采用“快干硅溶胶”配制涂料来提高型壳的脱壳性。
通过试验及生产验证，针对上述几种改善型壳脱壳性的途径进行了分析。
(1)降低涂料中硅溶胶SiO2含量将造成型壳σ残下降，会直接影响到型壳常温和高温强度。其生产适用范围小，仅限于小件或特小件，此工艺通用性不强。表层SiO2含量低常会引起型壳裂纹，造成铸件产生“飞翅”或“流纹”缺陷，尤其是平面较大、结构复杂、有深孔、盲孔、深槽等不易干透的铸件更易因常温强度低在脱蜡或浇注时引起局部“穿钢”。故这一方法只适合某些小于100g的特小件(如缝纫机零件)或熔点较低的铝合金铸件。背层中降低SiO2含量风险更大，除铝铸件外一般很少采用。
(2)面层中加入5%~10%熔融石英粉，其对涂料工艺性影响较大，而对脱壳性改善并不显著，对铸件表面质量则有一定影响。熔融石英与锆英石比较，膨胀系数α值相差近10倍(见表1)，常会引起面层型壳裂纹。表面层撒砂用“混合石英砂”虽能对脱壳性稍有改善，但其适用范围受限制。目前也只在一些内腔不太复杂的中小件上应用，其工艺性、质量稳定性仍比不上锆英砂，但在过渡层中使用风险要小很多。
(3)在型壳过渡层、背层全部采用熔融石英砂、粉则成本过高，对于附加值不高的精铸件难以推广。实践表明，熔融石英粉涂料其涂料性、覆盖性、流平性及均匀性均不及锆英粉及高岭石。全熔融石英型壳整体强度比典型型壳组合要低约20%，因而在脱蜡、焙烧或浇注时壳损、漏钢较多，还因膨胀系数差别大，易产生型壳裂纹。虽然脱壳性很好但质量风险大，性价比低，较难推广应用。
(4)采用“快干硅溶胶”虽有许多优点，但目前成本偏高仍是其广泛推广的最大障碍。应指出，采用快干硅溶胶再结合耐火材料的正确选用是今后改善型壳脱壳性的必然趋势，也是最佳型壳组合。国外已在不断推广应用。
目前使用普通硅溶胶生产精铸件要提高型壳的脱壳性能，最有效的方法是：在过渡层型壳中采用“混合涂料”。其最大特点是，不会过多降低型壳整体强度，改善脱壳性效果好，成本增加少，铸件通用性强，对铸件表面质量影响小，性价比高。如过渡层再撒“混合石英砂”，脱壳性则更好。它具有以下的特点：
(1)可改善型壳脱壳性而不影响其整体强度(σ常，σ高)，过渡层(第2或第3层)不会过分影响型壳强度。但因熔融石英的作用会使型壳σ残有较大幅度的降低，型壳总脱壳效率可提高100%左右。型壳层数也不必增加。
(2)成本增加不多。计算表明，使用1~2层混合涂料或混合石英砂料与原工艺相比，其成本仅增加0.1~0.2元/kg(铸件)。
(3)型壳各层间膨胀系数相匹配，不致使型壳产生开裂而影响铸件质量。
(4)过渡层中高岭石含量降为20%，杂质含量(尤其是Fe2O3)大幅降低，铸件表面质量提高，可减少“墨点”“黑斑”等缺陷。
(5)生产适用性强。可根据铸件结构复杂程度、材质质量、大小，选用1~4层过渡层涂料及不同撒砂方案。
4.工艺要点
(1)采用“混合涂料”代替全高岭石的过渡层涂料，可改善型壳的脱壳性而不致过多降低型壳整体强度。若在过渡层再撒“混合石英砂”更有利于脱壳性的提高，可根据各零件大小、质量、结构特点选用适宜的制壳方案(表3)，要兼顾脱壳性和强度。背层砂粉料要选用杂质少、含游离铁FeO少，经充分煅烧的煤系高岭土耐火料。
(2)铸件脱壳性不仅取决于“型壳”本身的脱壳性能，还与铸件结构、震动、抛丸、喷砂等设备效率有关。
采用高效率的7655型等凿岩机、破碎机，比目前广泛使用的由G10风镐改装的震壳机工效要高得多(表4)(国内20世纪70到90年代普遍使用该机)。
改进震壳方式，有效传递冲击能量，不宜采用橡胶垫等缓冲、减震方法或刚性过高的钢墩座安放铸件组(见图3)。采用铸铝墩既可防滑，又不至于缓冲减震，降低震动冲击能量和生产效率。
震壳机应安装调压阀。根据铸件材质、大小、震壳或震件(震下零件)要求，调整进气压力，防止壳未震除铸件却已震落(铸铁件、高碳钢件等)，应调整震动频率，使其与型壳或铸件固有频率相同(近)，产生“共振”提高去壳(去件)效率。
铸件内腔被型壳堵满无空隙时，震壳效果比通孔内腔差得多，因而要求操作工在震壳时要用专用凿壳工具，边震壳边凿孔，可加速残壳震出，提高生产效率。要充分保证进气压缩空气压力最大可达到0.63MPa，高气压才有高效率。压力越高冲击能量及频率也越高，生产效率相应提高(表5)。
(3)应按表6要求合理选择混合涂料及撒砂耐火料。
熔融石英砂粉也可选用2~3级粉、砂料。杂质稍多，成本可降低(用于过渡层)且“析晶”率反而高，脱壳性好。精制石英粉应选用300目以上的1级硅微粉(通过300目筛应大于85%)，高岭石应用煤系高岭土熟料，各项要求详见表6。
5.结语
(1)型壳“过渡层”采用以“熔融石英”为主的“混合涂料”，可以改善硅溶胶型壳脱壳性，成倍提高复杂内腔精铸件的后处理工效。
(2)铸件(组)脱壳效率取决于型壳的脱壳性好坏及震动冲击能量大小和震动力的合理传递等因素。选用高效震壳机可提高震壳效率，应保证≥0.63MPa的高气压。
(3)应根据铸件特点及对脱壳性要求，合理选用制壳工艺方案，做到“高强度、高脱壳性”兼顾。