湿型砂铸铁件缺陷分析

知识点：湿砂型

1. 机械粘砂和化学粘砂

铸件表面牢固粘连的粘砂缺陷可以分为机械粘砂和化学粘砂两种。机械粘砂是铁水钻入砂型砂粒间孔隙造成的。化学粘砂是砂型的SiO2与金属氧化物如FeO产生化学反应生成硅酸亚铁（铁橄榄石）与铸件粘连在一起的。两种粘砂可用以下两种简易区分方法：①将万用电表的旋钮开到电阻测定档，用一个电极接触铸件，另一电极接触粘砂部位。如果电阻显示为零，表明粘砂是铁包裹砂粒形成的机械粘砂。如果显示有巨大电阻，表明粘砂部位已经形成不导电的硅酸亚铁，属于化学粘砂。②用扁铲凿下一小块粘砂，浸入盛有浓盐酸的试管中。如果缓慢发生气泡，一夜之后粘砂块消失，试管底部只留下砂粒，说明是机械粘砂，铁质部分已被盐酸溶解成为氯化铁。如果没出现以上情况，则为化学粘砂。

?2. 各种因素对机械粘砂的影响

（1）砂型紧实程度

?手工造型和震压造型的紧实程度一般较低，砂型表面的砂粒比较疏松，砂型型腔的坑凹处和拐角处局部也都更容易出现疏松。如铁水钻入砂粒孔隙不深，将使铸件表面粗糙；钻入较深和包裹砂粒则形成机械粘砂。工人造型时可以先把面砂采取手指塞紧、填入部分背砂后用冲锤局部冲紧。高密度造型是否有局部疏松，则取决于型砂流动性如何，因而很多工厂尽量降低型砂紧实率来提高型砂的流动性。在加砂和压实过程中采用微震是十分有效的。此外，也取决于对紧实装置液压或气压高低设定的影响。

?（2） 浇注温度

?铁水温度高，流动性好，就容易渗入砂粒之间孔隙而产生机械粘砂。但从避免铸件产生气孔、冷隔等缺陷考虑，浇注温度不可任意降低。生产复杂薄壁铸件时尤其需要较高浇注温度。

?（3）型砂的粒度和透气性湿型砂的砂粒粗细一方面要保证浇注后排气通畅，另一方面湿型砂的透气性又不可太高，以免铁水渗透入砂粒之间孔隙中。手工造型生产小件的砂型上扎有较多排气孔，而且往往采用面砂，砂粒可以细些，透气率30～60大约已经合适。机器造型湿型砂的型砂粒度大致在70/140目，透气率大多分布在60～90的范围内。高密度砂型比较密实，则要求型砂有较高透气率。粒度大多在50/140或140/50目，透气率较多集中在100～140。通常内燃机铸件砂芯用原砂粒度比型砂粒度粗，约为50/100目。长期生产会有大量芯砂混入型砂而使型砂粒度变粗。有些工厂的透气率高达160以上，除非在砂型表面喷涂料，否则铸件表面会出现粗糙甚至有局部机械粘砂。如果出现型砂粒度变粗，国外有的工厂在混砂时加入100、140目两筛细粒新砂来进行纠正。

?（4）砂型涂料

? 生产重量较大湿型铸件，可以向下砂型喷刷醇基涂料，点燃后冷却一下即可下芯与合型。一般上型可以不喷涂料，因为所受铁水压头比下型小。喷涂料的另一优点是提高了砂型表面耐冲刷能力。

? 对内腔要求不高的一般铸铁件，为了防止铁水钻入砂芯，在硬化后的砂芯表面局部容易渗透金属液处，涂抹用机油或其他粘结剂加石墨粉或其它耐火粉料调制的涂料膏，凉干后即可下芯。当生产内腔清洁度和光洁度要求很高的铸铁件（如内燃机缸盖、机体、液压系统阀件等）时，必须对砂芯采取整体涂料而后表面烘干。手工生产铸铁件时，常用软毛刷将石墨粉细心涂刷在湿砂型和砂芯表面上。也有的喷石墨与水混合液，晾干后即可合型浇注。石墨粉可以填塞孔隙，又不被铁水润湿，铁水就难以钻入砂粒之间而形成粘砂缺陷。

?（5）爆炸粘砂

?有时可以看到铸件浇注位置的上表面出现粘砂缺陷，与通常粘砂多出现在浇注位置的下表面不同。这是在浇注铁水液面邻近型腔上表面时发生爆炸造成的。开始浇注时砂型的水分蒸发凝聚在温度较低的型腔上表面。当铁水液面上升与型腔上表面开始接触时，水分骤然蒸发或蒸发受阻而发生爆炸，迫使铁水钻入铸型表面而成粘砂。当型砂含水量和含煤粉量高，砂型通气条件不良和浇注速度过快时就更容易发生爆炸粘砂。

?3. 型砂的煤粉量

?湿型铸铁件防止粘砂和改善表面光洁程度最主要的型砂添加物是煤粉。但是市售煤粉良莠不齐。以下将讨论煤粉的质量、有效煤粉含量、煤粉代用品和国外应用的新情况。

?（1） 煤粉的质量

?较好的的煤粉应符合以下几种性能指标：?a）灰分不大于10％（越低越好，国外一般商品煤粉不大于7％）。煤粉灰分含量的测定目的是检查煤粉中残留的矸石量有多少。曾有个别煤粉加工供应商故意掺入矸石，甚至用加工炼焦用煤时洗选排出的矸石废料（煤泥）冒充煤粉，所含灰分高达25～76％。铸造工厂使用后不能防止铸件粘砂，而且产生大量砂孔、气孔缺陷。?b）挥发分在30～38％之间（最好为32～37％），挥发分的测定目的是确定煤粉的原材料为烟煤的品种。如挥发分低于30％，表明煤质不纯。如高于38％，可能其中含有气煤。

?c）焦渣特征5～6级（3～4级尚可用）。测定挥发分后观察坩埚中的残留物即可得出焦渣特征，按照国家标准焦渣特征分为8级，它反映煤粉在加热干馏过程中生成气、液、固三相胶质体的多少和持续时间长短。焦渣特征5～6级的煤粉抗粘砂性能最好，这样的煤粉在浇注时能够堵塞铸型表面砂粒间的孔隙，又不使砂粒形成粘结在一起的粗颗粒。

?d）光亮碳生成量10～18％（最好在12％以上）。光亮碳是在还原性气氛中煤粉的挥发物在高温下进行气相热解而沉淀出的微细结晶，它包覆在型腔砂粒的表面上，使砂粒不被铁水润湿，从而防止粘砂缺陷。检测时需要用专门的仪器设备和较熟练的技术。一般的铸造企业不具备检测光亮碳的能力。

?（2）有效煤粉含量

?知道型砂中能起作用的有效煤粉是否足够，旧砂中残留煤粉还有多少以后，就能决定混砂时应补加多少煤粉。国外采用的办法是测定型砂和旧砂的挥发分、灼烧减量、全碳量等来间接推测煤粉的有效含量。这些试验比较繁琐和费时，而且得不出有效煤粉的具体数字。我国用测定发气量的办法比较省时，几分钟即可测定和计算出有效煤粉含量。原理是根据有效状态的煤粉在受热后发生气体，先测出0.010g煤粉发气量，再由1.0g型砂的发气量计算出型砂的有效煤粉的含量（％）。应用时需注意：a) 各厂所用煤粉质量不同，每1％有效煤粉的发气量相差很大。例如两家工厂计算得出含有效煤粉量同样为6％，一家铸件表面很差；另一工厂铸件表面不错。为了让不同工厂之间能够相互比较，建议只用每1g型砂发气量（mL/g）而不用含量（％）来说明有效煤粉量。通常高密度造型的型砂发气量可以在14～22mL/g范围内.，普通机器造型的型砂发气量可以在20～26mL/g，根据铸件大小而异。b)型砂中含有溃散的树脂砂芯，受热后也发出气体，不能与煤粉的发气量区分开。但是砂粒上的残留树脂也能起防粘砂作用，可以与煤粉含量计算在一起。

?（3）煤粉的代用品

?目前我国有多种煤粉代用品商品供应。例如植物树脂、含油膨润土和淀粉等材料可用来替代煤粉。其中淀粉材料的抗粘砂效果与优质煤粉基本相当。但只适合用来生产灰铁铸件，如用于生产球铁件有可能产生皮下气孔缺陷，因为不能产生足够还原性气氛。也有的商品是以煤粉为主，掺加少量其它材料，可能也有抗粘砂效果。但还有些“煤粉代用品”商品，其具体配方不详，又缺乏质量评价和检测标准。用户应当慎重选择，靠浇注试验来判断。可用小混砂机，加入同样的新砂和膨润土，分别加入不同抗粘砂材料，混制的型砂应设法保持透气率相同或接近，造型硬度相同，浇注温度相同。比较铸件表面光洁程度，然后即可做出选用决定。

?（4）国外应用的新情况

?国外抗粘砂商品主要有两类：?a)高效煤粉：在煤粉中加入20～40％高软化点石油沥青，使其光亮碳含量提高到12～20％，抗粘砂能力大为提高，现在我国也有几家公司供应高效煤粉。?b)混合附加物：是优质膨润土与优质煤粉的混合物。如有特殊需要，也可再加入淀粉、木粉等材料。大型铸造工厂中，同一条生产线中的产品特征接近，膨润土与煤粉的比例不需经常改变。采用混合附加物易于控制管理，设备简化。配方由供需双方的工程师根据具体的铸件生产条件共同制定。

?（5）煤粉补加量

?单一砂混砂时煤粉的补加量首先取决于煤粉本身的品质优劣如何，同时也受砂/铁比、铸件厚度、浇注温度、冷却时间、清理方法、对铸件表面光洁度具体要求等等因素的影响。目前东正汽配公司震压造型、（铃木）林州铸造有限公司新东线、中大汽配公司1420流水线、河南龙鼎铸业有限公司挤压造型线和鸿兴精密铸造公司的东久线等湿型单一砂配方有许多种。混砂时煤粉加入量最高者3～4％，最低者0.3～0.5％。上述工厂中大多数的煤粉补加量相差很多，除与砂处理设备的能力和调试有关外，其主要原因在于这些工厂所用煤粉品质低。根据近几年我国个别工厂使用高效煤粉的经验表明，一般湿型铸铁件单一砂的混砂煤粉补加量在0.3～0.5％之间，个别厚大件为0.7％。鸿兴精密铸造东久线砂铁比平均10:1，采用法迪尔克砂处理系统混砂的，高效煤粉加入量仅为0.2～0.4％。由此可见，即使高效煤粉价格稍高（不到普通煤粉的两倍），但消耗量仅为普通煤粉的几分之一。使用高效煤粉不仅生产成本大幅度下降，还节省了贮存和运输费用。而且型砂中含泥量、含水量、大幅度下降，韧性、透气率、起模性得到提高。不但铸件表面光洁，而且气孔、砂孔等缺陷必然明显减少。

?(6)煤粉在湿型砂中所起的作用

?黏土湿型砂中加入煤粉，其在铸件成形过程中的作用主要有4个方面：

?a.铁液注入砂型后，使型砂中的煤粉受热分解，所释放的还原性气体在型腔中能防止铁液氧化，防止铸件表面形成FeO，这对于防止黏砂缺陷有非常重要的作用

?b.铁液注满型腔后，型内气氛为还原性气氛，在这种条件下，煤粉析出的烃类气体，会凝聚于铸型表面，形成光亮碳膜，能防止黏砂并使铸件轮廓清晰

?c.靠近金属-铸型界面处，型砂中的煤粉受热而发生焦化反应时，先软化并发生体积收缩，然后再膨胀。煤粉的软化温度与石英的相变膨胀温度大致相同，可以容让砂粒的膨胀。因而可防止铸件上出现夹砂、鼠尾之类的膨胀缺陷，并改善铸件尺寸的稳定性。

?d.煤粉焦化时发生体积膨胀，能填塞铸型表面层砂粒间的空隙，使铁液及产生的易熔硅酸盐难以渗入，从而改善铸件的表面质量。同时，离开铸型表面一定距离处仍然能保持应有的透气性。

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