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关于砂型铸造的问题

日期:2019-11-25 22:59

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  砂型铸件表面的机械粘砂是金属液直接钻入砂型砂粒间孔隙,靠金属的包围和钩连作用与砂粒连结在一起,没有发生化学反应。产生化学粘砂的原因是高温金属液可能被氧化而生成金属氧化物,主要产物是氧化亚铁FeO,其熔点为1370℃。FeO与型砂的SiO2起化学反应生成硅酸亚铁(即铁橄榄石FeOSiO2),化学反应如下:

  硅酸亚铁的熔点极低,仅有1220℃,因此流动性很好,即使铸件表面已有凝固壳,新生成的硅酸亚铁仍呈液态,易于渗透入砂型孔隙中。凝结后的硅酸亚铁对铸件和型砂都有极强的粘结性,能够将型砂牢固粘附在铸件表面上而成个化学粘砂。

  用湿型砂生产铸铁件一般只形成机械粘砂,而不会形成化学粘砂。这是因为铁液中含有多量碳,不会产生大量氧化铁等金属氧化物。砂型中又含有相当多的煤粉,浇注时产生的还原性气氛能防止金属氧化物。原砂的SiO2含量较低也不是湿型铸铁件形成化学粘砂的必然条件。研究结果表明,使用SiO2含量只有82%左右的黄河风积砂,用湿型生产铸铁件并未发现有化学粘砂。

  ⑴显微观查:从粘砂层上敲取一小块,用液体树脂固定并磨制成试样,用金相显微镜观察。如果是机械粘砂,可以清楚看到单个砂粒夹在金属之中。渗入的金属与砂粒间有明显的分界线,不存在任何化学反应产物。渗入的金属金相组识与铸件本体的金相组织一致(见图2)。如果是化学粘砂,则可以看见在粘砂层中有新生相将铸件和砂粒粘连(见图3)。

  ⑵电测:机械粘砂中连结物是金属,具有良好的导电能力。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。如果电阻接近为零,表明粘砂是金属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。

  ⑶化学鉴别:用扁铲凿下一小块粘砂块,浸入盛有浓盐酸的试管中。如果缓慢发生气泡,一夜之后液体颜色由无色透明变为棕红色。反应终了时粘砂块消失,试管底部留下少数单个砂粒,说明是机械粘砂,铁质部分已被盐酸溶解成为氯化铁。化学反应式为:

  如果是化学粘砂,则气泡产生很少,酸液也没有明显的变化。最后的残留物是多孔性团絮状物质。

  实际生产经验表明,湿型铸件的重量一般不超过一、二百千克,壁厚大多不超过50mm,型砂中水分引起激冷效应使铸件外壳较快冷却和凝固,对型砂的加热作用并不过分严重。虽然铸铁用原砂中除了含有石英(熔点1715℃)以外,还含有相当数量熔点较低的长石(熔点1170~1550℃)、云母(熔点1150~1400℃)及其它矿物质,但同时铸铁湿型砂中含有的煤粉抑制了氧化铁的生成,因而不致引起化学反应。生产经验表明,湿型铸钢件一般也都是机械粘砂,而不是化学粘砂。这是因为湿型铸钢件都不是厚大铸件,而且所用硅砂含SiO2较高,铸件对型砂的热作用并不严重,不产生明显多的铁橄榄石。

  手工造型和震压造型的紧实程度如果较低,则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。如金属液钻入砂粒之间孔隙不深,将使铸件表面显得粗糙;钻入较深和包裹砂粒则形成机械粘砂。造型工人可以采取手指塞紧、用冲锤的尖头冲紧砂型局部。高生产率的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。在填砂和压实过程中采用微震提高砂型紧实程度是十分有效的。此外,也取决于紧实装置设定液压或气压的高低。图4为一灰铁汽车铸件出现机械粘砂,使用进口静压造型机,一箱两件。但液压系统的压力调节不适当,砂箱的压实比压较低;而且两件之间和与砂箱的吃砂量仅有25mm左右。砂型平面硬度只有50~60,边缘侧面硬度不足40。

  湿型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能力又不可太高,以免金属液容易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,面砂透气率40~60大约已然合适。机器造型湿型单一砂的型砂粒度大致在70/140目,透气率大多在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能力。粒度大多在50/140或140/50目,透气率较多集中在100~140。很多工厂的砂芯用原砂粒度比型砂粒度粗,例如汽车发动机缸体砂芯用原砂粒度为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。以致有些工厂的型砂透气率高达160以上,甚至达到200左右。除非在砂型表面喷涂料,否则铸件表面变得粗糙,甚至可能有局部机械粘砂。美国有一工厂在混制湿型砂时加入100、140目两筛细粒新砂5%来纠正型砂变粗现象,使型砂粒度维持在50/140的四筛分布。

  金属液压力越高,机械粘砂就越严重。因此,高大铸件的底部比较容易形成机械粘砂。

  金属液温度高,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需较高浇注温度。

  生产重量较大的湿型铸件,可以向砂型的型腔喷刷醇基涂料,点燃后即可下芯与合型。一般上型可以不喷涂料,因为所受金属液压头比下型小。喷涂料的另一优点是提高了砂型表面耐冲刷能力。但是湿型用涂料的配方不同于砂芯用涂料,其强度不可太高,必须与砂型强度匹配,否则可能使涂层开裂翘皮,并使铸件产生夹砂缺陷。对内腔要求不高的一般铸铁的湿砂型中如果有树脂芯或油砂芯,为了防止金属液钻入砂芯,可以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、石英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浸或浇涂料而后表面烘干。手工生产铸铁件时,常用软毛刷将土石墨粉细心涂刷在湿砂型和砂芯表面上。也有的喷土石墨与水混合液,晾干后即可浇注。石墨粉可以填塞孔隙,又不被铁液润湿,铁液难以钻入砂粒之间。美国Caterpillar铸造工厂用高压造型大量生产工程机械大型发动机汽缸体,其克服机械粘砂的措施是靠对上、下砂型全面自动喷水基涂料。然后用大火焰喷枪自动喷烤,使涂层和砂型表层干燥。这种表面烘干的型砂所用膨润土、煤粉等材料的品种和加入量,以及型砂性能控制均不同于普通湿型砂。

  湿型铸铁件防止粘砂和改善表面光洁程度最主要的型砂加入物是煤粉。但是市售煤粉良莠不齐。一般生产中等大小铸铁件型砂中有效煤粉量可能在3.5~7.0%,主要取决于煤粉品质和对铸态表面的要求不同。为了排除煤粉品质的影响,可以只用1g型砂在900℃的发气量代表有效煤粉含量。例如普通机器造型的型砂发气量可以在20~26mL/g之间,高宻度造型的型砂发气可以是16~22mL/g范围内。国外常用测定灼减量方法估计型砂中煤粉含量是否足够多。例如有些工厂要求型砂灼减量在3.0~5.0%。在实际生产中可以观看铸件的外表形貌就可以查觉出型砂所含有效煤粉量是否合适。如果铸件表面毛糙,而型砂的透气率和砂型紧实程度都无不妥之处,可能有效煤粉不足或者煤粉品质不良。如果铸件表面有明显的蓝色,但较为粗糙,可能有效煤粉量已够,而型砂透气性偏高,或砂型紧实程度不够。

  目前我国有多种煤粉代用品商品供应。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。还有些“煤粉代用品”商品,其真实的具体配方不详,使用效果也有很大差异。用户应当靠浇注试验来判断其实际抗粘砂效果。可用同样的原砂(不可用旧砂,以免干扰试验结果)和膨润土、水,再分别加入不同抗粘砂材料混制型砂。应设法保持型砂透气率相同或接近,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。

  国外生产抗粘砂商品主要有两类:①增效煤粉(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增效煤粉。②混合附加物:是优质膨润土与优质煤粉的混合物,也可再根据需要加入淀粉、木粉等材料。大型铸造工厂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铸件生产条件共同制定。用散装罐车运送到车间,气力输送进材料罐。用户混砂时只加一种附加物即可。

  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。德国有些工厂表示煤粉补加量的单位为每100kg铁水和每1%光亮碳形成物(即有效煤粉)的煤粉补加量kg。例如Mettmann铸造工厂统计生产中光亮碳形成物(煤粉)补加量在0.14~0.27kg / 1%光亮碳形成物 / 100kg铁。德国南方化学公司的实例中砂/铁比为10:1,浇注每吨铁的ECOSIL煤粉消耗量18kg / t Fe。即浇注每吨铁水用10吨型砂,型砂中补加18kg ECOSIL煤粉,折合混砂时煤粉补加量为0.18%,如果按照我国大多数工厂砂/铁比6:1左右,则ECOSIL煤粉混砂加入量应为0.30%。根据铸造手册“造型材料”(第2版103~104页)介绍,我国东风汽车公司、一汽铸造有限公司、中国一拖集团公司、上海汽车发动机公司和南京泰克西铸铁有限公司的高密度造型线种。混砂时煤粉加入量最高者3~4%,最低者0.3~0.5%。另外一汽、泰克西、上海发动机厂的震击造型单一砂4种。混砂煤粉加入量最高者3~5%,最低者1~1.25%。上述我国工厂中大多数的煤粉补加量绝大多数的煤粉补加量高的原因在于这些工厂所用煤粉品质低。笔者由近几年我国个别工厂使用优质煤粉和增效煤粉的经验表明,一般湿型铸铁件单一砂的混砂煤粉补加量在0.15~0.3%之间,个别厚大件为0.5%。抚顺某厂的气冲线,同一车间内的挤压线,两条线共用砂处理系统混砂的增效煤粉加入量仅为0.08~0.12%。由此可见,即使优质和增效煤粉价格稍高(不到普通煤粉的两倍),但消耗量仅为普通煤粉的几分之一。使用后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。

  在机械化铸造工厂的浇注流水线上,经常看到浇注后,几乎每一个砂箱与小车台面之间都会发生爆炸,这并不会发生铸件缺陷。但是有时偶尔还可以看到另一种在型腔内部发生能够引起铸件表面粘砂的爆炸,称为爆炸粘砂。高密度造型的铸件可能会出现这种爆炸粘砂缺陷,与通常机械粘砂出现在浇注位置的下表面和热节处不同,爆炸粘砂大多发生在铸件浇注位置的上表面。爆炸产生原因是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,当金属液面上升与型腔上表面接触时水分骤然蒸发而发生爆炸,产生的巨大气体压力迫使金属液钻入砂型表面而成粘砂。有时爆炸相当猛烈,金属液甚至从冒口喷出直冲房顶。型砂含水量和紧实率高、含煤粉量高、砂型硬度高、通气条件不良和浇注速度过快时较易发生爆炸粘砂。

  ⑴铸铁件湿型砂用原砂的SiO2含量较低,例如是黄河风积砂和一些当地河砂或山砂的SiO2含量只有80%左右,原砂本身的烧结温度较低。浇注厚大件时,铸件表面被一厚层砂包裹。如果型砂中含有充分的煤粉,烧结砂层容易脱落被清理掉,不出现机械粘砂。

  ⑵河北省有一家用挤压造型机生产灰铸铁汽车件工厂,平日铸件落砂后大部分表面都能显露出来,经过短时间抛丸清理后铸件表面相当清洁。但是有一次突然发现铸件落砂后表面被一层砂子包裹。铸件抛丸清理后能够较容易地露出表面,表明铁液并未钻入砂型中,不属于机械粘砂。所出现的异常现象属于“热粘砂”缺陷。产生原因不会是原砂二氧化硅降低,因为该厂一直使用品质稳定的内蒙砂。铁液浇注温度也未过高。怀疑是膨润土公司处理活化膨润土时加入碳酸钠配料量过高引起的。碳酸钠本身是冶金用熔剂,能够降低硅砂和膨润土的烧结点和熔点而引起热粘砂。

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