漫談濕砂型鑄件表面缺陷
與其它鑄造方法相比，濕型鑄件是較容易產(chǎn)生粘砂、砂孔、夾砂、氣孔等缺陷的。如果鑄造工廠注意控制濕型砂的品質(zhì)，這些缺陷本來是有可能減少或避免。以下用實例說明型砂性能與鑄件表面缺陷的關(guān)系。
一．粘砂
研究工作表明，一般濕砂型鑄件，不論鑄鋼還是鑄鐵，粘砂缺陷都是屬于機械粘砂，而不是化學(xué)粘砂。機械粘砂的產(chǎn)生原因有多種，最多見的如下的實例：
1．砂粒太粗和透氣性過高，金屬液容易鉆入砂粒間孔隙，使鑄件表面粗糙，或?qū)⑸傲０潭ㄔ诒砻嫔稀＝K某外資工廠的鑄鐵舊砂中不斷混入大量30/50目粗粒芯砂，以致型砂透氣性達到220以上，鑄件表面極為粗糙。內(nèi)蒙某工廠鑄鋼車間的氣動微震造型機生產(chǎn)中、小鑄件。使用主要集中在40目的40/70粗粒石英砂混制型砂，鑄件表面產(chǎn)生嚴重粘砂。平時不檢測型砂透氣性，認為已經(jīng)符合工藝規(guī)程規(guī)定的≥80。為了找到粘砂原因而專門檢測一次，發(fā)現(xiàn)透氣性居然高達1070左右，表明這就是產(chǎn)生粘砂的原因。因此型砂透氣性必須有上限，型砂粒度粗細和透氣性應(yīng)當(dāng)處于適宜范圍內(nèi)。一般震壓機器造型單一砂最適宜的型砂粒度大多為70/140目，透氣性大致為70~100，高密度造型的型砂粒度最好是50/140或100/50，透氣性為80~140。有些生產(chǎn)發(fā)動機的鑄造廠大量使用50/100目粗原砂制造砂芯，落砂時不斷混入舊砂中，使型砂透氣性可能達到180以上，就應(yīng)加入100/140目細砂，或?qū)⑿鞣蛛x器中的細顆粒部分返回到舊砂中，以便糾正型砂粒度。
2．鑄鐵型砂中煤粉含量不足或煤粉品質(zhì)不良。北京某鑄造廠生產(chǎn)高速列車剎車盤，鑄件材質(zhì)符合要求，而表面有嚴重粘砂，需整體打磨后才能交貨。型砂中所用煤粉來自郊區(qū)一家關(guān)系密切的私營小供應(yīng)商。粘砂的產(chǎn)生原因可能是煤粉品質(zhì)太差，還可能是型砂中有效煤粉量也不足夠。安徽某閥門總廠使用的“煤粉”是生產(chǎn)焦炭洗選下來的廢料，灰分高達76%。使用后整個型砂性能遭破壞，鑄件廢品超過一半。鑄造工廠應(yīng)該對購入的煤粉品質(zhì)加強檢驗。優(yōu)質(zhì)煤粉要求灰分≤10%，揮發(fā)分30~37%，焦渣特征4~5級。型砂的有效煤粉含量可以用發(fā)氣量進行檢測。中小灰鐵鑄件震壓造型應(yīng)用普通煤粉的的型砂每1g的發(fā)氣量大約在22~26mL，折合普通品質(zhì)有效煤粉量約為6~7％，或優(yōu)質(zhì)煤粉5~6％，或增效煤粉4~5％。高緊實度造型用型砂發(fā)氣量大體在18~24mL，折合增效煤粉含量3~4%。我國一些外資鑄造工廠大多用灼減量（LOI）估計鑄鐵用濕型砂抗粘砂性能。例如江蘇一汽車鑄件廠的靜壓造型線規(guī)定面砂的灼減量為4.10±0.30%。國內(nèi)有多家造型材料公司供應(yīng)各種“煤粉代用品”。鑄造廠應(yīng)先進行澆注試驗，與優(yōu)質(zhì)煤粉或增效煤粉比較鑄件表面效果、型砂性能變化以及鑄件生產(chǎn)成本，然后確定是否選用。
二．砂孔
鑄件表面的砂孔和渣孔通常合稱為“砂眼”。渣孔大多是由于用了稻草灰或干砂當(dāng)做聚渣劑形成的。關(guān)于砂孔的形成原因如以下幾個實例：
1．天津某合資鑄造廠手工造型生產(chǎn)電機殼等中、小灰鐵鑄件。主要缺陷是整個鑄件上表面都可看到彌散分布的砂粒。分析這種砂孔形成原因是沖砂，是澆注系統(tǒng)和型腔被鐵液沖蝕而掉落的零散砂粒漂浮在液面上形成的。該廠平常并不控制型砂品質(zhì)，據(jù)云以前曾檢測濕壓強度只有25kPa。手工造型用型砂濕壓強度最好在70~80kPa左右，震壓機器造型應(yīng)90～120kPa。如果是高密度造型，型砂濕壓強度可以是140~180 kPa。大件可以再增高些。為了提高型砂的濕壓強度，應(yīng)避免使用劣質(zhì)膨潤土，0.2g膨潤土吸藍量最好在35mL以上。型砂還需要含有足夠的有效膨潤土，例如高密度造型的型砂5g吸藍量大多在55~65mL。折合優(yōu)質(zhì)有效膨潤土量6~7%。
2．山東某鑄造工廠只有一臺震壓造型機，上班后先造下型鋪滿地面和下芯。半天以后更換模板制造上型和扣箱合型，準備澆鑄。鑄件經(jīng)常出現(xiàn)砂孔等缺陷。其原因是濕砂型表面脫水干燥后表面強度急劇下降，表面砂粒很容易被沖蝕落入鐵液中。天氣干燥季節(jié)中“風(fēng)干”現(xiàn)象更加嚴重。濕型砂下箱敞開時間最好不超過半小時。如果發(fā)覺砂型表面有干燥脫水的跡象，合型前應(yīng)用噴霧器向砂型表面噴水使恢復(fù)潮濕狀態(tài)。天津某日資汽車發(fā)動機廠過去曾用進口表面強化劑噴涂型腔表面，現(xiàn)也改用噴水。
3．四川某汽車件鑄造廠使用靜壓造型機流水線生產(chǎn)汽缸體和汽缸蓋，鑄件表面都有多少不等的砂孔。該廠型砂采用本省品質(zhì)不高的膨潤土和煤粉，未對舊砂進行經(jīng)常性除塵處理，致使舊砂中含泥量有時升高達到24％。為了保持型砂含水量4.0％左右以防止產(chǎn)生氣孔缺陷，不得不將型砂緊實率壓低在27～32％范圍內(nèi)。型砂的濕壓強度并不低，在170～210kPa，不是產(chǎn)生砂孔的原因。由于型砂的灰分過高和緊實率很低，影響韌性不足，破碎指數(shù)只有65～75％左右。這種型砂性能太脆，起模性差，砂型的棱角和邊緣容易破碎，因而引起砂孔缺陷。該廠應(yīng)當(dāng)改用優(yōu)質(zhì)膨潤土和煤粉；還應(yīng)使用舊砂除塵設(shè)備，將舊砂含泥量控制在12%以下，型砂含泥量不超過13%；將型砂破碎指數(shù)控制為80～85％。在造型處的型砂緊實率提高為35～38％，含水量為3.2~3.6%，使(緊實率)/(含水量)的比例在10~12的范圍內(nèi)。這樣就能提高型砂韌性和減少砂孔缺陷。上海、北京、哈爾濱有幾家工廠在砂子中加入少量α-淀粉用來改善型砂韌性，降低起模摩擦阻力，增強表面風(fēng)干強度。對防止砂孔缺陷和改善鑄件表面光潔程度都有益處。
4．河南某拖拉機廠的發(fā)動機鑄造分廠由于大量冷芯盒砂芯的混入，使型砂變脆，起模性能越來越差。不但砂型邊棱易碎，而且吊砂易斷。根據(jù)工廠規(guī)定，碾輪混砂機的周期時間只有3min，不能加長混砂時間以免影響造型機用砂需要。后來盡最大努力使混砂周期延長了1min，發(fā)現(xiàn)型砂的手感起了變化，起模性也有了改善。這說明原來的混砂時間太短，不能混制出優(yōu)良的型砂性能。
三．夾砂（結(jié)疤、起皮）
自從國內(nèi)有多家公司供應(yīng)優(yōu)質(zhì)活化膨潤土以來，濕型鑄件表面夾砂缺陷已大為減少。但是個別濕型鑄造工廠還會意外地產(chǎn)生夾砂缺陷。
1．江西一家小型汽車修配廠希望用濕型生產(chǎn)摩托車發(fā)動機鋁鑄件。開始時曾借來兩只牛皮紙袋的仇山“陶土”供混砂使用。后來又到物資部門購買了兩只麻袋包裝的陶土。但是發(fā)現(xiàn)新購來陶土的型砂粘結(jié)力很低，砂型在火爐旁烘烤后開裂起皮,澆注鑄件出現(xiàn)嚴重夾砂缺陷。當(dāng)時用極為簡陋的條件檢查兩種粘土的泥漿是否能用堿活化變稠。證明麻袋中不是膨潤土而是真正陶土，不可用于濕型鑄造。出現(xiàn)問題的原因是當(dāng)初地質(zhì)部門將呈微弱酸性的鈣基膨潤土稱為“酸性陶土”。而很多鑄造工廠又將“酸性陶土”簡稱為“陶土”。結(jié)果把以蒙脫石為主要礦物成分的膨潤土與以高岺石為主要礦物成分的真正陶土（即普通粘土）混淆在一起。真正的陶土主要用來燒制陶瓷，不適合濕型鑄造使用。鑄造工廠也可以用吸藍量來鑒別兩種不同的粘土礦物，0.2g膨潤土吸附亞甲基藍在25~45mL，而普通粘土吸藍量只有膨潤土的十分之一。
2．水質(zhì)的影響：天津的一家臺資鑄造工廠，使用擠壓造型機生產(chǎn)出口鑄鐵煎鍋。用優(yōu)質(zhì)活化膨潤土混砂，型砂的濕壓強度200～250kPa，緊實率35～38％，含水量3％左右。但是后來鑄件靠近內(nèi)澆道處產(chǎn)生夾砂缺陷，懷疑混砂所用井水有問題。該廠原來混砂用深井水的井管被堵塞。老板為了節(jié)約，打了一口20m淺井供混砂加水之用。工人發(fā)現(xiàn)這口井的水咸不能喝，洗手搓肥皂也不起泡沫。經(jīng)化驗這種淺井水中含有大量鈉、鎂、氯離子，對活化膨潤土有強烈的反活化作用，用來混砂生產(chǎn)鑄件容易產(chǎn)生夾砂缺陷。從鄰近工廠引來飲用水混砂后，仍不能完全消除原來水質(zhì)的影響。江蘇有一家擠壓造型生產(chǎn)冰箱壓縮機鑄件工廠，使用流經(jīng)工廠外面小河中的河水混砂，適逢河水上游有化工廠向水中排廢水而引起鑄件產(chǎn)生夾砂缺陷，其原因也是由于廢水的反活化效應(yīng)。如果懷疑水質(zhì)是否適合混砂，可以取2g或3g膨潤土分別用純凈水和待試水測定膨潤值，或膨脹倍數(shù)和自由膨脹量，如果待試水的測試結(jié)果比純凈水低很多，就表明待試水的品質(zhì)不可用。
四. 氣孔
鑄件的氣孔缺陷主要有裹攜氣孔、侵入氣孔、析出氣孔和反應(yīng)氣孔四個類型。以下舉例說明工廠中常見氣孔的生成原因和防止措施。
1．鑒別氣孔的類型和生成原因都是不容易的。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，提高澆注溫度30~50℃經(jīng)常可以減少任何類型氣孔缺陷的發(fā)生。應(yīng)當(dāng)注意每包鐵液澆注最后一兩個砂型的溫度，因為這時包中鐵液溫度已然下降而容易產(chǎn)生氣孔缺陷。天津某臺資鑄造廠生產(chǎn)工業(yè)縫紉機殼體，每臺鐵液本可以澆注7個砂型，但是只澆5個砂型。剩在包中鐵液倒回電爐中，然后再重新接一滿包鐵液去澆注砂型，就是為了保持澆注溫度，減少氣孔缺陷。
2．北京某日資工廠曾發(fā)現(xiàn)一個有氣孔缺陷的鑄件，鋸開后看到氣孔呈一個個連續(xù)上浮狀態(tài)。估計在產(chǎn)生氣孔的界面上背壓力超過了鐵液的靜壓力引起侵入氣孔，但已無法判斷氣源是何物。有的工廠將舊砂堆當(dāng)做垃圾堆，香煙頭、冰棍捧、廢紙團、瓜籽皮……扔到舊砂，混入型砂中都可能形成氣孔缺陷。有些外資鑄造工廠嚴格禁止在廠區(qū)中吸煙也是預(yù)防氣孔的有效措施之一。
3．山東某廠生產(chǎn)中等大小出口閥門鑄鐵件，用震擊造型機造型，冷芯盒制砂芯。該廠采取兩天連續(xù)造型和下芯、合型，每隔一天沖天爐開爐澆注一次。所生產(chǎn)鑄件氣孔廢品率極高。分析其原因是砂芯吸潮發(fā)氣進入鐵液中造成的侵入氣孔。冷芯盒砂芯長時間放置在相對濕度極高的砂型中很容易吸潮。澆注時不僅粘結(jié)劑發(fā)氣，而且砂芯吸收的水分也發(fā)出大量水汽，因而容易產(chǎn)生氣孔缺陷。應(yīng)當(dāng)將隔日開爐攺為每日開爐，或者造型后先合空型，待開爐日再開箱下芯、合箱澆注。既可以防止砂芯吸潮，又可以減少砂型風(fēng)干脫水，使氣孔缺陷大為減少。多開出氣冒口，增大排氣能力。適當(dāng)提高澆注速度，迅速建立靜壓力抵制界面氣體侵入，也對防止侵入氣孔有好處。
4．從河南、山東、遼寧、吉林…等發(fā)動機鑄造工廠的氣孔缺陷生成情況來看，所遇到的氣孔仍多屬于砂芯發(fā)生氣體的侵入氣孔缺陷，很少是析出性的氮針孔。因為所用砂芯的粘結(jié)劑都改為含氮量較低的樹脂，而且必要時在芯砂中和涂料中加入適當(dāng)?shù)难趸F。因此首先應(yīng)當(dāng)加強砂芯的排氣能力。砂芯中間應(yīng)開通暢的排氣孔。對于厚大斷面砂芯可以抽成空心或分半挖成網(wǎng)格形內(nèi)腔而后粘合。樹脂自硬砂芯最常用的排氣辦法是使用尼龍編織管，制芯時可以方便地沿砂芯的任意形狀預(yù)埋在砂芯中。熱芯盒、冷芯盒和殼芯都是整體射制的，不能預(yù)埋排氣管路，可以安放通氣針或棒，在取芯之前或之后抽出。但是更多的是在砂芯硬化后用硬質(zhì)合金鉆頭從芯頭鉆孔幫助排氣。例如山西某液壓件廠生產(chǎn)形狀極為復(fù)雜的液壓閥，將殼芯所有芯頭都甪鉆頭鉆盲孔幫助排氣。西班牙有一家生產(chǎn)小轎車的鑄造工廠，制出氣缸蓋的水套砂芯用專門多頭鉆床自下向上地將水套砂芯的各個冷卻水通道芯頭同時鉆出盲孔。較大砂芯下芯時，如果芯頭與芯座的間隙過大，會出現(xiàn)鐵液鉆入砂芯通氣孔現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)用耐火纖維氈墊、泥條、石棉繩等密封材料圍封砂芯芯頭。還要注意高溫快澆，迅速建立起鐵水壓力超過發(fā)氣點背壓力使氣體不能鉆入鐵液中成為氣泡。即使氣體已經(jīng)鉆入鐵液中，也能漂浮和隨著鐵液進入排氣冒口排出。另外，采用低發(fā)氣量粘結(jié)劑對防止氣孔缺陷是必要的，例如北京某工廠生產(chǎn)英國的煤氣爐燃燒圈只有一個芯頭，排氣困難，就盡量將殼芯的發(fā)氣量控制在12mL/g以下，而且高溫快速澆注。
5．山西某廠使用擠壓造型機生產(chǎn)灰鑄鐵曲軸，在鑄件表面和皮下形成宻集的小氣孔。一般為直徑1～3mm的小孔，大多存在于表皮內(nèi)1~3mm處，拋丸清理或粗加工時露出。此工廠不用樹脂砂芯，不會產(chǎn)生氮氣孔，缺陷應(yīng)當(dāng)屬于反應(yīng)氣孔。即金屬液與鑄型在界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體溶解在金屬液中。冷卻時溶解度降低析出成氣泡。鑄件材質(zhì)為灰鐵，也排除掉鐵液中鎂或稀土與砂型中水分引起反應(yīng)。懷疑是爐料和孕育劑有可能將鋁、鈦帶入鐵液中。因為鋁、鈦與水反應(yīng)放出極易溶入鐵液層中的原子態(tài)[H]。該層凝固時氫的溶解度降低而以分子態(tài)氣相析出和長大成氫氣泡。由該廠硅鐵孕育劑的分析報告中看到含鋁量達到1.86%，可能是產(chǎn)生皮下氣孔的主要原因。硅鐵孕育劑的含鋁量最好為1.0%左右，最多不可超過1.5％。對于隨流孕育用硅鐵，不但要控制較低的含鋁量，而且要限制加入量一般不超過0.08~0.10％。為了防止鋁、鈦等元素與水的反應(yīng)，擠壓造型的型砂含水量也必須控制在不高于4%。
6．球墨鑄鐵的鐵液澆注入濕砂型后，殘留鎂同水分子中氧強烈反應(yīng)而產(chǎn)生原子態(tài)[H]，是產(chǎn)生皮下氣孔缺陷的主要原因。必須采取冶煉和工藝兩方面的措施才能防止反應(yīng)氣孔的產(chǎn)生。河北某球墨鑄鐵工廠是生產(chǎn)載重汽車離合器壓盤等球墨鑄鐵件的專業(yè)廠，鑄件無皮下氣孔。從該廠冶煉角度來分析其避免氣孔的原因是各項指標都未超出常規(guī)范圍。例如使用優(yōu)質(zhì)鑄造焦，沖天爐出爐溫度在1480℃以上，球化處理包的內(nèi)腔深度為直徑的1.5~2倍，澆包和型腔表面抖冰晶石粉，鐵水含硫0.03~0.04%，殘留鎂量為0.40~0.46%。但是從工藝角度來分析：面砂含水量高達7.0~7.6%，遠遠超過通常認為的最多不可超過5.5%。分析其不出氣孔的原因可能是：（1）型砂加入了大量煤粉，灼減量高達7.0~7.9%。超過通常的4~5%。未測型砂發(fā)氣量，估計在35mL/5g以上。澆注后露出的鑄件表面呈現(xiàn)深藍色，表明澆注時型腔中為大量強烈還原性氣氛，將型腔中水汽沖淡。（2）砂型透氣性100，并扎有大量排氣孔，澆注生成的水汽大部分排出型腔以外，減少了可能參與反應(yīng)的水汽。（3）面砂含水量雖然相當(dāng)高，但含泥量高達21%。因此測得緊實率只有36%左右，說明型砂并不潮濕。可能泥分吸收了大量水分，減緩了化學(xué)反應(yīng)的速度。因此可以設(shè)想產(chǎn)生反應(yīng)氣孔缺陷主要取決于緊實率（即型砂干濕程度），而不是含水量。
五. 討論
1．獲得優(yōu)質(zhì)型砂的條件首先是選用優(yōu)質(zhì)原材料，也還需要應(yīng)用優(yōu)良的混砂過程。一些技術(shù)管理比較嚴格的濕型砂鑄造工廠要求在每班結(jié)束前將混砂機中的砂子完全清除干凈。美國主要的濕型鑄造廠大多要求混砂機刮板與底盤的距離為一個硬幣厚度。日本幾家使用碾輪式混砂機的汽車件鑄造工廠的混砂周期都是6min。但是我國有的鑄造廠的混砂機碾盤中和碾輪上的砂子都長期不清理，刮板磨損也不調(diào)整，碾輪混砂時間最多3min。這怎樣能夠混制出優(yōu)良品質(zhì)的型砂呢？
2．型砂品質(zhì)表現(xiàn)在于性能如何，加強型砂性能的檢測和控制才能制備出優(yōu)等型砂。江蘇某日資汽車件鑄造工廠靜壓造型線用面砂的日常檢測項目有二十余種，還未包括背砂和原材料的檢測項目在內(nèi)。我國有的鑄造工廠的型砂實驗室中儀器設(shè)備簡陋，濕型砂性能的日常檢測項目可能只有三、四種。怎能根據(jù)測得結(jié)果說明鑄件表面缺陷產(chǎn)生原因呢？又怎能用來降低鑄件廢品率呢？
