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知识篇——球墨铸铁件粘砂缺陷解决方案

 

砂型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。机械粘砂是金属液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等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。球铁铸件的化学成分含碳高,不产生硅酸亚铁,所产生的粘砂只是机械粘砂。

1. 球墨铸铁大件粘砂生产大件采用粘土干型、树脂砂型、水玻璃砂型。浇注较大铸件通常采用锆英粉、铬铁矿粉、棕刚玉粉、镁砂粉、石墨粉等耐火骨料的优质涂料。但涂料厂商可能为了节约生产成本,粉料中过多掺入某些价廉材料如石英粉、铝矾土粉、焦炭粉等,就会降低其防粘砂效果。

2. 湿型中、小球铁件粘砂铸铁件型砂中大多含有煤粉,浇铸时产生大量还原性气体,不会引起化学粘砂。以下分别讨论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,金属液钻入砂粒之间孔隙之间的可能性较大,砂型型腔的坑凹处和拐角处局部也都有可能出现疏松。工人可以采取手指塞紧、用冲锤的尖头局部冲紧。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。此外也取决于对造型机紧实压力高低的设定。

(2) 浇注温度金属液温度高,流动性好,就容易渗入砂粒间孔隙而产生机械粘砂和表面粗糙。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,型砂透气率30~60已然合适。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为50/100目,比型砂粒度粗。长期生产会有大量芯砂混入型砂而使型砂粒度变粗,致使有的工厂透气率高达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    机器造型超过100余千克的较大湿型球铁铸件,可以对下砂型喷刷醇基涂料,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。用树脂芯或油砂芯生产对内腔要求不高的一般球铁铸铁时,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涂料而后表面烘干。手工生产小球墨铸铁件时,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,待自然晾干后浇注。石墨粉可以填塞孔隙,不被铁水润湿,铁水难以钻入砂粒之间。

(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,当金属液面上升与型腔上表面开始接触时水分骤然蒸发而发生爆炸。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更易发生爆炸粘砂。

(6)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加入物是煤粉。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。铸造工厂使用灰分过多的煤粉,不但不能防止铸件粘砂,而且会产生大量砂孔、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固液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。

② 有效煤粉含量又必要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,才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量。通常高密度造型的型砂发气量可以在16~22mL/g范围内.,普通机器造型的型砂发气量可以在20~26mL/g,

③ 煤粉的代用品植物树脂、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,加入同样的原砂和膨润土,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。国外生产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生产供应。

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。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。

④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。德国南方化学公司的实例采取的单位是浇注每吨铁的煤粉补充量(kg / t Fe)。所给实例的砂/铁比10:1,ECOSIL煤粉消耗量18kg / t Fe。即每吨铁用10吨型砂,其中补加18kg ECOSIL煤粉,折合混砂煤粉补加量为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湿型单一砂配方14种。混砂时煤粉加入量最多者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。混砂煤粉加入量最多者3~5%,最低者1~1.25%。上述我国工厂中大多数的煤粉补加量比南方化学公司的实例高很多。其原因在于这些工厂所用煤粉品质太低,没有使用高效煤粉。笔者由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%。抚顺某厂的气冲线和挤压线砂铁比平均11:1和7.5:1,两条线共用砂处理系统混砂的高效煤粉加入量仅为0.08~0.12%,低于德国ECOSIL煤粉混砂加入量。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。使用优质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、砂孔等缺陷必然减少。