6.铸件缺陷分析技术讲座：第六讲_粘砂

鹚一　铸　第六讲　粘砂　内蒙古工业大学（ｏｔｏｏｓ２）　萧柯则　ｉ００￥Ｉｍ（第四讲）以下。如何提高大型铸钢件的表面　质量已成为当今铸造界研究的重要课题，结合国内造　型材料资源条件研究无粘砂、表面粗糙度符合要求的　＜国际铸件缺陷图谱＞一书中，将粘砂归类到严　重的表面缺陷（Ｉ）２００），有关内容如表１。其中热粘　砂长期被看成是产生粘砂缺陷的主要原因。天然砂是　当时的造型材料，由于型砂烧结温度过低，在砂型表　面最热部位，相应铸件表面粘跗一层熔融的、呈玻璃　状的砂即为热粘砂。直到本世纪初试用合成砂，硅砂　的熔点比钢（铁与铜）的浇注温度高，只有通过化学　反应产生低熔点物质之后才会产生热粘砂，故将热粘　砂归井入化学粘砂，有关粘砂的研究减少为化学粘砂　和物理（机械）粘砂两种情况。　表ｌ锦件表面牯砂【ＩＺ￣２０）分类　编号　说明　中文名称　英文名称　Ｄ２２铸件表面牢固　化学粘砂　Ｂｕｒｎ　０　ｌ　牯附层型砂　Ｄ２２铸件表面部分　热粘砂　Ｂｕｒｎｉｎ　２　型砂熔化饶结　Ｄ２２３　铸件热节出现　机械牯砂　Ｍｅｔａｌ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　型砂和盒唇聚结　实际上铸件出现的粘砂常常以综合的形式出现。　金属在铸型表面生成的氧化物与铸型组成物反应的同　时还可能往铸型的砂粒间隙渗透，故渗透传质，不限　于金属，也有化学反应生成物。化学粘砂不只是铸件　表面粘附一层蛰砂，如同机槭粘砂一样，也探入到铸　Ｔ　件表层，应称之为化学反应渗透粘砂。　金属渗透厶　（机槭粘砂）机理可按传质的方法加　分类，按其发生相对频率依次为：　（１）液态渗透粘砂（７５％）。　（２）化学反应渗透粘砂（２０％）。　（３）气态渗透粘砂（５％）。　表层粘砂可以用砂轮打磨去除　但如铸件表面质　量要求高或缺陷严重，将导致客户拒绝验收。渗透粘　砂是砂粒与金属紧密连接与铸件粘合，非采用气割不　能去除．不仅耗费大量人力物力，且使铸件尺寸精度　差，表面质量差。且由于不髓避免的界面反应产物造　成铸件内部氧化物多，恶化铸件力学性能。随着机械　工业的发展，对铸件质量要求也越来越严梅。以火电　厂用的汽轮机缸体类铸件为便，铸件大，用合金钢浇　铸，对内部缺陷要进行超声波检测，这种检测方法要　求铸件表面十分光洁，表面Ｊ粗糙度要达到Ｒ　５０～　’　｝　２６·　’　材料与工艺是课题的主要内容，也是本讲将要讨论的　内容。　１．液态盘■渗透｛机械粘砂）　最常见的粘砂形式是液体金属进入砂粒间的孔　隙，冷却凝固后将砂粒牢固地粘在铸件表面。　这种缺陷可以从铸型／金属界面取样，界面两侧　金属化学成分和金相组织相同，说明越过界面的金属　没有成分上的改变。　金属能渗透首先在于它具备足够的温度和适宜的　流动性。如果金属对铸型材料不湿润，发生渗透所需　压力（Ｐ）应为　Ｐ＝２８０。ｓ　／ｒ　式中　——金属的表面张力　液体金属与铸型材料闻的湿润角　ｒ——孔隙半径　负号表示渗透压力（Ｐ）与金属静压力方向相　反。Ｐ值大，难渗透。为增大Ｐ应提高　项值，减　少ｒ值。　全面地描述铸型／金属界面渗透应考虑铸型内部　毛细管中可能存在的气体压力【背压）。金属静压力　（主要指浇口杯内液面压头）将促使藏体金属向砂粒　之间的孔隙渗透，而藏体金属的表面张力、渗透压力　（或称毛细管压力）和背压将阻止藏体金属向砂粒之　间的孔隙渗透。忽略背压，金属静压力等于毛细管压　力时，渗透处于临界状态，此时毛细管压力为临界值　（临界压力）。金属静压力小于渗透压力，不发生藏态　金属渗透。　当铸型材料与浇注金属问湿润角一定时，渗透压　力随金属表面张力增加而增加。虽然铸遣的金属液表　面张力在报大范围内变化，但因表面张力大的金属藏　密度也大，后者影响金属静压力更为有效，故轻金属　（镁、铝）液表面张力不高，浇出铸件不发生金属渗　透粘砂。　金属液过热度和合金的凝固范围也影响金属渗透　特性。对于一定的铸型材料，过热度过大和凝固范围　宽都增加渗透。低碱锕（０．０１３％）比中碳锕　（０．５５％）渗透压力高，不易出现渗透。凝固范围对　于浇铸合金而言是固定的，只能在浇注韫度上有选择　维普资讯 http://www.cqvip.com

余地上有选择余地。浇注温度低可有嫂减少粘砂缺　陷。　高，故成为生产中最广　采用的抗渗透粘砂材料。特　种砂较硅砂昂贵．只能用作面砂，且局部使用。　２．化学反应渗透（化学粘砂）　Ｇ。０ｄ　ｅ最早（１９３０年）发现浇注当时与以后熔　融金属铁易氧化的特性。在铸件表面存在液态氧化物　膜层，它对硅砂铸型湿润．流动性好，容易被多孔铸　型所吸收，进一步与硅砂作用形成硅酸铁．因此渗透　物包括了氧化铁与硅酸铁。　不同的溶质（包括杂质和附加物）对不同金属的　表面张力有不同的影响。一般可以把溶质分为两类：　类是能使液态金属表面张力降低的溶质，这种溶质　对该金属来说事ｉ：为液态金属的表面活性物质，钢中的　氧和硫属这类物质，能降低渗透压力，助长粘砂；另　类是使液态金属表面张力增加的溶质，这种溶质对　该金属来说称为液态金属的表面非活性物质。微量锰　和铈对镁来说是表面非活性元素．因为它们使镁液表　面张力增加，不易渗透。　对黑色金属而言，磷、硅或锰的含量过高；对铜　合金而言，磷或铅的含量过高。都使液态金属表面张　力过低．导致｛戎卷金属渗透牯砂。　从上式看出，砂型中微孔或砂粒间隙减少时．渗　透压力增大，有技硪少粘砂。通常可通过紧实、用细　砂、涤填充物和刷涂料达刊。　（１）紧实浇注一般铸件．液体金属的静压力多　低于ｌｋＰａ，因此一般湿型的紧实度控制在１．６ｇ／ｃｎｌ３　硅酸铁将铸型中砂粒缚住，与铸件表面牯牢。由　于铸型中温度剧降．这一粘牢过程仅限于铸件表面的　薄层型砂．不会探入到铸型中去。液态的硅酸铁还会　堵塞薄层往里的铸型孔隙，使液态金属渗透很难发　生，故薄层化学粘砂层全部是氧化铁与砂粒及反应生　成物所掏成　铸件壁愈厚（＞５０ｍｍ）．化学反应渗透愈显著。　曾发现氧化物或硅酸盐的渗透层深达１５～２０ｃｍ．与　此相对应的铸型温度虽未达到锯的固相温度，但化学　反应仍很旺盛，铁的硅酸盐继续形成，说明金属氧化　物是反应性溶质，是造成化学反应渗透的主要因素。　左右是合适的。高压、射压造型时，砂型的紧实度大　于１．７ｇ，ｃｎｌ３。与这一紧实度范围相对应的孔隙率为　３０％～蚰％。孔隙率是微孔容积对铸型的容积的此。　紧实度高，微孔容积缩减，孔隙率低。但如原砂颗粒　组成分散，效果更佳。　（２）用细砂表２中第２号砂为细砂．通常用细　为此，减少化学反应渗透的两条主要措施是：①　浇注时使液谎不被氧化。②使用反应性弱的原砂。保　护液流免于氧化。对湿型铸钢而言，湿型中水分便是　种强烈的氧化源。用最低水分造型．不仅可获得最　高紧实度．减少液态金属渗透．同时金属较少氧化，　化学粘砂步。树脂等有机粘结剂砂对减步氧化也是有　和的。　度数（ＡＦＳＧＦＮ）表示。与第１号砂都　水玻璃为粘　结剂组成的型砂，绝大多数微孔半径ｒ＝８～２０／￣ｍ．　而较粗１号砂徽孔尺寸ｒ＝３０－－４０／￣ｒｎ。如表面张力和　湿润角相同，微孔半径小，渗透压力大，不易发生渗　有效减少化学反应渗透是使用反应倾向比硅砂弱　的特种砂作为面砂。高锰钢最易产生化学反应渗透，　透现象。用砂细对膀止金属渗透很有效果。　（３）添细粉锌钢原砂较粗时．常加硅砂粉减小　孔晾半径．　增加渗透压力。加入量不可过低（＞　３０％），方能达到表２第２号砂相同水平孔晾率，具　有相近抗渗透能力。　（４）型／芯涂料增加型／芯面层紧实度可　上耐　用镁橄榄石砂成功地遏止了高锰钢中大量氧化锰对铸　型的侵蚀。用锗砂和铬铁矿砂混合作为面砂，用村脂　为粘结剂已生产出最大铸件壁厚达２．５ｍ。　目前国产的锆砂粒度较细，大部会加工为材料．　作为涂料的骨料使用。近年来由于矿物学和流变学的　发展，涂料已发展成防止化学反应渗透的最有效手　段。　火涂料。当涂敷的型／芯本体紧实度不够时，不能指　望涂层对它进行弥补。涂料的抗渗透作用还在于依附　的型／芯本体在这方面的本能。　上是有关减小孔隙半径的讨论。当型砂原砂为　特种砂（锆砂、铬铁矿砂和镁橄榄石砂）时．效果特　别显著。这不仅因为它们的紧实度（ｇ，ｃｍ３）比硅砂　型高．同时抗烧结．孔隙率低而稳定，使渗透压力　３．气志渗透粘砂　在渗透现象有关的质量传输机理中，气态渗透机　理是目前最有争论的。它是～种蒸发一扩散过程。在　金属／铸型界面上，有金属质点蒸发扩散进入微孔结　构铸型．在砂粒上分解或凝聚出金属或氧化膜　这是　在本世纪５０年代由Ｅｍｍｏｎｓ最早提出的。这种现象　常见于大型铸钢（铁）件．其凝固时间动辄　小时计。　衰２两种细度数祷钢用砂　啼孔尺寸／ｒａｍ　．　【Ｉ＿６　０　４２５　０　３　０．２１２　０．１５　０．１０６　０．０７５　０．０５３　底盘　１号砂，（％）（５０．￣ＡＦＳ６Ｆｍ　２号砂／ｆ％）《１２１　９６ＡＰＳＧＦＮ）　０．１　０．０６　４．４　２０．３４　５８．８　１４　６４　１　２　５．２　１２．８８　１０．１４　１４．４４　１４．３４　０．１４　０．０８　０．０４　６．０８　６．８６　２８．２　维普资讯 http://www.cqvip.com

或者铸铁浇温过高，烟雾浓重，代表铁和氧化铁挥　发。温度和氧的浓度是气态传输的热力学条件。通过　传输的气态铁不一定是形成粘砂的根源，而是凝聚膜　引起的孔隙率的变化使液态金属渗透增加。　越过界面的金属质点包括元素铁蒸气和金属一氧　分子（ＦｅＯ）２。同时钢中锰元素也　锰蒸气和可挥发　氧化物（ＭｎＯ）　，　其极高的蒸气压在传输过程中发　挥作用。　虽然传输过程中，被传输的金属数量不大，但金　属以薄膜方式裹附在砂粒表面，会改变金属／铸型系　统中的可澜湿特性，以金属一金属蒸气一金属沉积为　主的金属／铸型系统的湿润角都小于９０。，故是可润湿　的。有别于前面公式中　都大于９Ｏ。的不润湿特性　渗透压力Ｐ的符号为正，它不阻碍液体金属的渗透　由于金属静压力和渗透压力的联合作用，铸件将产生　严重的液态金属渗透粘砂。　膜层改变了砂粒表面凸凹不平的表面状态。铸型　的传热特性．特别是高温时的颗粒闻辐射特性被强　化。铸型中有关部位传热达到更高温度，因使液态金　属传输达到较大深度，也是粘砂恶化另一原因。　般液态金属渗透在金属开始凝固时便终止。但　气态传输继续运作，在低至５３８℃的低温时，仍有相　当数量的质量传输。液态金属渗透后在颗粒问的空豫　中进行这种气态传质。在大件浇注时，玲却需数十个　小时。特别是芯孔被厚断面所环绕，冷却更慢，气态　传输使这些地区的渗透持久不衰，对粘砂起了很重要　的作用，不容忽视。　４．防止渗遗　粘砂缺陷（Ａｄｈｅｒｉｎｇ　ｓａＩｌｄ　Ｄｅｆｅｃｔｓ）按其缺陷程　度可分为渗透与未渗透两种。渗透性粘砂可导致铸件　报废，应设法加　防止。　防止渗透最有效的途径是采用高紧实度（密度）　铸型，铸型各部包括内角和伸出部紧实均匀，采用耐　火度高、反应性低的特种砂作原砂。例如采用铬铁矿　砂浇注浇温较高的合金钢铸件及大型铸钢件。采用锆　砂与铬铁矿砂渗合造型浇注厚壁铸钢件。因为锆砂混　入铬铁矿砂可减少涌入铸型孔隙的ＦｅＯ量、化学反　应渗透相对减少。　铬铁矿砂的耐火度高，导热系数大，蓄热能力　强，高温热膨胀系数小，化学性质稳定，是公认的最　佳生产大型铸钢件的理想面砂和芯砂，６ｏ年代以来　对其高温性能进行了大量研究。倒如Ｓｕｚｕｋｉ研究认　为它的高温固相饶结强度是其抗金属渗透的主要原　因，Ｓｏａｔｚ则发现它的主要化学成分ｃ　以外次要　相ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ｓｉ　等杂质之间反应成为低熔点相，　充填于砂粒孔隙中，阻碍金属渗透。　我国已开采的铬铁矿砂品位较低。地区存在非硅　系矿渣时．颇多研究铬铁矿砂代用品。例如钛渣砂以　及钛渣砂和ＭｇＯ的混台制品，用铬镁等氧化物同时　改性的三元复合钛渣砂等，寻求非天然的抗金属渗透　原砂必须加工过程筒单、经济而且有利于改善环境。　防止渗透除面砂或局部热节部采用特种砂混合料　以外，静料的运用必须合理　可能发生严重渗透的场　合，多层涂料是经常采用的　涂层应不造成型腔内金　属的氧化。水基静屡应彻底烘干；　渗透因金属中含氧量高而加剧，因此应尽量降低　金属中的溶氧量，包括暗炼时脱氧好．在炉内过热度　不太高，同时钢包运输和浇注时避免再氧化，选择较　低的浇注温度等。　强调一下浇注温度选低点是需要的。因为气态渗　透是温度的强函数，即金属蒸气的蒸气压是温度的指　数函数。浇注温度稍有增加，气态渗透强烈发生。同　时．高浇温延长了铸件凝固时间，使得液态金属惨透　时间延长。高温会导致铸型结构破坏、化学反应率增　加．都会使渗透现象加剧。　总之粘砂缺陷的发生可能是三种渗透方式中的一　种或多种的综合，解决问题和消除缺陷的方法将是复　杂的。应对影响渗透的各种因素进行分析方能取得问　题的解决。　（待续）（１９９８０１０６）　●　ｔｔ　《铸件均衡凝固技术　及其应用》出版发行　由西安理工大学魏兵教授等著、机械工业出版社　资助出版的高水平学术专著——（铸件均衡凝固技术　及其应用＞一书，将于１９９８年７月出版发行。该书　ｌ６开本，全书共７章，约４１万字，定价２８元／册。　本书系统介绍了国家重点科技成果推广计划项目　均衡凝固技术成果的内容和生产应用经验。本书　包括：铸铁件均衡凝固与有限补缩，铸铁件冒口补缩　设计及应用，压边浇冒口系统，浇注系统大孔出漉理　论与设计，均衡凝固工艺铸件质量控嗣，铸钢、白口　铸铁和铝铜合金铸件的均衡凝固工艺及均衡凝固技术　与专家系统ＣＡＤ等。　本书所述内容是以获得国家级和省部级科技进步　奖的多项成果为主，理论结合实际，技术先进可靠，　实用性强，自成体系。为便于读者学习应用，作者在　本书中缩入了近百个生产企业的应用实例，实践指导　性很强，尤其适用铸造生产企业的工程技术人员指导　铸造工艺设计和解决铸件质量缺陷问题，对提高铸件　质量和企业经济效益，将会起到直接的作用　凡欲购此书者．请将书救３２元／册（含邮资１寄　至北京市百万庄大街２２号《机械工人）杂志社季喱　利收，汇款时请将您的通信地址及邮缩写清楚，以免　寄错。