造型材料性能對(duì)鑄件質(zhì)量的影響及其控制

楊 磊

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

從廣義上來(lái)說(shuō),造型材料是制造鑄型用的各種材料的統(tǒng)稱。在砂型鑄造中指制造鑄型（芯）用的材料，其中包括型砂、涂料、有機(jī)或無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和其他附加物等。

造型材料在鑄造生產(chǎn)中占有非常重要的地位，其質(zhì)量好壞直接影響鑄件的質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)間接影響到生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本。所以，對(duì)于一個(gè)鑄造企業(yè)來(lái)說(shuō)，要想穩(wěn)定控制鑄件質(zhì)量，提高效率，降低成本，造型材料的質(zhì)量控制至關(guān)重要。了解各種造型材料的性能參數(shù)及對(duì)鑄件質(zhì)量的影響，是控制原輔材料質(zhì)量及改進(jìn)鑄件質(zhì)量的前提。由于造型材料種類繁多，不同鑄造廠根據(jù)不同鑄造方式其特點(diǎn)各有不同，在這里不做一一介紹。本文結(jié)合我們?cè)阼T鋼件生產(chǎn)中常用的幾種重要造型材料進(jìn)行一些討論，希望能起到一些借鑒作用。

1 型砂

型砂一般由鑄造用原砂、再生舊砂、型砂粘結(jié)劑和附加物等造型材料按一定的比例混合而成。原砂主要包括硅砂和特種砂（石灰石砂，鋯英石砂，鎂砂，橄欖石砂，鉻鐵礦砂，鈦鐵礦砂，剛玉砂等）。目前應(yīng)用比較廣泛的兩種原砂包括鉻鐵礦砂及硅砂。

1.1 原砂

鑄造用硅砂一般以SiO2含量作為主要的驗(yàn)收依據(jù)。實(shí)際生產(chǎn)中，硅砂作為背砂使用時(shí)對(duì)原砂的耐火度要求不高，此時(shí)原砂的SiO2≥93%。但在薄壁小件生產(chǎn)中，一般使用硅砂作面砂，為確保面砂耐火度，需選擇SiO2≥96%的高質(zhì)量原砂。其余質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)包括含水量，含泥量，灼減量，酸耗值，粒度（三篩/四篩組成），微粒（大于140 目）含量，角形系數(shù)等，均需要根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)特點(diǎn)、生產(chǎn)成本及生產(chǎn)鑄件的質(zhì)量要求等，參照GB/T9442—1998《鑄造用硅砂》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，選擇適合的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

鑄造用鉻鐵礦砂一般以Cr2O3和SiO2含量作為主要的驗(yàn)收依據(jù)。原砂的Cr2O3≥45%，SiO2≤1.0%。其余質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)包括Fe2O3含量，CaO 含量，含水量，含泥量，灼減量，酸耗值，粒度（三篩組成），微粒（大于140 目）含量等，也需要根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)特點(diǎn)、生產(chǎn)成本及生產(chǎn)鑄件的質(zhì)量要求等，參照J(rèn)B/T6984—1993《鑄造用鉻鐵礦砂》機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，選擇適合的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

其中原砂的粒度（三篩/四篩組成）應(yīng)該根據(jù)使用的樹(shù)脂及固化劑類型進(jìn)行綜合考慮，選擇更為合理的粒度配比。

1.2 再生砂

造型是鑄造生產(chǎn)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)之一，與鑄件質(zhì)量息息相關(guān)，而型砂更是造型過(guò)程中最重要原材料。實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到成本問(wèn)題，大多數(shù)鑄造廠在造型過(guò)程中均使用再生砂，同時(shí)配以一定比例的合格原砂（原砂加入量一般至少要大于15%），以此得到滿足質(zhì)量要求的型砂。

再生砂的性能指標(biāo)同樣與鑄件質(zhì)量有直接關(guān)系。如果造型時(shí)將鉻鐵礦砂與硅砂混用，再生過(guò)程要對(duì)兩者進(jìn)行磁選分離，分離后再生鉻鐵礦砂中的SiO2含量指標(biāo)非常重要，同時(shí)灼減量和微粉含量指標(biāo)也會(huì)直接影響到鑄件產(chǎn)品質(zhì)量。

灼減量是對(duì)舊砂中殘存的粘結(jié)劑膜等有機(jī)物的度量[1]。灼減量與發(fā)氣量呈直線關(guān)系，過(guò)高的灼減量會(huì)增加型砂的發(fā)氣量,一般來(lái)說(shuō)，灼減量超過(guò)3%就會(huì)導(dǎo)致鑄件表面產(chǎn)生氣孔等缺陷。所以在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中要嚴(yán)格控制再生砂灼減量。

實(shí)際生產(chǎn)中，主要通過(guò)砂處理系統(tǒng)，使用熱法再生及機(jī)械再生等方法來(lái)降低灼減量，同時(shí)采用補(bǔ)加新砂，向鑄型中填充廢砂塊、降低砂鐵比，在確保使用強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量降低粘結(jié)劑加入量等手段降低灼燒減量。如圖1 所示為造型過(guò)程中鑄件不同吃砂量部位的型砂灼減量結(jié)果，其中潰散層及吃砂量需要根據(jù)型砂類型及澆注溫度等綜合因素進(jìn)行判斷。

圖1 鑄件不同吃砂量部位的型砂灼減量

微粉含量指140 目以下的型砂顆粒含量的總和。微粉含量高，不僅會(huì)增加樹(shù)脂固化劑的加入量，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致型砂的硬化性差、透氣性差、強(qiáng)度低等問(wèn)題，同時(shí)會(huì)給鑄件帶來(lái)粘砂、氣孔、沖砂、夾渣等缺陷，因此一般要求控制微粉含量＜1%。

微粉含量主要利用砂處理系統(tǒng)的除塵功能及定期補(bǔ)充新砂進(jìn)行控制。通過(guò)定期的檢測(cè)監(jiān)控微粉含量的變化情況，相應(yīng)地調(diào)整除塵風(fēng)量及加入新砂，確保微粉含量符合要求。

2 型砂粘結(jié)劑

根據(jù)不同的生產(chǎn)條件及生產(chǎn)工藝，粘結(jié)劑的種類也分為多種，包括粘土、水玻璃、水泥、油、樹(shù)脂等。使用樹(shù)脂做為粘結(jié)劑時(shí)，由于鑄鋼件澆注溫度高，應(yīng)盡量選用低氮或無(wú)氮樹(shù)脂，避免澆注過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氮?dú)膺M(jìn)入型腔形成氣孔缺陷[2]。

在一定范圍內(nèi)，型砂的強(qiáng)度隨著樹(shù)脂加入量的增加而提高，同時(shí)鑄型的發(fā)氣量隨著樹(shù)脂及固化劑加入量的增加而提高[3]，如圖2、3 所示，因此要根據(jù)實(shí)際使用情況合理地選擇型砂強(qiáng)度。實(shí)際生產(chǎn)中，鉻鐵礦砂的終強(qiáng)度＞4.5 MPa，硅砂的終強(qiáng)度＞2 MPa，樹(shù)脂的加入量控制在0.9%～1.2%，固化劑的加入量控制在樹(shù)脂加入量的30%～50%之間，即可滿足使用要求。

圖2 固化劑加入量與發(fā)氣量的關(guān)系

圖3 樹(shù)脂加入量與發(fā)氣量的關(guān)系

3 涂料

涂料主要由耐火骨料、載體、懸浮劑、粘結(jié)劑和添加劑等組成。其中耐火骨料為涂料的主要成分，根據(jù)涂料具體的使用環(huán)境，綜合考慮耐火骨料的耐火度、高溫穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、發(fā)氣量等因素，選擇合適的耐火骨料，提高鑄件質(zhì)量。

涂料的物理性能參數(shù)包括密度、固體含量、成分、懸浮性、條件粘度等，工藝性能參數(shù)包括滲透性、流平性、涂刷性、不流淌性等，工作性能參數(shù)包括波美度、涂層的耐磨性、涂層厚度、發(fā)氣性、涂層烘干抗裂性、高溫?zé)岜沽研?、抗粘砂性等。密度的大小反映涂料含固量的高低，?duì)涂料的工藝性能和工作性能都有很大的影響。密度太小，涂料中耐火粉料含量不足，涂料抗流淌性差，不易涂掛和形成所需的涂層厚度，起不到保護(hù)支撐和隔離的作用，烘干時(shí)涂層收縮大容易開(kāi)裂。而密度太大，則條件粘度就越大，滲入砂型就越淺，同時(shí)涂掛后的涂層厚、流平性差，導(dǎo)致涂料堆積，烘干時(shí)涂層內(nèi)外受熱不均勻容易開(kāi)裂。目前行業(yè)上涂料密度一般控制在1.6～2.2 g/cm3。

波美度直接反映涂料的可刷涂性，由于波美度檢測(cè)手段簡(jiǎn)單，可在每天使用前進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)使用專用的涂料攪拌桶進(jìn)行定時(shí)攪拌，防止耐火骨料發(fā)生沉淀影響涂料的使用性能。

特別注明，由于樹(shù)脂砂起模時(shí)型砂還未達(dá)到終強(qiáng)度，同時(shí)型砂硬化過(guò)程中，樹(shù)脂固化劑發(fā)生反應(yīng)，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生水分，如不能及時(shí)釋放，會(huì)影響砂型的整體強(qiáng)度，進(jìn)而影響鑄件質(zhì)量，導(dǎo)致粘砂或沖砂，所以砂型芯起模后，不可馬上刷涂，應(yīng)放置幾個(gè)小時(shí)（在北方夏季2～3 h，冬季5～6 h），待砂型完全硬化及水分釋放后方可進(jìn)行施涂，方能達(dá)到最佳施涂效果，提高鑄件質(zhì)量。

4 結(jié)論

型砂質(zhì)量受原砂、再生砂及型砂粘結(jié)劑的影響，要想得到好的型砂質(zhì)量，取決于各因素關(guān)鍵參數(shù)的控制，其中灼減量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷，要嚴(yán)格控制型砂的灼減量指標(biāo)。

型砂粘結(jié)劑的加入量對(duì)型砂質(zhì)量影響很大，加入量過(guò)高，不僅會(huì)導(dǎo)致成本浪費(fèi)，灼減量增加，同時(shí)也會(huì)增加鑄型的發(fā)氣量，會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷，要綜合考慮，并選擇合理的加入量。

涂料的質(zhì)量與鑄件質(zhì)量關(guān)系密切，會(huì)影響鑄件的粘砂及夾雜缺陷等，密度、涂層厚度、波美度參數(shù)控制是生產(chǎn)過(guò)程中確保涂料質(zhì)量的重要指標(biāo)。

鑄造過(guò)程是特別復(fù)雜的制造過(guò)程，過(guò)程操作影響因素較多，分析鑄件缺陷的同時(shí)，需要綜合考慮各方面因素，才能為鑄造生產(chǎn)中的質(zhì)量改進(jìn)提供有利的依據(jù)。

[1]胡彭生.型砂[M].上海：上海科技出版社，1984.

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[3]涂建平.再生砂對(duì)呋喃樹(shù)脂自硬砂工藝性能的影響及其控制[J].鑄造工程,2012（3）：8-10.

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