熔模鑄件表面粗糙和金屬刺缺陷分析

陸振平，朱偉杰，潘玉洪

（1．無錫市雪浪合金鋼鑄造廠，江蘇 無錫 214161；2.無錫市凱斯特鑄業(yè)有限公司，江蘇 無錫 214161）

0 前言

熔模鑄件的表面質(zhì)量是重要的質(zhì)量指標(biāo)之一，也是常見的鑄件缺陷。鑄件表面質(zhì)量包括表面粗糙度和表面缺陷兩個(gè)方面，金屬刺是鑄件表面缺陷之一?，F(xiàn)將鑄件表面粗糙和金屬刺分述如下。

1 表面粗糙

1.1 概述

（1）特征。表面粗糙用表面粗糙度表示，表面粗糙度是指鑄件表面微觀的不平度。當(dāng)熔模鑄件的表面粗糙度達(dá)不到如下的要求時(shí)，即水玻璃型殼的鑄件表面粗糙度為Ra12.5—6.3 μm，硅溶膠型殼的鑄件表面粗糙度為Ra6.3—3.2 μm；否則，即稱之為表面粗糙。圖1是一個(gè)表面粗糙的熔模鑄件。

圖1 表面粗糙的鑄件

鑄件表面粗糙度一般選用表面粗糙度樣塊進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，但是有一定的誤差；必要時(shí)，應(yīng)該采用Zego BP輪廓儀進(jìn)行鑄件表面粗糙度檢驗(yàn)。如，檢測(cè)面層涂料是硅溶膠粘結(jié)劑、鋯英粉，面層砂為鋯英砂的熔模鑄件，其表面粗糙度為Ra2.43 μm，滿足硅溶膠鑄件表面粗糙度的要求。

（2）部位

一般分布在鑄件的整個(gè)表面上。

1.2 產(chǎn)生原因與對(duì)策

影響鑄件表面粗糙度的因素很多，主要有：壓型、蠟?zāi)?、型殼、焙燒、澆注以及清理等?/p>

（1）壓型

壓型的表面粗糙度是生產(chǎn)蠟?zāi)１砻娲植诙鹊那疤釛l件，蠟?zāi)Ｒ话愕陀趬盒捅砻娲植诙?～2級(jí)。

（2）蠟?zāi)?/p>

蠟?zāi)１砻娲植诙仁怯绊戣T件表面粗糙度的重要因素。壓制蠟?zāi)５墓に噮?shù)對(duì)蠟?zāi)１砻娲植诙扔绊懞艽螅缒Ａ蠑嚢璨怀浞?，模料的各種成分混溶不均勻；或模料溫度不均勻；蠟料和壓型的溫度低，注蠟壓力小、保壓時(shí)間短等原因，均會(huì)使蠟?zāi)５谋砻娲植诙雀?。圖2是蠟?zāi)１砻娲植诘囊焕?/p>

圖2 蠟?zāi)１砻娲植?/p>

生產(chǎn)實(shí)踐表明，在制模過程中盡管使用同一副壓型，由于上述不確定因素的影響，壓制出來的蠟?zāi)１砻娲植诙炔⒉灰恢隆?/p>

（3）型殼

型殼的表面粗糙度是影響鑄件表面粗糙度的關(guān)鍵條件。型殼的表面粗糙度與下列因素有關(guān)：

①蠟?zāi)１砻鎽?yīng)清洗干凈，去除油質(zhì)等，有利于蠟?zāi)５耐繏煨浴?/p>

②對(duì)于水基粘結(jié)劑的水玻璃和硅溶膠涂料，應(yīng)加入適量的潤(rùn)濕劑（表面活性劑），以保證涂料能夠均勻地涂掛在蠟?zāi)５谋砻嫔?；同時(shí)加入消泡劑，避免涂料中有較多的氣體。

③面層涂料應(yīng)充分?jǐn)嚢韬突匦蕴幚?，以便更好的?rùn)濕蠟?zāi)?、?fù)制蠟?zāi)！?/p>

④涂層在干燥、硬化過程中，由于溶劑揮發(fā)、粘結(jié)劑體積收縮會(huì)使涂層產(chǎn)生裂隙和孔洞；為此希望提高涂料中的粉液比，以保證面層的致密。硅溶膠涂料的粉液比高，而且涂料的滲透能力強(qiáng)，可以滲透二、三層，甚至四層，所以面層致密。水玻璃型殼的面層涂料粉液比低，涂料的滲透能力較差，型殼的面層不致密，一般情況下，水玻璃型殼的表面粗糙度比硅溶膠型殼的表面粗糙度要降低1～2級(jí)，見圖3、圖4。

（4）金屬液

金屬液復(fù)印型殼表面細(xì)節(jié)的能力，即充型能力，或稱為“復(fù)型能力”。金屬液澆注溫度和型殼溫度足夠高，以及足夠的壓力頭高度，是復(fù)型的主要因素。

圖3 硅溶膠型殼內(nèi)腔

圖4 水玻璃型殼內(nèi)腔

提高金屬液的熔煉溫度和澆注溫度，會(huì)增加金屬液的吸氣量，減少結(jié)晶成核等，對(duì)鑄件的金屬液質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。提高型殼的溫度，有利于提高金屬液的流動(dòng)性和復(fù)型能力。常常采用提高型殼在澆注時(shí)的溫度來保證金屬液的精確復(fù)型能力。硅溶膠型殼的焙燒溫度950～1100℃，水玻璃型殼的溫度850～950℃。

（5）澆注過程中的其它因素

澆注和金屬液凝固過程中，高溫的鑄件表面產(chǎn)生氧化，并且氧化層不均勻；鑄件表面的氧化物可能與型殼中的氧化物反應(yīng)，促使鑄件表面不均勻地脫落，增加了鑄件表面的粗糙度。

鑄件在惰性氣體或還原性氣體保護(hù)下冷卻，一直到鑄件表面達(dá)不到氧化的溫度為止。有利于保護(hù)鑄件的表面粗糙度。

噴砂處理比拋丸處理鑄件的表面粗糙度要好2級(jí)及以上。拋丸處理的效率高，但是鑄件的表面粗糙度受到影響；一般采用拋丸的粒度應(yīng)小于0.3mm。

總之，影響鑄件表面粗糙度的因素很多，要從原材料、壓型，一直到清理采取一整套的工藝保證措施，才能得到表面粗糙度較低的、滿足客戶要求的熔模鑄件。

實(shí)踐表明，當(dāng)客戶對(duì)熔模鑄件的表面粗糙度有要求時(shí)，應(yīng)該采用供需雙方“封樣”的檢驗(yàn)方法，這樣檢驗(yàn)鑄件表面粗糙度更直接、直觀、有效。

2 金屬刺

2.1 概述

（1）特征。金屬刺是指熔模鑄件的表面上有許多分散的或密集的短小的宏觀凸起物，見圖5；有的呈點(diǎn)狀、尖角形突起，好像黃瓜上的刺，又稱作“黃瓜刺”，見圖6；有的呈條狀突起，宛如一條蠕動(dòng)著的小蟲附在鑄件的表面上，稱作“蠕蟲狀金屬刺”，見圖7。

圖5 金屬刺

圖6 黃瓜刺

（2）部位。鑄件上的金屬刺，有時(shí)布滿整個(gè)鑄件的表面，有時(shí)分布在局部；有密集的，有零星的、分散的。

圖7 蠕蟲狀金屬刺

2.2 產(chǎn)生原因

當(dāng)型殼的第一、二層涂層中存在著孔隙，或“蟻孔”或“蠕孔”時(shí)（見圖 8、圖 9），在澆注過程中，金屬液在動(dòng)、靜壓力的作用下進(jìn)入孔隙內(nèi)，冷凝后鑄件上形成了金屬刺。

圖8 蟻孔

圖9 蠕孔

（1）孔隙的形成

型殼的掛砂材料具有不規(guī)則的外形（即使是所謂的渾圓形砂粒，外形也不規(guī)則），充填性能較差，涂掛后砂粒之間不可避免的存在著不同形狀的孔隙，并且孔隙的大小和形狀隨著砂粒的外形和結(jié)合程度而變化著。如果此時(shí)涂料的粘度較高充填了孔隙，可以消除型殼面層原有的孔隙；如果此時(shí)涂料的粘度太低充填不了原有的空隙，就殘留在型殼的面層中；并且隨著砂粒的增大，涂料粘度的降低，孔隙增多、加大，見圖10。

圖10 型殼面層結(jié)構(gòu)示意圖

（2）孔隙形成的原因

①掛砂方案

所謂掛砂方案是指型殼第一、二層撒砂材料粒度的選擇。為了探討掛砂方案對(duì)鑄件產(chǎn)生金屬刺的影響，試驗(yàn)與結(jié)果如下：

選用同一種涂料（水玻璃與石英粉的粉液比為 1：1.05，溫度為 21℃，粘度 28～30 秒；加固層涂料的粘度為20～25秒。用V=100 mL，￠6毫米的漏斗式粘度計(jì)進(jìn)行測(cè)量），改變型殼掛砂方案，見表1，以彎頭做試驗(yàn)件，澆注結(jié)果見表2。

對(duì)比1、2種掛砂方案可以看出，第2種方案的第二層改為4#砂，即增加了過渡層，其余相同。分別澆注水管彎頭122件和104件，鑄件表面光潔，沒有金屬刺。這說明這兩種方案均較佳。

對(duì)比2、3種掛砂方案，只是第3種方案的第二層為3#砂，即第二層撒砂材料的粒度較粗，其余相同，澆注56件彎頭，有12件鑄件表面有不同程度的金屬刺，占21.4%。這說明第3種掛砂方案較差。

表1 掛砂方案

表2 澆注結(jié)果

對(duì)比第3、4種掛砂方案，第4種方案的第一層（面層）砂改為4#砂，即面層砂較粗，其余相同，澆注50件水管彎頭，就有28件表面有金屬刺，占56%。這說明第4種掛砂方案最差。

上述試驗(yàn)還說明，在涂料相同的情況下，鑄件上產(chǎn)生金屬刺的主要原因在于選用一、二層型砂的粒度（尤其是第一層型砂的粒度更為重要）；同時(shí)也表明，生產(chǎn)中以采用第2種掛砂方案更好。

②涂料

目前國(guó)內(nèi)有些單位以涂料粘度來控制面層涂料質(zhì)量。生產(chǎn)實(shí)踐表明，對(duì)于涂料的三個(gè)重要參數(shù)：粉液比、溫度和粘度，應(yīng)主要控制涂料的粉液比（或比重）和使用溫度，其次是粘度，粉液比是關(guān)鍵，粘度隨著溫度變。

為了探討面層涂料的粉液比對(duì)鑄件產(chǎn)生金屬刺的影響，試驗(yàn)與結(jié)果如下。

選用 270目石英粉與水玻璃 （M=3.4，d=1.28），在室溫為14℃時(shí)，按不同的粉液比，配制七種涂料，見表3和圖11、圖12。從圖12中可以看出，隨著涂料中水玻璃比例的增加，裂紋增多、變大。

表3 涂料的粉液比與粘度

圖11 涂料粉液比與粘度的關(guān)系

圖12 涂料的宏觀狀態(tài)

選用上述五種涂料（編號(hào) 2、3、4、5、6）制作型殼并澆注鑄件（型殼、鑄件與涂料的編號(hào)相對(duì)應(yīng)）。型殼的內(nèi)表面質(zhì)量如圖13、圖14，鑄件的表面質(zhì)量如圖15、澆注結(jié)果見表4。

當(dāng)石英粉與水玻璃的粉液比（下面簡(jiǎn)稱粉液比）≤0.6時(shí)，型殼的內(nèi)表面主要形成“蠕孔”，其次是形成較大而密集的“蟻孔”，則在鑄件的相應(yīng)部位產(chǎn)生“蠕蟲狀金屬刺”和“黃瓜刺”。

當(dāng)0.6＜粉液比≤0.8時(shí)，型殼的內(nèi)表面主要形成密集的“蟻孔”，在鑄件的相應(yīng)部位產(chǎn)生金屬刺，以“黃瓜刺”為主。

當(dāng)粉液比≥1.0時(shí)，型殼的內(nèi)表面較光滑。盡管用顯微鏡（16×）觀察，型殼內(nèi)表面的個(gè)別部位也存在少而且小的“蟻孔”；但是，由于金屬液未進(jìn)入“蟻孔”之前已經(jīng)凝固，則鑄件的相應(yīng)部位不產(chǎn)生金屬刺。

圖13 型殼的內(nèi)表面質(zhì)量（宏觀）

圖14 對(duì)應(yīng)的型殼表面質(zhì)量 ×16

圖15 對(duì)應(yīng)的鑄件表面質(zhì)量

圖16 鑄件2清砂后，型殼內(nèi)表面留下的、清晰可見孔穴

表4 澆注結(jié)果

涂料的比重與其粉液比有一種比較穩(wěn)定的關(guān)系，生產(chǎn)中涂料的比重又容易控制和檢測(cè)，所以，有些生產(chǎn)單位控制涂料的比重。當(dāng)水玻璃的M=3.0～3.4，d=1.26～1.30，用 270 目石英粉配制涂料時(shí)，它的比重常控制在1.74～1.78克/厘米3。

③涂料粘度

涂料粘度是多因素函數(shù)。它不僅受粉液比的影響，還與原材料，如石英粉的粒度、粒形和粒度分布、含水量，水玻璃的模數(shù)和比重、溫度等因素有關(guān)；與配料時(shí)的諸因素（攪拌速度、攪拌時(shí)間）、附加物（濃乳和洗滌劑的加入量）以及涂料的存放時(shí)間等因素有關(guān)。有的生產(chǎn)單位只控制涂料粘度，往往在夏季生產(chǎn)的鑄件表面無金屬刺，而到了冬季（其它條件都相同）生產(chǎn)的鑄件表面就有金屬刺。

通過試驗(yàn)（見圖17）表明，當(dāng)涂料的粉液比和原材料等因素一定時(shí)，涂料的粘度與溫度有密切關(guān)系，它隨著溫度的上升而顯著下降。如果生產(chǎn)中不考慮溫度的影響，只測(cè)量涂料的粘度，在涂料的粘度相同時(shí)，溫度在28～34℃（夏季）的條件下，水玻璃與石英粉的粉液比是1：1.0，而溫度在10～14℃（冬季）的條件下，粉液比卻只有1：0.8，用這種涂料制殼，勢(shì)必型殼的內(nèi)表面出現(xiàn)“蟻孔”，澆注后的鑄件必然有金屬刺。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，控制涂料的質(zhì)量應(yīng)該是，首先確定涂料的粉液比和使用溫度范圍，再選用相應(yīng)的粘度范圍；并且型殼第一、二層掛砂材料的粒度要與涂料粘度相適應(yīng)。當(dāng)涂料的粉液比增高時(shí)，掛砂材料的粒度可以適當(dāng)加大；當(dāng)涂料的粉液比降低時(shí)，掛砂材料的粒度也適當(dāng)?shù)販p小。型殼第一、二層砂的粒度一般選用40/70#或50/100#，涂料的比重為 1.74～1.78 克/厘米3，溫度為15～30℃，粘度自行測(cè)定，將能得到表面無金屬刺的鑄件。

圖17 溫度對(duì)涂料粘度的影響

水玻璃涂料隨著溫度降低，涂料粘度明顯增大。為了滿足涂料粘度的要求，可以考慮適當(dāng)?shù)慕档退ＡУ哪?shù)和密度，以保證涂料的粘度；而不應(yīng)該降低粉液比。使用過的涂料首先要檢查涂料的溫度，使其在正常的工藝范圍內(nèi)，再檢查涂料的粘度，粘度增高，加入適量的水，予以調(diào)整；不應(yīng)加水玻璃粘結(jié)劑調(diào)整。剛配置的涂料，粉液比和溫度都在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)，只是粘度或高或低，超出工藝規(guī)定的范圍，此時(shí)不應(yīng)加粉料或粘結(jié)劑調(diào)整。應(yīng)檢查粉料的粒度、粒形分布是否在要求的范圍內(nèi)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，同樣的粉液比、溫度和商用粒度（目數(shù)），配置的涂料粘度相差很大。

目前國(guó)內(nèi)出售的270目石英粉，是商品目數(shù)。而實(shí)際目數(shù)受廠家生產(chǎn)水平的限制，波動(dòng)很大。如購進(jìn)某地生產(chǎn)的270目石英粉，經(jīng)隨機(jī)取樣結(jié)果如表5。用這種石英粉配置面層涂料，使鑄件的表面容易產(chǎn)生金屬刺。為此，必須對(duì)以后進(jìn)廠的原材料進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，切實(shí)做到不合格的原材料不能進(jìn)廠。

硅溶膠涂料使用一段時(shí)間后，由于溶劑揮發(fā)，涂料粘度逐漸增大；此時(shí)應(yīng)補(bǔ)充溶劑（水或酒精）調(diào)整涂料粘度，而不應(yīng)加入粘結(jié)劑來調(diào)整涂料粘度，以免降低涂料的粉液比和涂料層的致密性。

表5

（3）蠟?zāi)５臐?rùn)濕性

所謂蠟?zāi)５臐?rùn)濕性好，就是蠟?zāi)＝胪苛虾螅苛显谙災(zāi)Ｉ狭鞑季鶆?，涂層厚薄比較一致；反之，使蠟?zāi)Ｉ暇植客繉舆^薄，甚至沒有涂料，導(dǎo)致鑄件局部產(chǎn)生金屬刺。為此，生產(chǎn)中常在涂料中加入表面活性劑和洗滌劑，改善涂料的涂掛性；將蠟?zāi)Ｔ谕繏烨懊撝愿纳扑臐?rùn)濕性。

必要時(shí)涂掛面層涂料時(shí)，采用1～3次浸漬、涂覆。將模組緩慢的浸入涂料中，保持6～12秒，緩慢提起，控料10～15秒；然后，再重復(fù)上述動(dòng)作1～2次。

（4）蠟?zāi)５慕Y(jié)構(gòu)

當(dāng)蠟?zāi)＝Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，存在過長(zhǎng)的通孔和很深的盲孔時(shí)，不利于涂掛。在這些部位砂粒以傾斜的角度撞擊在涂層的表面，動(dòng)量大大減少，致使型殼表面層的致密性變差，產(chǎn)生“蟻孔”，澆注后，鑄件相應(yīng)的部位有金屬刺。

（5）組裝蠟?zāi)：屯繏觳僮?/p>

蠟?zāi)＝M裝不當(dāng)或涂掛操作不妥，使涂料在蠟?zāi)５谋砻嫔狭鞑疾粍?，局部涂層過薄；撒砂后，使型殼的面層產(chǎn)生“蟻孔”，見圖18。為此要改進(jìn)組模并且控料得當(dāng)，使涂料均勻、完整地覆蓋在蠟?zāi)５谋砻妗?/p>

（6）制殼工藝

某廠為了解決鑄件產(chǎn)生金屬豆而在工藝上規(guī)定，對(duì)蠟?zāi)Ｍ繏臁傲銓印?。所謂“零層”就是蠟?zāi)Ｔ诮胪苛锨跋冉胂♂尩乃Ａ芤褐?。這種方法對(duì)減少鑄件產(chǎn)生金屬豆缺陷有一定的效果，卻產(chǎn)生了新的缺陷——金屬刺。該廠的數(shù)據(jù)表明，金屬豆的返修率從83%降到23%；而金屬刺的返修率卻從零增加到56.5%。

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，蠟?zāi)Ｉ贤繏臁傲銓印边@種方法如何更好地運(yùn)用于生產(chǎn)還有待于進(jìn)一步探討。

（7）澆注工藝

澆注時(shí)，金屬液與型殼的溫度越高，兩者互相作用的時(shí)間越長(zhǎng)；澆注時(shí)的速度越快，金屬液的動(dòng)壓力越大；壓力頭越高，金屬液的靜壓力越大。這些因素均加劇金屬液穿透型殼面層中存在著的孔隙，使鑄件產(chǎn)生金屬刺。

圖18 控料不當(dāng)產(chǎn)生的蟻孔（均在蠟?zāi)５囊粋?cè)）

2.3 防止措施

（1）嚴(yán)格控制涂料質(zhì)量，首先是涂料的粉液比，其次是涂料溫度和相應(yīng)的粘度；三者之間有密切的關(guān)系，粉液比是關(guān)鍵，粘度隨著溫度變。

（2）根據(jù)涂料，選擇合理的掛砂方案，尤其是第一層和第二層的撒砂粒度，使其與涂料粘度相適應(yīng)。

（3）蠟?zāi)Ｍ繏烨皯?yīng)清洗干凈，以改善蠟?zāi)５臐?rùn)濕性。在涂料中添加適量的活性劑，可改善涂掛性。

（4）改進(jìn)蠟?zāi)５慕Y(jié)構(gòu)，尤其是凹槽、深孔等，使之合理，便于涂掛；合理組裝，合理操作，使涂料均勻、完整地覆蓋在蠟?zāi)５谋砻嫔稀?/p>

（5）制定合理的制殼工藝與澆注工藝。（6）加強(qiáng)進(jìn)廠原材料的檢查，以滿足工藝要求。（7）對(duì)員工加強(qiáng)崗位培訓(xùn)，提高其質(zhì)量意識(shí)和操作技能；加強(qiáng)績(jī)效考核，并與其收入掛鉤。

總之，采取上述各項(xiàng)措施后，基本上消除了鑄件的金屬刺，提高了鑄件的表面質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）鑄件表面質(zhì)量是鑄件的重要指標(biāo)，它包括表面粗糙度和表面缺陷。表面粗糙度是指鑄件表面微觀的不平度；金屬刺是鑄件表面有宏觀凸起物，是鑄件表面缺陷之一。

（2）當(dāng)型殼的第一、二層涂層中存在著孔隙，或“蟻孔”或“蠕孔”時(shí)，在澆注過程中，金屬液在動(dòng)、靜壓力的作用下進(jìn)入孔隙內(nèi)，冷凝后鑄件上形成了金屬刺。

（3）嚴(yán)格控制涂料的三個(gè)工藝參數(shù)，粉液比是關(guān)鍵，粘度隨著溫度變。

（4）根據(jù)涂料，選擇合理的掛砂方案，尤其是第一、二層的撒砂粒度，使其與涂料粘度相適應(yīng)。

（5）蠟?zāi)Ｍ繏烨扒逑锤蓛簦纳葡災(zāi)５臐?rùn)濕性；在涂料中添加活性劑，改善其涂掛性。

（6）改進(jìn)蠟?zāi)＝Y(jié)構(gòu)、合理組裝，使之利于涂掛；合理操作，使涂料均勻、完整的覆蓋在蠟?zāi)５谋砻嫔稀?/p>

（7）制定合理的制殼工藝與澆注工藝。

（8）加強(qiáng)進(jìn)廠原材料的檢查，以滿足工藝要求。

（9）從原材料、壓型、蠟?zāi)！⑿蜌?、焙燒、澆注，以及清理等工序，采用一整套工藝措施，才能得到表面粗糙度較好的熔模鑄件。

（10）采用“封樣”的檢驗(yàn)方法，會(huì)更直接、直觀、有效。

（11）對(duì)員工加強(qiáng)崗位培訓(xùn)，提高其質(zhì)量意識(shí)和操作技能；加強(qiáng)績(jī)效考核，并與其收入掛鉤，是提高鑄件質(zhì)量的有效措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘玉洪，朱偉杰．熔模鑄造缺陷圖冊(cè)[M]．長(zhǎng)沙：湖南科技出版社，2016.11．

[2]姜不居．實(shí)用熔模鑄造技術(shù)[M]．沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2008.3．