寶珠砂在高錳鋼鑄件上的使用

張曉麗，徐素峰，董必義

（太原重型機械集團有限公司特鑄分公司，山西 太原 030024）

履帶板（如圖1a）所示）是挖掘機行走系統上不可或缺的重要部件，服役條件惡劣，承受大的載荷及磨損，其內腔形狀結構復雜，需較多芯子成型。斗齒（如圖1b）所示）一般裝在挖掘機鏟斗的前端，系懸臂梁構件，直接與礦石物料接觸，在工作過程中受到強烈的沖擊和滑動磨料磨損，是易損件，消耗量大。履帶板和斗齒蘇用材料都是高錳鋼。之前一直使用硅砂作為高錳鋼鑄件的芯砂材料，但由于硅砂屬于酸性耐火材料，其成分主要是SiO2；而高錳鋼中含有較多的MnO2，它屬于堿性氧化物，生產中容易造成粘砂，不僅清理費時，而且鑄件粘砂將會影響熱處理臨界冷卻速度，最終影響鑄件奧氏體化程度，碳化物殘留在晶界處從而成為裂紋根源。基于上述問題，我們選用鉻鐵礦砂取代硅砂。鉻鐵礦砂屬于堿性耐火材料，耐火度高，熱導性比硅砂大幾倍，有很好的抗堿性渣的作用，故能有效防止鑄件粘砂缺陷。但是價格昂貴（4850元/t左右），而且需從國外進口。所以尋找代用鉻鐵礦砂的新材料在降低成本上的意義是很大的。

圖1 履帶板、斗齒實物圖

1 試驗材料

寶珠砂是一種人造型砂，利用我國儲量很多的優質高鋁礬土礦石，經高溫燒結而成，具有優異的性能，屬中性材料，可適用于各種鑄造合金和多種鑄造工藝。其制造方法見圖2。

圖2 寶珠砂制造流程圖[1]

寶珠砂的粒形為球形或接近球形，顏色為灰褐色，見圖 3。粒徑在 0.053mm（270目）～2.0mm（6目）之間，其化學成分如表1所示。

圖3 寶珠砂的粒形[1]

表1 寶珠砂的化學成分[2]（質量分數，%）

寶珠砂耐高溫，熱穩定性好，不易破碎，再生性良好。其主要的熱物理性能見表2。

表2 寶珠砂、鉻鐵礦砂及硅砂的性能對比[2]

根據上述對比，經過認真分析認為寶珠砂含Al2O3在80%以上，其pH約為7.5，屬中性材料，可用在各種黑色金屬的合金上。特別是其堆積密度僅為鉻鐵礦砂的0.73～0.74倍，且外形為球形，表面積最小。因為這些特點決定其：1）體積相同的情況下用量小，僅為鉻鐵礦砂的0.73～0.74倍；2）因其為球形表面積小，可知消耗樹脂及固化劑量少；3）性能屬中性，適合高錳鋼件上使用；4）耐火度接近鉻鐵礦砂。5）價格占優勢。目前市場價格鉻鐵礦砂單價4580元/t，而寶珠砂為3850元/t，相對價格較低，在相同的體積下其用量僅為鉻鐵礦砂的0.73～0.74倍，使用樹脂及固化劑相對減少。

基于上述考慮我們決定在批量大的高錳鋼件上進行代替鉻鐵礦砂試驗。

2 試驗內容及結果

2.1 試驗對象

主要是高錳鋼鑄件中批量大的斗齒、履帶板的芯子。如：斗齒毛重350kg～450kg，主要熱節約170mm左右，No1芯子；履帶板毛重800kg～1200kg，主要熱節約70mm左右。原來使用鉻鐵礦砂的芯子全部改用寶珠砂。芯子分布見圖4。

圖4 斗齒、履帶板芯子分布圖

2.2 試驗結果

1）斗齒中間No.1芯子，因為該處熱節＞170mm且在冒口下方，故效果不好，有粘砂，其余部位小芯子圓孔芯都取得了滿意的效果。

2）履帶板進行3次共14件的試驗。履帶板的熱節＜100mm，試驗芯子下部在冒口下，效果都很明顯，都達到了鉻礦砂防粘砂的效果。

3 試驗結果分析

3.1 寶珠砂防粘砂分析

粘砂是金屬液與鑄型間發生界面反應的結果。金屬液注入鑄型以后，在界面上，金屬液、鑄型材料和型內氣體之間要發生一系列物理的、化學的和物理化學的反應，粘砂是這許多作用的綜合結果。

1）機械滲透粘砂是由于鑄型承受較大金屬液柱壓力P柱產生的[3]，金屬液要滲入砂粒的孔隙中，必須克服受砂粒間空隙半徑r砂制約的臨界滲透壓力P臨，即見公式（1）：

σ——液體金屬表面張力（×10-5），N/cm2；

r砂值越小則對金屬滲入阻力越大。寶珠砂砂粒為球形，流動性好，內腔轉角處較易撞實；表面光滑，結構致密，使得粘結劑能均勻覆蓋，容易獲得較高的緊實度，也就是說減少了砂粒間的孔隙半徑r砂，從而增加臨界滲透壓力P臨，金屬不容易滲入，防止機械滲透粘砂。

2）化學粘砂[3]是在金屬/鑄型界面上，硅砂材料中的SiO2與鋼水中的FeO產生化學反應生成低熔點的鐵硅酸鹽即（Fe2Si2O4），見公式（2）。

上述反應生成的鹽類附著在鑄件表面，而生成難以清除的粘砂層。

寶珠砂耐火度較高（可達1790℃），高溫化學穩定性好，屬于中性材料。其中的Al2O3不易與鐵的氧化物反應，不會生成低熔點鹽類，芯砂致密，表面阻止了鋼水的滲入，可以防止產生化學粘砂。

3）熱節大于100mm，產生粘砂

熱節是鑄件最后凝固的地方，也是熱量集中的地方。寶珠砂熱導率不及鉻鐵礦砂，傳熱較慢。熱節大于100mm時，由于熱量存續的時間較長，在大的壓力頭的作用下（主要是冒口下），使寶珠砂產生燒結，鋼水滲入芯砂中表現為粘砂。這一方面的工作有待進一步研究。

所以，寶珠砂在高錳鋼件上做防粘砂材料代替鉻礦砂是可行的。但條件是鑄件熱節必須小于100mm，如果熱節大于150mm則有產生粘砂的危險，也就是說熱節為100mm的地方（芯子）使用是可靠的。

3.2 經濟效益分析

以35m3電鏟高錳鋼鑄件履帶板的全部芯子為例，履帶板毛重1 t。

1）用砂量的節約見表3。

表3 寶珠砂及鉻鐵礦芯砂的用量及成本比較

由表3可見每件履帶板使用寶珠砂用砂量減少80kg，從價值上計算每件便宜563元。

2）黏結劑和固化劑的節約見表4。

表4 寶珠砂、鉻鐵礦芯砂配制樹脂固化劑的用量及成本比較

表4所示是鉻鐵礦芯砂及寶珠砂芯砂的樹脂固化劑使用配方。從上表不難看出寶珠砂和鉻鐵礦砂相比，用樹脂和固化劑量較少，降低了成本約29元。

3）成本節約見表5。

表5 寶珠砂及鉻鐵礦芯砂總成本比較 元

由上述可知，使用寶珠砂代替鉻鐵礦砂每生產一塊重1 t的履帶板（所有芯子），可節約總成本592元。

4 結 論

1）寶珠砂在高錳鋼鑄件芯子粘砂部位可代替鉻礦砂，但條件是芯子部位熱節應小于100mm；

2）使用寶珠砂代替鉻礦砂的經濟效益可觀，以35m3電鏟高錳鋼鑄件履帶板（每件毛重1 t）所有芯子為例，每件可節約成本592元。

［1］李遠才.鑄造造型材料實用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］李傳栻.漫話硅砂的替代材料［J］.鑄造縱橫，2011（9）：65.

［3］陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷與對策手冊［M］.北京：機械工業出版社，2003：225-226，232-233.