鑄鋼斗齒粘砂缺陷的成因及對(duì)策

國際鑄業(yè)網(wǎng) (陜西西安 710075) 袁東洲 車順強(qiáng)

挖掘機(jī)上的斗齒是齒尖與齒座（見圖1、圖2）的組合體。挖掘機(jī)斗齒靠銷軸連接，如果斗齒磨損失效部分是齒尖，只要更換齒尖即可。斗齒是用于挖掘機(jī)最常見的易損易耗件，由于它直接與各種巖石、煤層等相撞擊，作業(yè)條件非常惡劣，極易磨損、斷裂，因而斗齒必須具備較高的沖擊韌度及很好的耐磨性，還應(yīng)具有較高的基體強(qiáng)度和韌性，技術(shù)要求斗齒材質(zhì)的沖擊韌度值為aK≥5.0J/cm2；斗齒的基本硬度（經(jīng)水韌處理）后為180～229HBW，且具有較強(qiáng)的加工硬化能力；鑄件組織不允許有柱狀晶體，晶粒度等級(jí)必須≥5級(jí)；鑄件不允許補(bǔ)焊，不允許有夾渣、夾雜和裂紋等鑄造缺陷。

圖1 齒尖

圖2 齒座

1.斗齒粘砂的表現(xiàn)形式

目前，我國挖掘機(jī)斗齒的制造工藝主要有砂型鑄造、鍛壓制造和精密鑄造三大類。在市場(chǎng)上斗齒的主流制造工藝是精密鑄造，一是比鍛壓制作的斗齒價(jià)格低，二是外形較好且尺寸精確，成本適中，三是只要原材料控制得好，精密鑄造斗齒質(zhì)量及耐磨性甚至超過了鍛壓制造的斗齒。因砂鑄成本最低，所以市場(chǎng)仍然有很大的需求，但其生產(chǎn)的質(zhì)量不如精密鑄造和鍛壓件。砂型鑄造斗齒材質(zhì)大多采用ZGMn18，這種鑄鋼件經(jīng)過水韌處理后基本可以滿足使用條件。但高錳鋼鑄件比普通鋼的熱膨脹系數(shù)約大50%，高錳鋼鑄件導(dǎo)熱性差，因此在鑄造過程中易出現(xiàn)橫向裂紋（熱裂紋），導(dǎo)致斗齒在作業(yè)過程中容易沿著應(yīng)力集中處撕裂斷開，顯著降低斗齒的使用壽命。為解決這一問題，曾采用減少錳的含量（wMn＝6%～8%），加入wMo＝1%、wCr＝1.5%，降低奧氏體層，提高奧氏體錳鋼的加工硬化能力，并強(qiáng)化熱處理等技術(shù)措施；也有的是采用ZGMn18VTiMo低合金化鑄鋼。耐磨低合金鋼可以通過合適的熱處理獲得含有板條狀馬氏體組織，不僅具有較高的強(qiáng)度，還具有良好的塑性及韌性，能夠從根本上克服高錳鋼必須預(yù)先加工硬化才能獲得高硬度的缺點(diǎn)。但耐磨低合金鋼砂型鑄造常見的鑄造缺陷是粘砂。

粘砂即鑄件表面或部分覆蓋著金屬或金屬氧化物與造型材料的混合物（或化合物）的燒結(jié)層，使鑄件表面粗糙。這種粘砂嚴(yán)重時(shí)無法鏟除，尤其是鑄件的內(nèi)腔因鐵包砂這類粘砂直接導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。采用砂型鑄造耐磨低合金鋼出現(xiàn)粘砂鑄造缺陷屬于常見問題。斗齒類鑄件，就形狀而言屬于簡(jiǎn)單易做鑄件，就壁厚而言作為合金鋼屬于較薄鑄件，溫度低不易成形，溫度過高了就會(huì)產(chǎn)生粘砂。要使鑄件表面光滑，就不能用粗顆粒砂。鑄造生產(chǎn)中大多使用硅砂，但其耐火度較低，易形成粘砂。

提高澆注溫度，金屬中液態(tài)FeO滲入砂粒間空隙中，造成其與型砂中SiO2作用生成的粘砂層，縱斷面呈上薄下厚楔形斷面，據(jù)此認(rèn)為是化學(xué)反應(yīng)之后產(chǎn)生機(jī)械滲透性粘砂，是化學(xué)粘砂與機(jī)械滲透粘砂兩種類型同時(shí)并存。在斗齒的上部砂芯四周被高溫鋼液包裹中，因此砂芯極易過熱，容易被高溫鋼液熔蝕，產(chǎn)生熔蝕粘砂，嚴(yán)重時(shí)鋼液滲入砂芯內(nèi)部。這是由于砂芯用硅砂的熔點(diǎn)低，蓄熱系數(shù)小，故容易形成熔蝕。改用鋯砂取代硅砂，在其他條件不變的情況下再進(jìn)行澆注試驗(yàn)，產(chǎn)生粘砂的僅有3%左右，效果非常明顯。

2.斗齒粘砂的防止措施

據(jù)此，我們分析并梳理出鑄造耐磨低合金鋼產(chǎn)生粘砂的原因及防止措施。

（1）與鑄鐵相比，鑄鋼的澆注溫度較高，有時(shí)高達(dá)1560～1620℃，澆注溫度高主要是為防止鑄鋼件冷隔，但同時(shí)如此高的溫度對(duì)砂型的熱作用時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)鑄型沖刷力大。鑄鋼件一般用開放式澆注系統(tǒng)，鋼液易氧化生成氧化物，很容易與砂型起化學(xué)反應(yīng)，引起嚴(yán)重粘砂。

①鑄鋼生產(chǎn)時(shí)為防止增碳，通常是砂型中不含或極少含煤粉。因而鑄鋼濕型砂的含泥量要比鑄鐵濕型砂低，需水量少。在同樣緊實(shí)率下，鑄鋼濕型砂的水分要嚴(yán)格控制，水分最好控制在4%～5%或更低些。

②為解決表面粗糙不光滑，應(yīng)該選用粒度較細(xì)的原砂。如果使用單一砂造型，型砂中粘土含量必須嚴(yán)格控制，不能超過規(guī)定加入量。由于型砂中不含煤粉且含泥量低，這樣透氣性容易偏高，如果是單一砂透氣率以不超過120為宜，面砂的透氣率還應(yīng)該更低才能生產(chǎn)出表面光潔無機(jī)械粘砂的鑄件。選用粒度0.20～0.10mm（75～150目）或0.315～0.154mm（55～100目）的原砂，最好使用精細(xì)高純度硅砂，別再用0.40～0.20mm（45～75目）粗硅砂。

③為了防止鑄件表面產(chǎn)生化學(xué)粘砂，大型鑄鋼件用原砂SiO2含量多都在96%以上，厚壁件和澆注溫度要求高的鑄鋼件用原砂SiO2含量應(yīng)更高些。由于原砂含SiO2高，加之型砂中又缺少煤粉等緩沖材料，鑄鋼件產(chǎn)生夾砂、結(jié)疤類缺陷的傾向性更大。最好是采用活化膨潤(rùn)土或天然鈉基膨潤(rùn)土來提高型砂的熱濕拉強(qiáng)度和其抗夾砂、結(jié)疤的能力。

④為了提高型砂的表面風(fēng)干強(qiáng)度和韌性，防止產(chǎn)生砂眼缺陷，型砂中可加入適量的淀粉類材料（如糊精、α淀粉、木質(zhì)素磺酸鈣粉、水玻璃等稀釋后的水溶液，或酚醛樹脂酒精溶液）。必要時(shí)，需在砂型表面噴涂表面增強(qiáng)劑，以提高型砂的表面強(qiáng)度。

以上4點(diǎn)就型砂方面而言，要求檢查和控制型芯砂的耐火度，選用耐火度高的砂，以提高型芯砂的耐火度，原砂的SiO2含量在96%以上，而且砂粒相應(yīng)稍粗些。鑄鋼件的澆注溫度越高，壁厚越厚，對(duì)原砂中SiO2含量的要求越高。如果采用的是水玻璃砂，嚴(yán)格控制水玻璃砂中的水分，不要過高，尤其是在冬季，易發(fā)生爆炸性粘砂。含水分高時(shí)易吸潮，因此硬化后應(yīng)當(dāng)及時(shí)合型并進(jìn)行澆注。

型芯砂中的回用砂不能多，因?yàn)榛赜蒙袄锛?xì)砂粒、粉塵、死粘土、鐵包砂太多，這樣就導(dǎo)致型砂燒結(jié)溫度偏低，因此應(yīng)及時(shí)添加新砂。

（2）砂型的緊實(shí)度不能出問題，鑄件出現(xiàn)粘砂處砂型肯定不緊實(shí)，在澆注之前必須每件砂型都進(jìn)行檢驗(yàn)，要增強(qiáng)并保證鑄型的緊密度和緊實(shí)均勻性。要對(duì)難以緊實(shí)及拐角部位進(jìn)行特別緊實(shí)。砂型緊實(shí)度要高（通常≥85），要求均勻性好，減少砂粒間隙，尤其要注意型芯破損后修補(bǔ)要到位，也不能因?yàn)樾扪a(bǔ)存在局部疏松。

（3）要注意澆注系統(tǒng)和冒口的設(shè)置，應(yīng)避免使鑄件和鑄型產(chǎn)生局部過熱。設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)避免內(nèi)澆道直接沖鑄型壁。

（4）適當(dāng)降低澆注溫度、澆注速度和和澆注時(shí)的高度，所謂“適當(dāng)降低”意思是在保證能澆注成鑄件的前提下，減輕金屬液對(duì)砂型的熱力學(xué)和物理化學(xué)作用。注意降低澆注高度，降低上型高度和澆口杯高度，以減小金屬液動(dòng)壓力、靜壓力及對(duì)鑄型的熱沖擊力。對(duì)斗齒鑄件而言，壁雖不厚，但是澆注溫度高，相應(yīng)地延長(zhǎng)鋼液與型腔表面的熱作用時(shí)間，澆注時(shí)鋼液對(duì)型腔的動(dòng)壓力和靜壓力大，為機(jī)械滲透粘砂創(chuàng)造了條件。

（5）可采用防粘砂涂料。把這種涂料均勻涂覆在易產(chǎn)生粘砂部位，粘砂嚴(yán)重的部位還可以適當(dāng)增加涂料厚度（涂層厚度以0.75～1.0mm適宜，每次施涂以0.3mm為宜，采取多次施涂，要求保證干態(tài)的厚度）。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是盡量不要采用通過反應(yīng)可在鑄件-鑄型界面形成易剝離的玻璃狀粘砂層的涂料或面砂來解決粘砂問題（如在型砂和芯砂中加入赤鐵礦粉等）。采用在高溫下不開裂、不燒結(jié)的涂料。涂刷涂料，改變鑄型和金屬液間的表面張力，減少金屬液向鑄型表面的機(jī)械滲透，這樣就能有效地解決粘砂缺陷。當(dāng)然選用材質(zhì)較好的高鋁質(zhì)澆口磚管，淘汰內(nèi)壁帶黑點(diǎn)狀金屬氧化物雜質(zhì)粘土耐火制品也是辦法之一。

采取以上措施粘砂問題解決仍然不徹底的話，就得考慮從根本上對(duì)型砂處理了。把原先使用的硅砂暫時(shí)存放全部不用。根據(jù)提高造型材料本身的抗?jié)B透粘砂能力來消除這種鑄件粘砂缺陷的原理，采用換一批耐火度高的細(xì)粒原砂，一是使用粒度0.20～0.10mm（75～150目）鋯砂；二是可以只用鋯砂做芯砂面砂。面砂配方：①鋯砂100%+膨潤(rùn)土2.5%+水3.75%（以鋯砂為基準(zhǔn)）；濕壓強(qiáng)度20～30kPa，干壓強(qiáng)度＞1MPa。②鋯砂100%+水玻璃6%+水3.1%；濕壓強(qiáng)度12～20kPa，干拉強(qiáng)度≥800kPa）。如果全部使用鎂砂，就砂型這一項(xiàng)，成本的提高是1:10左右，這種方案對(duì)于中小企業(yè)一般不接受。堅(jiān)持使用硅砂的話，建議使用抗粘砂涂料配方：耐火骨料以鋯砂粉、石英粉和石墨三者為48%，鈉基膨潤(rùn)土4.5%，粘結(jié)劑水玻璃4.5%，硫酸鋁0.65%，然后用適量水混合攪拌均勻后使用，用此途徑去解決粘砂問題。

另外還需注意：適當(dāng)提早開箱，加快鑄件冷卻，這樣可以防止固態(tài)熱粘砂；對(duì)于使用的模樣和芯盒內(nèi)表面盡可能保持光潔。

3.結(jié)語

（1）實(shí)踐證明，對(duì)于鑄鋼件預(yù)防粘砂，濕型可采用細(xì)粒砂；為了保證透氣性宜采用粗顆粒砂，要給砂型表面涂刷防粘砂涂料，同時(shí)這樣可覆蓋鑄型的空隙。為了減小鑄型的空隙，鑄型需保證足夠的緊實(shí)度；并進(jìn)行烘干或表面烘干。

（2）對(duì)于鑄鋼件，可增大金屬與鑄型間氧化層的厚度，促使生成氧化層可剝離粘砂層。在面砂中加入少量的氧化鐵粉，也能顯著預(yù)防粘砂，由于氧化鐵粉促使砂型表面燒結(jié)，形成的緊實(shí)燒結(jié)殼，清理時(shí)就容易從鑄件上剝離掉。

（3）采用低合金化耐磨鑄鋼生產(chǎn)挖掘機(jī)斗齒，對(duì)于粘砂缺陷，至今沒采取更換型砂（因曾擬意全部用鋯砂替代硅砂）的辦法，企業(yè)是基于生產(chǎn)成本考慮。只要控制好各個(gè)工序質(zhì)量，同樣也能夠獲得較為理想的效果。