呋喃樹脂砂鑄鋼件的粘砂機理及預防措施研究

摘 要：文章主要研究了應用呋喃樹脂砂生產(chǎn)大型、特大型、特殊結(jié)構(gòu)鑄鋼件粘砂的形成機理，分析了造成粘砂的主要因素，并總結(jié)出多種防粘砂的措施及方法，通過以上措施的實施來消除和減少鑄件的粘砂缺陷，以提高鑄件表面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：呋喃樹脂砂；大型鑄鋼件；粘砂

壁厚較大的大型鑄鋼件和結(jié)構(gòu)復雜的鑄件部位極易產(chǎn)生表面粘砂缺陷，在鑄件的表面形成一層鋼水和型砂的混合物粘砂層，不僅給后序的清理和加工帶來極大困難，而且對于一些特殊材質(zhì)的產(chǎn)品在處理表面粘砂的過程中還極易產(chǎn)生次生裂紋缺陷，從而造成極大地經(jīng)濟損失。文章著重分析了大型鑄鋼件的粘砂機理，并且總結(jié)了近幾年來采取的一些有效措施，希望對其他兄弟制造單位起到一些借鑒的作用。

1 粘砂的形成原因

1.1 機械粘砂

金屬液體滲入砂型表面孔隙中凝固后將砂粒機械地鉤連在鑄件表面上。滲入的液態(tài)金屬越多、越深機械粘砂越嚴重，其中兩種力對比和變化，決定了鑄件機械粘砂傾向，必定有一種力促使液態(tài)金屬滲入砂型孔隙，一種力阻止?jié)B入，如果金屬液對鑄型材料不潤濕，發(fā)生滲透所需壓力P應為：

P=2δcosθ/r

式中，δ-金屬表面張力；θ-液體金屬與鑄型材料間的潤濕角；r-砂粒孔隙半徑。

1.2 化學粘砂

鑄件的化學粘砂是金屬液體表面被氧化，生成氧化鐵等金屬氧化物，再和型砂中的SiO2進行化學反應，生成低熔點的鐵硅酸鹽渣液，凝固后與砂粒一起牢固地粘附在鑄件表面上的結(jié)果。鋼液表面極易氧化形成氧化層，主要是FeO，熔點為1370℃，能潤濕石英砂，易于滲入砂型，并和二氧化硅反應生成低熔點物質(zhì)硅酸亞鐵，其熔點為1205℃，砂型中若含有堿性物質(zhì)，則會加劇鑄件的化學粘砂，是因為形成了易熔的硅酸鹽，由Na2O-FeO-SiO2系統(tǒng)的狀態(tài)圖可知其中熔點最低的可低于500℃。低熔點物生成后，由于流動性好又能潤濕型壁故易于滲入砂型孔隙內(nèi)，擴大氧化鐵和型砂的作用面積，加劇化學粘砂，化學反應的結(jié)果又擴大了砂粒間孔隙更有利于低熔點物質(zhì)向砂型深處滲入，從而將金屬和砂型聯(lián)成一體。

2 預防粘砂的主要措施

根據(jù)粘砂形成的機理，預防粘砂主要從造型原材料（型砂、樹脂、固化劑等）、造型、制芯過程控制、涂料的選擇與涂刷和澆注控制等方面采取措施。

2.1 原砂的選擇

厚大型鑄鋼件和中小型鑄鋼件的熱節(jié)部位的面砂最好選用鉻礦砂，背砂用硅砂，硅砂的技術(shù)指標見表1，鉻礦砂的技術(shù)指標見表2。其中應特別注意嚴格控制鉻礦砂的再生質(zhì)量，主要包括Cr2O3含量、SiO2含量、酸耗值、灼減量和細粉含量。其中Cr2O3含量、SiO2含量對于防粘砂尤其重要，經(jīng)生產(chǎn)驗證鉻礦砂中SiO2含量大于1.5%時大型鑄鋼件極易發(fā)生粘砂缺陷。

2.2 造型、制芯過程控制

2.2.1 可使用時間。通常把型砂24h的抗拉強度只剩下80%的試樣制作時間稱為型砂的可使用時間。在生產(chǎn)過程中，通常將型砂表面開始反應固化的時間作為型砂的可使用時間，一般情況下，型砂的可使用時間應控制在6～10min，對于大型鑄型或砂芯，可使用時間可延長至15min，來保證操作人員有足夠的操作時間，不會因為破壞型砂的反應鏈而導致其強度降低，進而引起粘砂。具體的可使用時間控制可通過砂溫調(diào)節(jié)、固化劑型號及加入量來控制。

2.2.2 舂實操作。樹脂砂雖然有良好的流動性和硬化強度，但在填砂時，仍需要用風沖子或木棒對型砂進行緊實，以提高鑄型的緊實度；特別是凹部、角部、活塊、凸臺下部等部位必須舂實，否則容易因表面砂型疏松而產(chǎn)生機械粘砂和沖砂缺陷。目前有部分操作者認為樹脂砂具有良好的流動性和硬化強度不用特意進行舂實操作，利用其自身重力及流動性即可，這種想法是錯誤的，經(jīng)試驗證實舂實后的試樣比沒經(jīng)過舂實的試樣抗拉強度要提高15%～20%。另外對于一些結(jié)構(gòu)比較簡單的厚大件，例如軋機機架等，可以考慮在側(cè)面應用貼皮芯，由于貼皮芯在填砂時活面在芯盒底面便于型砂進行緊實，也便于控制鉻礦砂厚度可節(jié)約鉻礦砂使用量。

2.2.3 特殊部位的控制。對于一些特殊部位應采取特殊的方法操作。例如被鋼水包圍的砂芯（刀座的盲孔芯等）可以在打芯的過程中在芯子內(nèi)部及轉(zhuǎn)角部位放置疏松層，全部采用鉻礦砂撞制。芯子內(nèi)部及轉(zhuǎn)角部位的疏松層可以有效地增加砂型的退讓性，減弱鋼水與砂型間的熱作用強度，而全鉻礦砂的熱膨脹系數(shù)小，進而可有效降低特殊部位的粘砂傾向。再例如汽輪機缸體內(nèi)缸的氣路部位，由于其芯子截面小結(jié)構(gòu)復雜，形線不規(guī)則，不利于清砂且被鋼水包圍的情況，可以采用在芯骨上纏一層空心尼龍繩作為疏松層和排氣使用，并采用全新鉻礦砂撞制，可有效預防此部位的粘砂缺陷。

2.3 涂料的選擇與涂刷

涂料主要是用來降低砂型表面粗糙度以及防止鑄型與金屬發(fā)生反應并且隔離砂粒受熱的作用。涂料的骨料成分有多種，包括硅石粉、剛玉粉、鋯英粉、鎂砂粉、石墨粉等，針對不同材質(zhì)的鑄件、經(jīng)濟性及操作性應選用不同骨料的涂料，目前我廠鑄鋼件主要使用醇基鋯英粉涂料，鑄鐵件主要用醇基石墨粉涂料。涂料在使用前一定要進行檢測波美度及懸浮性的檢測，保證涂料的波美度適宜、懸浮性及粘結(jié)性良好。在涂刷過程中要求橫豎刷，保證厚度，厚大鑄鋼件的涂層厚度至少要達到2mm。對于易粘砂的特殊結(jié)構(gòu)也可以采用兩種涂料結(jié)合的方式，例如用高滲透涂料打底，然后刷常規(guī)涂料至規(guī)定厚度，此種方法可大大降低特殊結(jié)構(gòu)的粘砂幾率。

2.4 澆注控制

由于內(nèi)澆口附近受熱作用時間較長，屬于易粘砂部位，因此鑄件的內(nèi)澆口應盡量分散，另外應盡量滿足鑄鋼件低溫、快速、穩(wěn)定的澆注原則，盡量保證澆注溫度在中下限進行澆注。

3 結(jié)束語

樹脂砂的粘砂機理比較復雜，但是粘砂問題并不可怕，必要時我們可以通過以上幾個方面進行排查，相信絕大多數(shù)的粘砂問題可以得到解決，至于極端個例還需我們繼續(xù)研究。

參考文獻

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