呋喃樹脂砂鑄鋼件的粘砂機(jī)理及預(yù)防措施研究

摘 要：文章主要研究了應(yīng)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(jī)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(shí)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(fù)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(duì)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(jì)損失。文章著重分析了大型鑄鋼件的粘砂機(jī)理，并且總結(jié)了近幾年來采取的一些有效措施，希望對(duì)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(jī)械粘砂

金屬液體滲入砂型表面孔隙中凝固后將砂粒機(jī)械地鉤連在鑄件表面上。滲入的液態(tài)金屬越多、越深機(jī)械粘砂越嚴(yán)重，其中兩種力對(duì)比和變化，決定了鑄件機(jī)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(duì)鑄型材料不潤濕，發(fā)生滲透所需壓力P應(yīng)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(xué)粘砂

鑄件的化學(xué)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)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(diǎn)為1370℃，能潤濕石英砂，易于滲入砂型，并和二氧化硅反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物質(zhì)硅酸亞鐵，其熔點(diǎn)為1205℃，砂型中若含有堿性物質(zhì)，則會(huì)加劇鑄件的化學(xué)粘砂，是因?yàn)樾纬闪艘兹鄣墓杷猁}，由Na2O-FeO-SiO2系統(tǒng)的狀態(tài)圖可知其中熔點(diǎn)最低的可低于500℃。低熔點(diǎn)物生成后，由于流動(dòng)性好又能潤濕型壁故易于滲入砂型孔隙內(nèi)，擴(kuò)大氧化鐵和型砂的作用面積，加劇化學(xué)粘砂，化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果又?jǐn)U大了砂粒間孔隙更有利于低熔點(diǎn)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(yù)防粘砂的主要措施

根據(jù)粘砂形成的機(jī)理，預(yù)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(biāo)見表1，鉻礦砂的技術(shù)指標(biāo)見表2。其中應(yīng)特別注意嚴(yán)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(xì)粉含量。其中Cr2O3含量、SiO2含量對(duì)于防粘砂尤其重要，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證鉻礦砂中SiO2含量大于1.5%時(shí)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(shí)間。通常把型砂24h的抗拉強(qiáng)度只剩下80%的試樣制作時(shí)間稱為型砂的可使用時(shí)間。在生產(chǎn)過程中，通常將型砂表面開始反應(yīng)固化的時(shí)間作為型砂的可使用時(shí)間，一般情況下，型砂的可使用時(shí)間應(yīng)控制在6～10min，對(duì)于大型鑄型或砂芯，可使用時(shí)間可延長至15min，來保證操作人員有足夠的操作時(shí)間，不會(huì)因?yàn)槠茐男蜕暗姆磻?yīng)鏈而導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，進(jìn)而引起粘砂。具體的可使用時(shí)間控制可通過砂溫調(diào)節(jié)、固化劑型號(hào)及加入量來控制。

2.2.2 舂實(shí)操作。樹脂砂雖然有良好的流動(dòng)性和硬化強(qiáng)度，但在填砂時(shí)，仍需要用風(fēng)沖子或木棒對(duì)型砂進(jìn)行緊實(shí)，以提高鑄型的緊實(shí)度；特別是凹部、角部、活塊、凸臺(tái)下部等部位必須舂實(shí)，否則容易因表面砂型疏松而產(chǎn)生機(jī)械粘砂和沖砂缺陷。目前有部分操作者認(rèn)為樹脂砂具有良好的流動(dòng)性和硬化強(qiáng)度不用特意進(jìn)行舂實(shí)操作，利用其自身重力及流動(dòng)性即可，這種想法是錯(cuò)誤的，經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)舂實(shí)后的試樣比沒經(jīng)過舂實(shí)的試樣抗拉強(qiáng)度要提高15%～20%。另外對(duì)于一些結(jié)構(gòu)比較簡單的厚大件，例如軋機(jī)機(jī)架等，可以考慮在側(cè)面應(yīng)用貼皮芯，由于貼皮芯在填砂時(shí)活面在芯盒底面便于型砂進(jìn)行緊實(shí)，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(duì)于一些特殊部位應(yīng)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(qiáng)度，而全鉻礦砂的熱膨脹系數(shù)小，進(jìn)而可有效降低特殊部位的粘砂傾向。再例如汽輪機(jī)缸體內(nèi)缸的氣路部位，由于其芯子截面小結(jié)構(gòu)復(fù)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(yù)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(yīng)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(duì)不同材質(zhì)的鑄件、經(jīng)濟(jì)性及操作性應(yīng)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(jìn)行檢測(cè)波美度及懸浮性的檢測(cè)，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(dá)到2mm。對(duì)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(shí)間較長，屬于易粘砂部位，因此鑄件的內(nèi)澆口應(yīng)盡量分散，另外應(yīng)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(jìn)行澆注。

3 結(jié)束語

樹脂砂的粘砂機(jī)理比較復(fù)雜，但是粘砂問題并不可怕，必要時(shí)我們可以通過以上幾個(gè)方面進(jìn)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(gè)例還需我們繼續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]羅秋生.樹脂砂鑄件的粘砂問題的解決[J].一重技術(shù)，2008（6）：0012-02.

[2]楊磊，張旭鵬.大型鑄鋼件粘砂機(jī)理及防粘砂措施的研究[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2013（2）：0021-3.