熔模铸件常见缺陷分析及处理——表面缺陷类之一化学粘砂与机械粘砂潘玉洪摘要：机械粘砂和化学粘砂是熔模铸件常见的铸造缺陷之一，它是指在铸件的表面上牢固地粘结着一层金属与型壳材料结合物。
本文重点阐述熔模铸件化学粘砂和机械粘砂的外部特征，产生的部位、机理以及主要原因，同时提出了从熔模铸造的选材、制壳工艺、焙烧工艺、熔炼工艺等方面采取实用、有效的对策，从而提高熔模铸件的合格率。
关键词：熔模铸件；粘砂缺陷；分析与处理1.引言在熔模铸造生产中，当灼热的金属液浇入型壳中，金属液与型腔表面就发生极为复杂的、物理的和化学的相互作用，往往导致铸件产生各种类型的铸造缺陷，机械粘砂和化学粘砂就是其中之一。
如果铸件局部产生粘砂，还不至于使铸件报废；但它影响了铸件的外观，增加了清理铸件的工时和劳动量；尤其对于需要机械加工的铸件，粘砂会给切削加工带来很多的麻烦，提高了生产成本，甚至影响正常的生产进度和交货期。
所以，熔模铸造工作者必须在生产中尽量减少，甚至消除铸件的机械粘砂和化学粘砂缺陷。
目前，国内外一些资料把粘砂分为两种、三种或四种，作者认为分为化学粘砂和机械粘砂两种比较合适。
2．化学粘砂2.1概述2.1.1特征金属液在高温下与型腔表面发生相互作用，冷凝后在铸件的表面上牢固地粘结一层难以清除的金属液与型壳材料之间化学反应生成粘砂。
如图1：图1 化学粘砂左A-化学粘砂右－正常2.1.2 部位常常产生在大型铸件、铸件的厚大部位，铸件浇注部位的下端，靠近内浇口或冒口等部位。
2.1.3 机理按照化学粘砂产生的主要原因，把化学粘砂的形成过程分为三种情况，如图2：图2 化学粘砂形成过程的示意图A型：a—金属液浇入型腔中；b—金属液被型砂中的空气或水分氧化，生成低熔点的、与石英砂浸润能力很强的氧化铁：2Fe ＋O2＝2FeO（液、固）（气）（液、固）c—氧化铁与石英砂（粉）作用：2FeO＋SiO2＝2FeO ·SiO2生成液态的铁硅酸盐（也称铁橄榄石），因为其熔点低（为1205℃）、流动性好、浸润能力强，所以渗入型砂孔隙中的能力增强；d——铁硅酸盐渗入型砂的孔隙中，与石英砂化合而成粘砂。
B型：型砂因耐火度低而熔融生成的粘砂。
C型：金属液中的氧化物（如Cr2O3Mn2O3等）或进入冒口中的氧化渣与石英砂作用而生成的粘砂。
当熔炼高锰钢铸件时，也会发生类似A型粘砂。
2Mn ＋O2＝2MnO2MnO与型壳中SiO2在高温下发生相互作用后生成低熔点的化合物：MnO ·SiO2（1270℃），2MnO ·SiO2（1320℃），3MnO ·SiO2（1200℃）。
2.2 产生化学粘砂的主要原因2.2.1 型壳焙烧不充分或浇注前型壳返潮焙烧工艺不当，如焙烧的温度低或时间短，使型壳中残留水分；或焙烧后存放时间长返潮。
浇注时，金属液与型壳中的水分作用生成的氧化铁就多，进而生成铁硅酸盐也就多，也就容易产生化学粘砂。
2.2.2 型壳材料选用不当或质量不符合要求选用耐火度低的型壳材料，有利于金属液与型砂作用，易产生化学粘砂。
型壳材料中含有较多的碱性氧化物，同样有利于金属液与型壳作用，生成铁硅酸盐增多，易产生化学粘砂。
2.2.3 金属液中含有较多的氧化物金属液不仅与型壳中的水分或型腔中的空气作用生成氧化铁，而且，在熔炼或浇注的过程中，也不可避免的产生氧化物；再加上脱氧不充分，都增加了生成氧化铁的机会，从而增加了产生化学粘砂的可能性。
2.2.4 金属液和型壳的温度过高浇注时金属液和型壳的温度过高，使型壳的局部散热条件差或铸件的局部热节过大，这些因素都增加了金属液与型壳材料相互作用的时间，从而增加了产生化学粘砂的可能性。
2.2.5 产生机械粘砂的主要原因，对产生化学粘砂也有同样的影响。
2.3 防止化学粘砂的主要措施2.3.1 选择正确的型壳焙烧工艺，并严格执行焙烧型壳的目的是从型壳中除去挥发性的物质（如残留的水分、盐分、模料等），进一步提高型壳的质量。
生产中常采用的型壳焙烧工艺：温度为850~900C，时间为3~4h（时间与装炉量有关）。
总之，型壳焙烧质量的好坏可以从型壳外观的颜色判断；如果型壳呈深灰色，则说明焙烧不充分；如果型壳呈白色、粉红色或蓝色，则说明焙烧的质量好。
另外，焙浇过的型壳应及时进行浇注；如果存放时间过长，在浇注前应再次进行烘焙。
2.3.2 合理选择型壳材料并保证质量由于型壳材料直接与金属液接触，因此要求它必须具有合理的质量指标。
熔模铸造常选用石英砂（粉）。
其耐火度较高，熔点为1713℃；其化学成分：S i O2≥98%，RO≤1.0%，R2O3≤1.5%，粘土≤0.4%；水浸液反应：中性。
对于投产前的石英砂（粉）应检验合格后方准用于生产。
另外选用不与金属液发生化学反应的型壳材料。
如烧注高锰钢熔模铸件时，不宜采用石英砂（粉）作为型壳材料。
因高锰钢液中含有较多的氧化锰，容易与S i O2发生作用产生化学粘砂；应选锆英石砂（粉）。
某公司采用水玻璃型壳、石英砂（粉）为耐火材料，浇注不锈钢熔模铸件；由粘砂缺陷产生的废品约为50%～60%，严重时高达80%。
该公司改用硅溶胶粘结剂，锆英石砂（粉）后，并且对进厂的锆英石砂（粉）严格按照标准检验，粘砂缺陷大幅度减少，约为15%以下（因其他影响因素）。
2.3.3 尽量降低金属液中的氧化物采用合理的熔炼和浇注工艺参数（如降低浇注时金属液与型壳的温度等），尤其是充分脱氧，尽量减少金属液的氧化，并清除已产生的氧化物。
2.3.4 改善熔模铸件热节处的散热条件在可能的条件下，对铸件易产生粘砂的热节处应设置在浇注系统的边缘；同时铸件间也应保持适当的距离，以利于散热；改进铸件的结构，尽量使壁厚均匀，避免过大的热节。
3.机械粘砂3.1概述3.1.1 特征金属液渗入型砂的孔隙中，冷凝后在铸件的表面上粘附一层不易清除的金属和型壳材料的机械混合物。
如图3：图3 机械粘砂3.1.2 部位机械粘砂常常产生在铸件的内角、窄槽、小孔、厚壁、表面、浇冒口附近或铸件的下部等。
3.1.3 机理机械粘砂是因为金属液渗入型砂的孔隙中而形成的。
金属液是否能渗入型砂的孔隙中去，要看金属液是否能克服砂粒的毛细管现象的临界压力，临界压力可以用下式表示：θσcos 2rP = 式中：P —临界压力；σ—表面张力；ｒ——砂粒间毛细管的平均半径；cosø——金属液与型砂间的润湿角度。
当金属液的渗入压力大于临界压力时，就使金属液渗入型砂，冷凝后产生机械粘砂。
3.2 产生机械粘砂的主要原因3.2.1 面层涂料的粘度低，且面层砂的粒度大当面层涂料的粘度低，而且面层砂的粒度大时，便得到孔隙较大的型腔表面，这样的型腔表面，由上述公式可知，其毛细管的临界压力小，金属液渗入型砂的孔隙中就会变得容易些。
3.2.2 浇注时金属液的温度太高浇注时金属液与型腔内表面接触，很快凝固成金属外壳，将未凝固的金属液与型腔的表面分开，使金属不能渗入型砂中。
如果金属液的浇注温度高，处在铸件表面的液态时间长，过热的金属液很可能将已经凝固很薄的金属外壳熔化，使金属容易渗入到型砂中；另外，金属液的浇注温度越高，其表面张力越小，也促使金属液更容易渗入型砂中，形成机械粘砂。
金属液的渗入深度不仅与金属液的浇注温度有关，而且与型砂的粒度有关。
金属液的浇注温度低时，金属液渗入到细砂的深度比粗砂小；金属液的浇注温度较高时，细砂被烧结而使孔隙增大，金属液渗入细砂的深度比粗砂大；金属的浇注温度很高时，粗砂也被烧结，使砂粒间的孔隙更大，金属液的渗入深度比烧结后的细砂更深，见图4：图4 浇注温度和砂粒大小对金属液渗入深度的影响a－粗纱b－细砂3.2.3 浇注时，型壳的温度过高浇注时，型壳的温度越高，使铸件表面处于液态的时间越长，与型砂的作用时间也越长，使型砂烧结形成的孔隙越大。
由上述公式可知，临界压力越小，越促使金属液的渗入。
3.2.4 金属液的静压力过大金属液的静压力也是渗入压力，其大小由浇冒口液面到某部位的垂直距离H和金属液的比重d决定。
材质一经确定，其比重不变，随着其垂直距离的增加，静压力增大，所以，生产中常可以发现铸件的下部比其上部机械粘砂严重。
3.3 防止机械粘砂的主要措施3.3.1 选用合适的面层涂料粘度和面层砂一般为说，烙模铸造在选用氯化铵水熔液作为硬化液时，面层涂料的工艺参数如下：水玻璃模数M＝3.0～3.4；比重d＝1.28～1.31；面层石英粉粒度为270目。
两者的配比：水玻璃：石英粉＝1：1.05～1.15；同时，需要加入表面活性剂JFC或100＃农乳0.05%（涂料的总重量）。
面层砂粒度选用40/70目。
3.3.2 选择合理的浇注工艺参数在保证金属液具有良好的流动性和补缩能力的前提下，适当降低浇注时金属液的温度和型壳的温度，从而减少或消除机械粘砂。
一般来说，浇注时，金属液的温度为1540~1600℃（浇注碳钢的生产经验数据，用光学测温计）。
型壳温度以700～850℃为宜。
3.3.3 选择合适的压力头高度压力头（或浇冒口高度）是铸件浇注系统中的重要组成部分。
压力头高度对铸件质量的影响很大，压力头过高可能使铸件容易产生机械粘砂等铸造缺陷：但却有利于增强金属液的补缩能力，减少铸件产生缩孔和缩松等铸造缺陷；因此采用降低压力头高度的方法来消除机械粘砂时，要慎重。
3.3.4 防止机械粘砂的主要措施也适用于防止化学粘砂。
生产中，机械粘砂和化学粘砂有时不是截然分开的两个孤立的铸造缺陷，往往是复合性的，只是以哪种缺陷为主而已。
这就要求能正确、迅速地判断是以哪种缺陷为主，予以解决。
4.结论化学粘砂主要是由于被氧化的金属液生成低熔点的、与石英砂（粉）浸润能力强的氧化物渗入型砂的孔隙中，与石英砂（粉）化合而成；因此要合理选用型壳材料，合理编制焙烧工艺和浇注工艺；以及改善熔模铸件热节处的散热条件；都有利于减少、预防化学粘砂。
机械粘砂主要是金属液直接渗入型砂中的孔隙中而形成的；因此，合理选用面层涂料和面层砂，合理选择浇注工艺参数，以及压力头高度均有利于减少、预防机械粘砂。
减少、防止机械粘砂的措施，同样适用于化学粘砂。
作者体会到：熔模铸造工作者欲减少粘砂缺陷，就必须做到：“三线”，即现场、现物、现处理。
要经常深入生产现场。
生产现场是4MEI，即人、机、料、法、环、信息，以及各种问题不断、交织、大量出现的场所，为你减少缺陷提供了第一手真实的资料。
在现场找到有缺陷的现物（实物）仔细观察，凭借肉眼和简单的工具判断缺陷的类别、名称（这是关键的第一步）。
再详细调查、了解异常的原因，集思广益并凭借自己的知识和经验，多问几个为什么，找准出现异常的主要原因（不超过3项，关键的第二步）。
立即采取应急措施或围堵措施，即有的放矢地通过PDCA循环——现场处理（关键的第三步）。
