砂型鑄件的表面缺陷1.1機械粘砂和化學粘砂砂型鑄件表面的機械粘砂是金屬液直接鉆入砂型砂粒間孔隙，靠金屬的包圍和鉤連作用與砂粒連結在一起，沒有發生化學反應。產生化學粘砂的原因是高溫金屬液可能被氧化而生成金屬氧化物，主要產物是氧化亞鐵FeO,其熔點為1370°C。FeO與型砂的SiO2起化學反應生成硅酸亞鐵（即鐵橄欖石FeO-SiO2），化學反應如下：SiO2+2FeO2FeO?SiO2硅酸亞鐵的熔點極低，僅有1220C，因此流動性很好，即使鑄件表面已有凝固殼，新生成的硅酸亞鐵仍呈液態，易于滲透入砂型孔隙中。凝結后的硅酸亞鐵對鑄件和型砂都有極強的粘結性，能夠將型砂牢固粘附在鑄件表面上而成個化學粘砂。用濕型砂生產鑄鐵件一般只形成機械粘砂，而不會形成化學粘砂。這是因為鐵液中含有多量碳，不會產生大量氧化鐵等金屬氧化物。砂型中又含有相當多的煤粉，澆注時產生的還原性氣氛能防止金屬氧化物。原砂的SiO2含量較低也不是濕型鑄鐵件形成化學粘砂的必然條件。研究結果表明，使用SiO2含量只有82%左右的黃河風積砂，用濕型生產鑄鐵件并未發現有化學粘砂。憑肉眼區別兩種粘砂是比較困難的，通常可用以下方法區分：⑴顯微觀查：從粘砂層上敲取一小塊，用液體樹脂固定并磨制成試樣，用金相顯微鏡觀察。如果是機械粘砂，可以清楚看到單個砂粒夾在金屬之中。滲入的金屬與砂粒間有明顯的分界線，不存在任何化學反應產物。滲入的金屬金相組識與鑄件本體的金相組織一致（見圖2）。如果是化學粘砂，則可以看見在粘砂層中有新生相將鑄件和砂粒粘連（見圖3）。⑵電測：機械粘砂中連結物是金屬，具有良好的導電能力。將萬用電表的旋鈕開到電阻測定檔，用一個電極接觸鑄件，另一電極接觸粘砂部位。如果電阻接近為零，表明粘砂是金屬包裹砂粒形成的機械粘砂。如果顯示有巨大電阻，表明粘砂部位已經形成不導電的硅酸亞鐵，屬于化學粘砂。⑶化學鑒別：用扁鏟鑿下一小塊粘砂塊，浸入盛有濃鹽酸的試管中。如果緩慢發生氣泡，一夜之后液體顏色由無色透明變為棕紅色。反應終了時粘砂塊消失，試管底部留下少數單個砂粒，說明是機械粘砂，鐵質部分已被鹽酸溶解成為氯化鐵。化學反應式為：2Fe+6HCl2FeCl3+3H2f如果是化學粘砂，則氣泡產生很少，酸液也沒有明顯的變化。最后的殘留物是多孔性團絮狀物質。1.1.1各種因素對機械粘砂的影響實際生產經驗表明，濕型鑄件的重量一般不超過一、二百千克，壁厚大多不超過50mm，型砂中水分引起激冷效應使鑄件外殼較快冷卻和凝固，對型砂的加熱作用并不過分嚴重。雖然鑄鐵用原砂中除了含有石英（熔點1715C）以外，還含有相當數量熔點較低的長石（熔點1170?1550C）、云母（熔點1150?1400C）及其它礦物質，但同時鑄鐵濕型砂中含有的煤粉抑制了氧化鐵的生成，因而不致引起化學反應。生產經驗表明，濕型鑄鋼件一般也都是機械粘砂，而不是化學粘砂。這是因為濕型鑄鋼件都不是厚大鑄件，而且所用硅砂含SiO2較高，鑄件對型砂的熱作用并不嚴重，不產生明顯多的鐵橄欖石。以下將分別討論鑄件產生機械粘砂的各種影響因素：1.1.1.1砂型緊實程度手工造型和震壓造型的緊實程度如果較低，則砂型表面的砂粒比較疏松，砂型型腔的坑凹處和拐角處局部也都更容易出現疏松。如金屬液鉆入砂粒之間孔隙不深，將使鑄件表面顯得粗糙；鉆入較深和包裹砂粒則形成機械粘砂。造型工人可以采取手指塞緊、用沖錘的尖頭沖緊砂型局部。高生產率的高密度造型是否有局部疏松，則取決于型砂流動性如何，因而很多工廠盡量降低型砂緊實率來提高型砂的流動性。在填砂和壓實過程中采用微震提高砂型緊實程度是十分有效的。此外，也取決于緊實裝置設定液壓或氣壓的高低。圖4為一灰鐵汽車鑄件出現機械粘砂，使用進口靜壓造型機，一箱兩件。但液壓系統的壓力調節不適當，砂箱的壓實比壓較低；而且兩件之間和與砂箱的吃砂量僅有25mm左右。砂型平面硬度只有50?60，邊緣側面硬度不足40。1.1.1.2型砂的粒度和透氣性濕型的砂粒粗細一方面要保證澆注后排氣通暢，另一方面濕型砂的透氣能力又不可太高，以免金屬液容易滲透入砂粒之間孔隙中。手工造型生產小件的砂型上扎有較多排氣孔，而且往往采用面砂，砂粒可以細些，面砂透氣率40?60大約已然合適。機器造型濕型單一砂的型砂粒度大致在70/140目，透氣率大多在60?90的范圍內。高密度砂型比較密實，則要求型砂有較高透氣能力。粒度大多在50/140或140/50目，透氣率較多集中在100?140。很多工廠的砂芯用原砂粒度比型砂粒度粗，例如汽車發動機缸體砂芯用原砂粒度為50/100目，長期生產會有大量芯砂混入型砂而使型砂粒度變粗。以致有些工廠的型砂透氣率高達160以上，甚至達到200左右。除非在砂型表面噴涂料，否則鑄件表面變得粗糙，甚至可能有局部機械粘砂。美國有一工廠在混制濕型砂時加入100、140目兩篩細粒新砂5%來糾正型砂變粗現象，使型砂粒度維持在50/140的四篩分布。1.1.1.3金屬液壓力金屬液壓力越高，機械粘砂就越嚴重。因此，高大鑄件的底部比較容易形成機械粘砂。1.1.1.4澆注溫度和鑄件壁厚金屬液溫度高，流動性好，就容易滲入砂粒之間孔隙而產生機械粘砂。但從避免鑄件產生氣孔、冷隔等缺陷考慮，澆注溫度不可任意降低。生產復雜薄壁鑄件時尤需較高澆注溫度。1.1.1.5砂型涂料生產重量較大的濕型鑄件，可以向砂型的型腔噴刷醇基涂料，點燃后即可下芯與合型。一般上型可以不噴涂料，因為所受金屬液壓頭比下型小。噴涂料的另一優點是提高了砂型表面耐沖刷能力。但是濕型用涂料的配方不同于砂芯用涂料，其強度不可太高，必須與砂型強度匹配，否則可能使涂層開裂翹皮，并使鑄件產生夾砂缺陷。對內腔要求不高的一般鑄鐵的濕砂型中如果有樹脂芯或油砂芯，為了防止金屬液鉆入砂芯，可以在硬化后的砂芯表面局部容易滲透金屬液處，涂抹用機油或其他粘結劑加石墨粉、石英粉或其它耐火粉料調制的涂料膏，涼干后即可下芯。當生產內腔清潔度和光潔度要求很高的鑄鐵件（如內燃機缸蓋、機體、液壓系統閥件等）時，必須對砂芯采取整體浸或澆涂料而后表面烘干。手工生產鑄鐵件時，常用軟毛刷將土石墨粉細心涂刷在濕砂型和砂芯表面上。也有的噴土石墨與水混合液，晾干后即可澆注。石墨粉可以填塞孔隙，又不被鐵液潤濕，鐵液難以鉆入砂粒之間。美國Caterpillar鑄造工廠用高壓造型大量生產工程機械大型發動機汽缸體，其克服機械粘砂的措施是靠對上、下砂型全面自動噴水基涂料。然后用大火焰噴槍自動噴烤，使涂層和砂型表層干燥。這種表面烘干的型砂所用膨潤土、煤粉等材料的品種和加入量，以及型砂性能控制均不同于普通濕型砂。1.1.1.6型砂的煤粉量濕型鑄鐵件防止粘砂和改善表面光潔程度最主要的型砂加入物是煤粉。但是市售煤粉良莠不齊。一般生產中等大小鑄鐵件型砂中有效煤粉量可能在3.5~7.0%，主要取決于煤粉品質和對鑄態表面的要求不同。為了排除煤粉品質的影響，可以只用ig型砂在900r的發氣量代表有效煤粉含量。例如普通機器造型的型砂發氣量可以在20~26mL/g之間，高密度造型的型砂發氣可以是16~22mL/g范圍內。國外常用測定灼減量方法估計型砂中煤粉含量是否足夠多。例如有些工廠要求型砂灼減量在3.0~5.0%。在實際生產中可以觀看鑄件的外表形貌就可以查覺出型砂所含有效煤粉量是否合適。如果鑄件表面毛糙，而型砂的透氣率和砂型緊實程度都無不妥之處，可能有效煤粉不足或者煤粉品質不良。如果鑄件表面有明顯的藍色，但較為粗糙，可能有效煤粉量已夠，而型砂透氣性偏高，或砂型緊實程度不夠。目前我國有多種煤粉代用品商品供應。其中淀粉材料的抗粘砂效果與優質煤粉基本相當。但只適合用來生產灰鐵鑄件，如用于生產球鐵件有可能產生皮下氣孔缺陷，因為不能產生足夠還原性氣氛。還有些'煤粉代用品”商品，其真實的具體配方不詳，使用效果也有很大差異。用戶應當靠澆注試驗來判斷其實際抗粘砂效果。可用同樣的原砂（不可用舊砂，以免干擾試驗結果）和膨潤土、水，再分別加入不同抗粘砂材料混制型砂。應設法保持型砂透氣率相同或接近，造型硬度相同，澆注溫度相同。比較鑄件表面光潔程度，然后即可做出選用決定。國外生產抗粘砂商品主要有兩類：①增效煤粉（高效煤粉）：在煤粉中加入20?40%高軟化點石油瀝青，使其光亮碳含量提高到12?20%，抗粘砂能力大為提高。現在我國也有幾家公司供應增效煤粉。②混合附加物：是優質膨潤土與優質煤粉的混合物，也可再根據需要加入淀粉、木粉等材料。大型鑄造工廠一條生產線中的產品特征接近，膨潤土與煤粉的比例不需經常改變。采用混合附加物易于控制管理，設備簡化。配方由供需雙方的工程師根據鑄件生產條件共同制定。用散裝罐車運送到車間，氣力輸送進材料罐。用戶混砂時只加一種附加物即可。單一砂混砂時煤粉的補加量首先取決于煤粉本身的品質優劣如何，同時也受砌鐵比、鑄件厚度、澆注溫度、冷卻時間、清理方法、對鑄件表面光潔度具體要求等等因素的影響。德國有些工廠表示煤粉補加量的單位為每100kg鐵水和每1%光亮碳形成物（即有效煤粉）的煤粉補加量kg。例如Mettmann鑄造工廠統計生產中光亮碳形成物（煤粉）補加量在0.14?0.27kg/1%光亮碳形成物/100kg鐵。德國南方化學公司的實例中砌鐵比為10:1,澆注每噸鐵的ECOSIL煤粉消耗量18kg/tFe。即澆注每噸鐵水用10噸型砂，型砂中補加18kgECOSIL煤粉，折合混砂時煤粉補加量為0.18%，如果按照我國大多數工廠砂/鐵比6:1左右，則ECOSIL煤粉混砂加入量應為0.30%。根據鑄造手冊“造型材料”（第2版103?104頁）介紹，我國東風汽車公司、一汽鑄造有限公司、中國一拖集團公司、上海汽車發動機公司和南京泰克西鑄鐵有限公司的高密度造型線濕型單一砂配方14種。混砂時煤粉加入量最高者3?4%，最低者0.3?0.5%。另外一汽、泰克西、上海發動機廠的震擊造型單一砂4種。混砂煤粉加入量最高者3?5%，最低者1?1.25%。上述我國工廠中大多數的煤粉補加量絕大多數的煤粉補加量高的原因在于這些工廠所用煤粉品質低。筆者由近幾年我國個別工廠使用優質煤粉和增效煤粉的經驗表明，一般濕型鑄鐵件單一砂的混砂煤粉補加量在0.15?0.3%之間，個別厚大件為0.5%。撫順某廠的氣沖線砂鐵比平均為11:1，同一車間內的擠壓線砂鐵比平均為7.5:1,兩條線共用砂處理系統混砂的增效煤粉加入量僅為0.08?0.12%。由此可見，即使優質和增效煤粉價格稍高（不到普通煤粉的兩倍），但消耗量僅為普通煤粉的幾分之一。使用后不僅生產成本大幅度下降，還節省了貯存和運輸費用。而且型砂中含泥量、含水量、大幅度下降，韌性、透氣率、起模性得到提高。不但鑄件表面光潔，而且氣孔、砂孔等缺陷必然明顯減少。1.2爆炸粘砂在機械化鑄造工廠的澆注流水線上，經常看到澆注后，幾乎每一個砂箱與小車臺面之間都會發生爆炸，這并不會發生鑄件缺陷。但是有時偶爾還可以看到另一種在型腔內部發生能夠引起鑄件表面粘砂的爆炸，稱為爆炸粘砂。高密度造型的鑄件可能會出現這種爆炸粘砂缺陷，與通常機械粘砂出現在澆注位置的下表面和熱節處不同，爆炸粘砂大多發生在鑄件澆注位置的上表面。爆炸產生原因是開始澆注時砂型的水分蒸發凝聚在溫度較低的型腔上表面，當金屬液面上升與型腔上表面接觸時水分驟然蒸發而發生爆炸，產生的巨大氣體壓力迫使金屬液鉆入砂型表面而成粘砂。有時爆炸相當猛烈，金屬液甚至從冒口噴出直沖房頂。型砂含水量和緊實率高、含煤粉量高、砂型硬度高、通氣條件不良和澆注速度過快時較易發生爆炸粘砂。1.3熱粘砂熱粘砂是比較少見的粘砂。有以下幾種現象：⑴鑄鐵件濕型砂用原砂的SiO2含量較低，例如是黃河風積砂和一些當地河砂或山砂的SiO2含量只有80%左右，原砂本身的燒結溫度較低。澆注厚大件時，鑄件表面被一厚層砂包裹。如果型砂中含有充分的煤粉，燒結砂層容易脫落被清理掉，不出現機械粘砂。⑵河北省有一家用擠壓造型機生產灰鑄鐵汽車件工廠，平日鑄件落砂后大部分表面都能顯露出來，經過短時間拋丸清理后鑄件表面相當清潔。但是有一次突然發現鑄件落砂后表面被一層砂子包裹。鑄件拋丸清理后能夠較容易地露出表面，表明鐵液并未鉆入