生产球铁件的湿型砂的含水量限度.doc

生产球墨铸铁件的湿型砂含水量最高限度是多少？于震宗（清华大学）高仲春（亚新科国际铸造（山西）有限公司） 摘要: 河北某球墨铸铁厂所用湿型砂的含水量高到7以上，铸件并无皮下气孔缺陷。其原因可能是影响皮下气孔的生成因素并不是型砂的绝对含水量，而是取决于型砂的干湿程度，即型砂的紧实率。 关键词: 球墨铸铁；皮下气孔缺陷；型砂紧实率What is the Upper Limit of Green Sand Moisture Content for Producing Ductile Iron CastingsYu Zhenzong(Department of Mechanical Engineering, Tsinghua university)Gao Zhongchun(ASIMCO international Casting Co., Ltd. (Shanxi) Abstract：The green sand moisture content of one ductile casting foundry in Hebei Province is much higher than 7.0%, but there is no pinhole defect on castings. The reason can be explained as the main affecting factor is compactability of molding sand, but not the absolute moisture content. Keywords：Ductile cast iron; Pinhole defect; Compactability of molding sand1. 皮下气孔的产生机理 反应气孔是湿砂型生产球墨铸铁件常见的铸件缺陷，通常在抛丸清理和热处理或粗加工时暴露出来呈弥散分布的皮下气孔（又称为针孔）。这是湿型砂所含水分与铁水反应放出原子态H形成的1-7。虽然一般铁水中含有多量铝、钛等元素与型砂水分反应可能会形成皮下气孔，但球墨铸铁的铁液中含有镁更容易形成皮下气孔。因为球墨铸铁的铁水浇入湿型后，残留镁同砂型水分子中氧强烈反应而产生原子态H溶解在铁水中，而且以很快速度向界面的铁水内渗透。当铁水温度逐渐下降，H的溶解度降低，便以分子状态气体从液相中析出。气泡形核长大后，铸件表面形成了坚固的氧化膜和凝固层，气泡不能逸出而成为皮下气孔。反应式如下： Mg + H2O MgO + 2H Mg + 2H2O Mg(OH)2 + 2H 原铁水含有较高硫分，球化处理后成为硫化镁渣。如果扒渣不干净和浇注系统缺少过滤网，硫化镁渣流入型腔中，与砂型水分反应生成硫化氢气体，上浮至砂型界面成皮下气孔缺陷。反应如下： MgS + H2O MgO + H2S MgS + 2H2O Mg(OH)2 + H2S 为了防止球墨铸铁件出现皮下气孔缺陷，铸造工厂通常采取严格控制铁水的碳当量、残留镁量、稀土量、含硫量，铝、钛含量；提高浇注温度，撒冰晶石粉等措施112。2. 对型砂性能的要求 对于使用湿型砂的球铁件生产工厂而言，型砂的性能要求也是重要的。其中包括：2.1 煤粉含量 型砂中必须含有足够量的煤粉，不仅能防止铸件粘砂缺陷和改善铸件表面光洁程度，在浇注后发出大量还原性气体，可以大大冲淡型腔中水蒸气的浓度，削弱水蒸气对铁水的反应。有利于防止球墨铸铁件产生皮下气孔。很多工厂并未给出型砂应当含有的有效煤粉量。混砂时煤粉的具体加入量也有较大差别。第二汽车厂铸造二厂1980年生产长桥皮下气孔占3060，型砂中煤粉量由1.5提高到7，同时树脂砂芯中加入氧化铁，使皮下气孔缺陷降到2左右4。潍坊柴油机厂面砂配方在旧砂100中加入煤粉358。中国农业工程大学的研究结果表明在试验型砂中无煤粉时试样出现极严重皮下气孔缺陷，含煤粉3时只有轻微皮下气孔，煤粉6时皮下气孔不显著5。西安高压开关厂的型砂中加入煤粉4610。2.2 透气性 型砂的透气性不可过低，还要多扎排气孔和多设排气针，使浇铸时产生的水蒸气尽快排出。有些工厂的经验认为型砂透气性应90710。还有个别工厂如潍坊柴油机厂将型砂透气性控制在12011。2.3含水量 普遍认为这是控制的关键。Stefanescu认为型砂水分应该在3.23.52。中国农业工程大学的研究结果表明型砂水分5开始，随着含水量的提高皮下气孔增多，水分7.5时试样出现严重气孔5。甘肃工业大学的研究工作表明型砂含水量从57.8皮下气孔率逐渐增高，如果 7.8几乎100的铸件有皮下气孔缺陷6。江苏理工大学的研究结果得出型砂含水量4.8时皮下气孔率接近0，含水56.3的皮下气孔率10207。东风汽车公司的高压型砂要求含水量48，潍坊柴油机厂要求含水量4.55.211 ，陕西汽车厂控制在2.84.012。3. 某工厂用湿砂型生产球墨铸铁件的实例 河北有一家铸铁工厂是生产载重汽车离合器压盘、动力转向器、制动器等球墨铸铁件的专业乡镇企业，年产铸件一万余吨。用湿型砂和Z145机器造型，地面合箱、浇注。湿型面砂含水量高达7.09.0%，而铸件表面从来不出皮下气孔。为了防止生成铸件缺陷，工厂采取的措施与一般球铁件生产工厂常用办法类似，例如：（1）冲天炉用山西优质铸造焦炭，含硫量只有0.440.51%，铁水含硫不过0.030.04%，并未超过0.05%。不采用脱硫处理仍可生产球墨铸铁件。含硫不高就减少了硫化镁的形成，减少硫化镁与砂型水分的反应。（2）球化处理的镁合金Mg8%，RE5%，加入量1.31.6%。冲天炉铁水球化处理堤坝包的容积为11.2吨，内腔直径与深度比1:1.5。电炉出炉温度高，用直径与深度比1:2的球化处理包。球化剂在包中被经烘烤的铸铁屑覆盖压紧，铁水流满球化处理包后才开始沸腾。残留镁量仅为0.40%，减少了与型腔水汽发生反应。（3）银川硅铁孕育剂加入量1.52.2%，含铝量估计并未超过1.5%，加入铁水前现场烘烤，防止带入水分。（4）冲天炉的出炉温度14801500，浇注温度13801420。两台1吨感应电炉，出炉温度15201570，浇注温度14001470。能够保证球化处理和浇注要求的高温度。（5）铁水包中放冰晶石粉，分解产生AlF3气体能保护界面铁水层，不致与水汽发生化学反应，从而防止铁水吸氢。此外冰晶石粉还能夺走砂型水份，减少水汽与镁产生H的反应，防止球铁件的皮下气孔。（6）在含有煤粉的湿型面砂中加入了大量新砂，使透气性达到90100左右。还用钎子在砂型上扎大量排气孔，使浇注生成的水汽大部分排出型腔以外，减少了可能参与反应的水汽。4. 高含水型砂球铁件无皮下气孔的分析 以上所述都是在正常型砂含水量时防止球铁件皮下气孔缺陷的措施。但是为什么该厂型砂含水量如此高还不出现皮下气孔缺陷？其原因的分析尚难从国内、外的文章中找到线索。经过对生产条件的观察，发现该厂的湿型面砂有一些特点，可能对防止产生皮下气孔起重要作用： （1）面砂的配方是新砂50%，水洗旧砂（含泥13.7%）50%。煤粉加入量相当任意，一般约在3.55%，钠化膨润土7%。其中新砂、煤粉和膨润土的品质都只是中等。S114碾轮混砂机的混砂时间为10min，过三道筛（第一和第二道筛孔6mm，第三道筛孔3mm），然后送去造型。性能检测结果如下：紧实率在3640%，湿压强度约为130150kPa，含泥量2026%，有效膨润土1318，烧减量913。由于型砂的制备相当认真，面砂手感细腻柔和，表明具有良好的可塑性和韧性，即使紧实率偏低也不影响砂型的起模。（2）工厂中没有发气量测定仪，不知面砂的有效煤粉为多少，只能靠测定灼减量来估计。根据国外经验，一般灰口铸铁件用湿型砂的灼烧减量大多在35%范围内。为了形成更多的还原性气氛，球墨铸铁件的湿型砂灼减量接近上限。而该厂检查面砂的灼减量竟然高达913以上，估计有效煤粉量可能在1012。浇注后的铸件露出表面显示深蓝色，表明浇注时型腔中形成大量强烈还原性气氛，将型腔中水蒸气冲淡和降低水蒸气分压，铁水与砂型的界面反应受到充分抑制。这可能是该厂使用高含水量型砂而球铁铸件不产生皮下气孔原因之一。（3）该厂混砂操作一直严格控制面砂的干湿程度，湿型砂处于偏干状态，紧实率只有3640，接近高密度造型用型砂。面砂含水量高（78），而紧实率低，原因可以解释为面砂的含泥量很高（20以上），其中有效膨润土量1318，占泥分的大部分。型砂的膨润土和泥分吸附了水分，手捏型砂并不显得潮湿。这可能是该厂使用高含水量型砂而球铁铸件不产生皮下气孔的另一原因。（4）在紧实率较低的干湿程度下，在膨润土蒙托石晶层之间吸附大量偶极水分子。最靠近蒙脱石晶层Si-O四面体层的水分子受晶层表面阴性电荷的吸引，以及所吸附阳离子的影响，水分子呈有规则的定向排列，其密度及粘滞性比普通液态水大的多，称为非液态水。钠基蒙脱石晶层表面非液态水有3个分子层，比钙基蒙脱石略小，但从非液态水到液态水之间有一个逐渐转变的过渡层，比钙基蒙脱石大67倍13。由于非液态水的性能与自由水不同，估计会影响到水的蒸发速度和与残留镁进行化学反应的可能性。低紧实率型砂的水分可能大部分成为非液态水，其进行化学反应的速度缓慢。假如型砂相当潮湿，紧实率较高，就会有相当多不被蒙托石晶层牢固吸附的自由水。受到浇注铁水热量就会迅速蒸发，增大水汽分压，扩大参与化学反应的可能性。4. 讨论（1）由以上分析可以得知，该厂使用的是高泥分、高煤粉、高水分、低紧实率湿型面砂。本文作者设想影响皮下气孔反应发生的因素不是含水量，而是代表型砂干湿程度的紧实率。虽然型砂含水量高，只要型砂并不潮湿（即紧实率不高），产生气孔缺陷的几率也不会很高。（2）前人的文章只提出用湿型砂浇注球铁件需要限制型砂含水量，并没有给出干湿程度的控制范围。型砂的干湿程度的最简单检测办法是测定型砂的紧实率。将型砂装满试样筒，用锤击式制样机打击三次即可从标尺上读出紧实率14。如今国外和国内铸造行业都已广泛应用紧实率控制型砂性能。高密度造型的型砂紧实率通常在3540之间，普通机器造型用型砂的紧实率可能在4045。手工造型希望起模时砂型不致碰坏，紧实率会更高些，在50左右。甘肃工业大学和中国农业工程大学的文章提到型砂水分7.5和7.8出现严重皮下气孔，他们的试验用型砂紧实率可能已经超过60，属于极湿状态。不但会出严重皮下气孔缺陷，而且有可能呛火，还使造型操作困难。（3）实际上湿型铸造球墨铸铁件皮下气孔的生成是诸多因素共同起作用，其防止也需靠多种措施共同起作用。提高熔炼、浇注温度，适量降低S、Al量，限制残留镁量，使用优质集渣剂，注意砂型排气，严格控制型砂干湿程度和加入足够的煤粉等都是缺一不可的。（4）该厂型砂含泥分过高的现象在很多乡镇铸造工厂中相当普遍。主要原因是混制型砂原材料的选用从价格低廉考虑，而不重视品质是否优良。膨润土品质不高需增多加入量，而且烧损的膨润土约有90成为灰分留在泥分中。优质煤粉烧损后形成的灰分10，劣质煤粉灰分大多在30以上。当地原砂的泥分可能有35。砂处理系统缺少除尘设备，经过反复循环使用就造成型砂的含泥量越积越多。 （5）增多混砂批料的膨润土和煤粉加入量会使生产的材料成本提高。选用优质材料的正常条件下，但膨润土加入量不超过1，煤粉不超过0.5。即使材料单价稍高，总的来说不会提高铸件生产成本。（6）湿型砂中加煤粉是防止皮下气孔的重要措施，但是煤粉排放有气体。现今很多国家的研究工作在探讨如何少加煤粉，寻找不排放或少排放对人体有害气体的煤粉替代品15,16。该厂型砂中含有大量煤粉，更对不利人体健康。（7）本文作者并不认为铸造工厂应该推广使用高泥分、高水分和高煤粉型砂生产铸件，尤其避免用来生产球墨铸铁件。虽然不一定会产生皮下气孔缺陷，仍有可能产生铸件内部气孔缺陷。而且，不利于机械化造型线生产。该厂最近新安装的亨特造型线改为选用品质较优的河北围场水洗砂、辽宁建平钠化膨润土和山西忻州煤粉，已然将型砂性能控制在紧实率3640%，水份3.84.3%，湿压0.140.17MPa，透气率100130，有效土6.58.5%，灼减68%，含泥量 13.7%。目前生产正常，皮下气孔缺陷极少。 参考文献：1. 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