(27)球墨铸铁件表面缺陷

1、17球墨铸铁件表面缺陷清华大学 于震宗引言球墨铸铁件的缺陷分为表面缺陷和内在缺陷两大类，后者即有关金属材质方面的缺陷，不属于本文范围内。本文内容重点是砂型铸件的表面缺陷，包括用湿型砂、水玻璃砂、树脂砂等砂型和砂芯生产的铸件。砂型球墨铸件的表面缺陷有多种，本文仅选择粘砂，砂孔和渣孔，夹砂，气孔，胀砂、缩孔和缩松等缺陷进行讨论。有的缺陷如灰班虽然发生在铸件表面上，而产生原因完全属于材质方面，则不包括在本文内：一. 球墨铸件气孔缺陷 气孔是最难分析其形成原因和最难找出防治方法的铸件缺陷。这是因为气孔的形成原因很多，从外观上又不易分清气孔是属于那种类型的。虽然采用扫描电镜和能谱等微观分析方法有助于估计

2、气孔的产生原因，但是这些先进的技术都还处于研究阶段，大多数铸造工厂尚难在生产中利用。根据气孔发生机理，可分为裹入、侵入、析出和反应四类气孔。其中裹入气孔是浇注时金属液中裹带着空气泡，随着液流进入型腔中而产生的气孔缺陷。侵入气孔是铸件表面凝固成壳以前，砂型、砂芯等造型材料受热产生的气体侵入金属液中，形成气泡而产生的气孔球铁铸件最常遇到的气孔缺陷是反应气孔和析出气孔。以下将分别讨论： 1. 析出气孔 金属液中溶解的原子态氢、氮气体元素，随金属温度下降而溶解度逐渐减小。下降至结晶温度或凝固温度时，溶解度突然变小，氢、氮以分子态气相析出形成气泡，使铸件产生气孔，称为析出气孔。生产铸铁的工厂中，最常见的

3、析出气孔是使用树脂砂型和砂芯造成氨氮气孔，也有来自炉料和增碳剂的氮气孔。 氨氮 酚醛树脂覆膜砂的硬化剂为乌洛托平（六亚甲基四胺(CH2)6N4）。铸铁件用热芯盒呋喃树脂含有尿素（CO(NH2)2）。硬化剂用含有尿素和NH4Cl的水溶液。冷芯盒和自硬砂用酚醛脲烷树脂的聚异氰酸酯组分中含有-RNCO基团。上述树脂砂都含有多少不等的氨或胺，都是引起析出气孔的根源。所含氮不同于空气中的氮，大气中78是由氮组成，并不引起析出气孔缺陷。区别在于上述树脂的氮是“氨氮”。浇注时，树脂砂中粘结剂分解出NH3，在高温下NH3进一步分解出原子态的N和H。溶解在金属液中并向内扩散。随着金属液温度下降，溶解度也下降。凝

4、固时溶解度突然变小，氢和氮以分子态析出成小气泡。两种气泡合称“氮气孔”。 由于 N在铁水中扩散较缓慢，气孔在远处少。 除了一小部分露在铸件表面以外，大部分形成的气孔就位于表皮下面，经抛丸或初加工后显露出来，因此又称为“皮下气孔”。大多为表面光洁的细小圆球形孔洞，孔内有石墨膜。孔径大约只有0.51mm左右，因而又常称为“针孔”。分布较弥散，主要靠近树脂砂型和砂芯处和热节处较多。有时也会成为枝晶间裂隙状。大多数向铸件内延深不超过6mm。用电炉或冲天炉熔化废钢生产铸铁件和使用增碳剂沥青焦炭或SiC，都有可能将原材料所含氮带入而形成裂隙状氮气孔。 防止措施 a) 严格控制铁水中、粘结剂中和树脂砂中氮含

5、量和降低树脂加入量。根据工厂经验，含氮量控制数值见下表，表中上下限对应于薄壁及厚壁铸件：控制N含量（）粘结剂树脂砂金属液一般灰铁3100.100.200.015高强灰铁，球墨铸铁360.060.100.010铸钢，高合金铸铁0.51.00.010.020.010b) 铸铁件树脂砂中加氧化铁粉（Fe2O3）约0.31.0。有人认为其原理是铁水遇到Fe2O3快速放出氧，立即与从粘结剂的N分解产物反应形成稳定的NOx化合物。也有人认为氧化铁与铁水接触后发生分解，并与碳作用生成一氧化碳。通过一氧化碳气泡的逸出，同时带走了铁水中的氮和氢。但会降低芯砂强度或增加树脂耗量，非万不得已，最好不用。应从原砂质量

6、和树脂改性上着手。c) 在铁水中加入0.05的氮稳定剂Ti，或Fe-Ti合金（含钛2428）。钛与氮可形成不溶于铁水的氮化物TiCN或TiN。但会恶化切削加工性能，此法慎用。d) 砂型和砂芯上涂刷不含氮的高温烧结型涂料，在高温下涂料能够烧结成为密实的防护壳，阻止粘结剂分解出的气体溶解入金属液。也有时采用含氧化铁粉的专用涂料。e) 烘烤冷芯盒和自硬砂用酚醛脲烷树脂砂芯使颜色变成巧克力棕色，粘结剂的挥发达55%。对消除气孔有明显作用。组分II树脂中氮成分可以继续进行反应形成稳定的化合物。2. 反应气孔 铁水与砂型、砂芯、夹杂物等之间发生化学反应生成气体，以及铁水与溶解的化合物发生化学反应生成气体，

7、所产生的气孔称为反应气孔。一般为直径13mm的小孔，分布在铸件表皮下，所以又称为皮下气孔。 球墨铸铁件的皮下气孔特征是在铸件表面以下13mm 处，有成串、成簇的直径13mm的小气孔。孔呈球形或泪滴形，孔壁光滑发亮，覆盖着一层石墨膜。孔洞边缘常是无石墨组织的金属层。有的孔洞存在很小的开口，孔壁呈氧化色。小部分孔洞表面粗糙，含有Mg、Al、Mn、Si等夹杂物。 皮下气孔的形成机理为： 冲天炉中反应 冲天炉中熔炼所用铁料有锈与焦炭反应生成CO。浇注后从铁水中分离出而成气泡。FeO + C CO 因此冲天炉用废钢等铁料应当预先除锈。冲天炉鼓风的空气相对湿度高时，所含水分与焦炭反应生成氢、一氧化碳和二氧

8、化碳等气体。随铁水带入砂型成为气孔。H2O + C H, CO, CO2 在潮湿地区和潮湿季节，冲天炉鼓风最好经除湿处理。 出铁槽、处理包、浇包中反应 如型砂中的水分同样，出铁槽、处理包和浇注包用搪泥修理后未烤干，含有大量水份，与铁水反应产生氢气。Fe + H2O FeO + 2H 氧化物与碳反应 铁水中有大量FeO、MnO和SiO2等氧化物熔渣。与铁水中碳反应产生CO皮下气孔。例如 SiO2 + 2C Si + 2CO 湿砂型水份反应 a) 湿型砂所含水分与铁水反应和出铁槽等处水份同样与铁水反应生成H和FeO。其中FeO又会与砂型所含煤粉中C和铁水中C反应生成CO，使铸件产生H气孔和CO气孔

9、。气孔成排排列在与砂型接触表面的铸件表皮下面。Fe + H2O FeO + 2H FeO + C Fe + COb) 湿型砂的水份与铁水中铝、钛反应铝的来源为炉料和孕育剂。与水反应放出H。生成的Al2O3是气泡形核的外来核心。2Al + 3H2O Al2O3 + 6H 结果使铁水层吸氢，成为富集氢的液层。凝固时被包封在液相中的氢析出成为氢气泡核，继而氢扩散入气核使长大成为氢气泡。灰铸铁件残留铝量应小于0.015。球墨铸铁件残留铝量小于0.030时一般不会产生皮下气孔。在铁水中加入过多的、含铝又高的硅铁孕育剂是铸件产生严重皮下气孔的重要原因之一。硅铁孕育剂的含铝量最好不超过1.2。 钛与铝情况类

10、似，使用含钛多的生铁时，铁水中含钛>0.06时气孔严重。反应式为： Ti + 2H2O TiO2 + 4Hc) 湿型砂水份与球墨铸铁铁水中残留镁反应球墨铸铁的铁水浇入湿型后，残留镁同水分子中氧强烈反应而产生原子态H，形成大量氧化物，都是H气泡的外来核心。如下式所示：Mg + H2O MgO + 2H 在保证球化质量的前提下，铁水中残留镁量以低为好，一般应小于0.0300.050。d) 湿型砂水份与铁水中硫化镁反应 原铁水含有硫分，球化处理后成为硫化镁夹杂。如果扒渣不干净，流入砂型中。上浮至砂型界面的硫化镁渣与砂型水分反应生成硫化氢气体，混入铸件中而成皮下气孔缺陷。反应式如下：MgS +

11、H2O MgO + H2S 铁水含硫高，皮下气孔严重。气孔周边金属组织中常有片状石墨出现。原铁水含硫量小于0.05只能勉强生产球铁件。但如生产高质量球铁件，应当对对冲天炉铁水预先进行脱硫处理，将含硫量降到0.015以下。含硫超过0.02的电炉铁水也都最好先行脱硫处理。 为了防止湿型砂铸铁件产生气孔缺陷，还应当注意采取以下措施：a) 严格控制型砂干湿程度，造型处的型砂紧实率必须低，最好不可超过40%。含水量也应尽可能低。否则不但反应气孔难以避免，就连侵入气孔也会出现。b) 湿型砂中所含煤粉不仅能防止铸件粘砂缺陷和改善铸件表面光洁程度，对防止铸铁件气孔缺陷，尤其是防止球墨铸铁件皮下气孔缺陷极为关键

12、。浇注时煤粉产生大量还原性气体，可以大大冲淡水汽的浓度，削弱水汽对铁水的反应。最好使浇注出铸铁件表面呈现明显深蓝色，可代表型腔内气氛为强烈还原性，有利于防止球墨铸铁件产生皮下气孔。c) 在球墨铸铁的湿型腔表面抖冰晶石粉（氟铝酸钠Na3AlF6）。在高于1011高温下冰晶石分解产生AlF3气体能保护界面铁水层不致与水汽发生化学反应，从而防止界面铁水层吸氢。还能夺走砂型水份，减少水与镁的反应。可以有效地防止球墨铸铁件产生皮下气孔。反应式如下：Na3AlF6 3NaF + AlF32Na3AlF6 + 3H2O Al2O3 + 6NaF + 6HF 有的工厂不采取撒冰晶石粉，而是在砂型表面喷柴油、煤

13、油。喷煤油后再撒石墨粉也对防止气孔也有一定效果。 d) 浇注温度低，铁水中夹杂物多。夹杂物也吸附大量气体，并且增多气泡外来核心。提高浇注温度可延缓铁水表面氧化膜的生成和延长铁水凝固时间，有利于铁水中气体逸出。研究工作表明高于1450时铁水表面洁净，13521450铁水表面有液态氧化物渣，低于1350表面出现固态熔渣。对于一般厚壁简单铸铁件浇注温度在1360以上不易出现气孔。对于复杂薄壁铸铁件（如内燃机机体、缸盖），则不能低于1380。 二. 铸件粘砂缺陷砂型铸件表面牢固粘连的粘砂缺陷可以分为机械粘砂和化学粘砂两种。机械粘砂是金属液钻入砂型砂粒间孔隙造成的。化学粘砂是砂型的SiO2与金属氧化物如

14、FeO等产生化学反应生成硅酸亚铁（铁橄榄石）与铸件粘连在一起的。球铁铸件的化学成分含碳高，不产生硅酸亚铁，所产生的粘砂只是机械粘砂。1. 球墨铸铁大件粘砂生产大件采用粘土干型、树脂砂型、水玻璃砂型。浇注较大铸件通常采用锆英粉、铬铁矿粉、棕刚玉粉、镁砂粉、石墨粉等耐火骨料的优质涂料。但涂料厂商可能为了节约生产成本，粉料中过多掺入某些价廉材料如石英粉、铝矾土粉、焦炭粉等，就会降低其防粘砂效果。2. 湿型中、小球铁件粘砂铸铁件型砂中大多含有煤粉，浇铸时产生大量还原性气体，不会引起化学粘砂。以下分别讨论各种因素对机械粘砂的影响。（1）砂型紧实程度手工造型和震压造型的紧实程度一般较低，砂型表面的砂粒比较

15、疏松，金属液钻入砂粒之间孔隙之间的可能性较大，砂型型腔的坑凹处和拐角处局部也都有可能出现疏松。工人可以采取手指塞紧、用冲锤的尖头局部冲紧。高生产率的高密度造型是否有局部疏松，则取决于型砂流动性如何，因而很多工厂尽量降低型砂紧实率来提高型砂的流动性。在加砂和压实过程中采用微震是十分有效的。此外也取决于对造型机紧实压力高低的设定。（2） 浇注温度金属液温度高，流动性好，就容易渗入砂粒间孔隙而产生机械粘砂和表面粗糙。但从避免铸件产生气孔、冷隔等缺陷考虑，浇注温度不可任意降低。生产复杂薄壁铸件时尤其需要较高浇注温度。（3）型砂的粒度和透气性湿型的砂粒粗细一方面要保证浇注后排气通畅，另一方面湿型砂的透气

16、能力又不可太高，以免金属液容易渗透入砂粒孔隙中。手工造型生产小件的砂型上扎有较多排气孔，而且往往采用面砂，砂粒可以细些，型砂透气率3060已然合适。机器造型湿型砂的型砂粒度大致在70/140目，透气率大多在6090的范围内。高密度砂型比较密实，则要求型砂有较高透气率。粒度大多在50/140或140/50目，透气率较多集中在100140。通常内燃机铸件砂芯用原砂粒度为50/100目，比型砂粒度粗。长期生产会有大量芯砂混入型砂而使型砂粒度变粗，致使有的工厂透气率高达160以上，除非在砂型表面喷涂料，否则铸件表面会出现粗糙甚至有局部机械粘砂。如果出现型砂粒度变粗，国外有的工厂在混砂时加入100、14

17、0目两筛细粒新砂来进行纠正。（4）砂型涂料 机器造型超过100余千克的较大湿型球铁铸件，可以对下砂型喷刷醇基涂料，点燃后即可下芯与合型。一般上型可以不喷涂料，因为所受金属液压头比下型小。喷涂料的另一优点是提高了砂型表面耐冲刷能力。用树脂芯或油砂芯生产对内腔要求不高的一般球铁铸铁时，为了防止金属液钻入砂芯，可以在硬化后的砂芯表面局部容易渗透金属液处，涂抹用机油或其他粘结剂加石墨粉、石英粉或其它耐火粉料调制的涂料膏，凉干后即可下芯。当生产内腔清洁度和光洁度要求很高的铸铁件（如内燃机缸盖、机体、液压系统阀件等）时，必须对砂芯采取整体涂料而后表面烘干。手工生产小球墨铸铁件时，常用软毛刷将石墨粉细心涂刷

18、在湿砂型和砂芯表面上。也有的喷石墨与水混合液，待自然晾干后浇注。石墨粉可以填塞孔隙，不被铁水润湿，铁水难以钻入砂粒之间。（5）爆炸粘砂有时可以看到铸件浇注位置的上表面出现粘砂缺陷，与通常粘砂出现在浇注位置的下表面不同。这是在浇注铁水液面邻近型腔上表面时发生爆炸造成的。开始浇注时砂型的水分蒸发凝聚在温度较低的型腔上表面，当金属液面上升与型腔上表面开始接触时水分骤然蒸发而发生爆炸。当型砂含水量和含煤粉量高，砂型通气条件不良和浇注速度过快时更易发生爆炸粘砂。（6）型砂的煤粉量湿型铸铁件防止粘砂和改善表面光洁程度最主要的型砂加入物是煤粉。但是市售煤粉良莠不齐。以下将讨论煤粉的质量、有效煤粉含量、煤粉代

19、用品和国外应用的新情况。 煤粉的质量较好的的煤粉应符合以下几种性能指标：a）灰分不大于10（越低越好，国外一般商品煤粉不大于7）。煤粉灰分含量的测定目的是检查煤粉中残留的矸石量有多少。铸造工厂使用灰分过多的煤粉，不但不能防止铸件粘砂，而且会产生大量砂孔、气孔缺陷。b）挥发分在3038之间（最好为3237），挥发分的测定目的是确定煤粉的原材料烟煤的品种。如挥发分低于30，表明煤质不纯。如高于38，可能其中含有气煤。c）焦渣特征56级（34级尚可用）。测定挥发分后观察坩埚中的残留物即可得出焦渣特征，按照国家标准焦渣特征分为8级，它反映煤粉在加热干馏过程中生成气固液三相胶质体的多少和持续时间长短。焦

20、渣特征56级的煤粉抗粘砂性能最好，这样的煤粉在浇注时能够堵塞表面砂粒间的孔隙，又不使砂粒形成粘结在一起的粗颗粒。d）光亮碳生成量1018（最好在12以上）。光亮碳是在还原性气氛中煤粉的挥发物在高温下进行气相热解而沉淀出的微细结晶，它包覆在型腔砂粒的表面上，使砂粒不被铁水润湿，从而防止粘砂缺陷。 有效煤粉含量又必要知道型砂中能起作用的有效煤粉是否足够，旧砂中残留煤粉还有多少，才能决定混砂时应补加多少煤粉。国外采用的办法是测定型砂和旧砂的挥发分、灼烧减量、全碳量等来间接推测煤粉的有效含量。这些试验比较繁琐和费时，而且得不出有效煤粉的具体数字。我国用测定发气量的办法比较省时，几分钟即可测定和计算出有

21、效煤粉含量。原理是根据有效状态的煤粉在受热后发生气体量。通常高密度造型的型砂发气量可以在1622mL/g范围内.，普通机器造型的型砂发气量可以在2026mL/g， 煤粉的代用品植物树脂、含油膨润土和淀粉等材料可用来替代煤粉。其中淀粉材料的抗粘砂效果与优质煤粉基本相当。但只适合用来生产灰铁铸件，如用于生产球铁件有可能产生皮下气孔缺陷，因为不能产生足够还原性气氛。也有的商品是以煤粉为主，掺加少量其它材料，可能也有抗粘砂效果。但还有些“煤粉代用品”商品，其具体配方不详，又缺乏质量评价和检测标准。用户应当慎重选择，靠浇注试验来判断。可用小混砂机，加入同样的原砂和膨润土，分别加入不同抗粘砂材料，混制的型

22、砂应设法保持透气率相同或接近，造型硬度相同，浇注温度相同。比较铸件表面光洁程度，然后即可做出选用决定。国外生产抗粘砂商品主要有两类：a) 高效煤粉：在煤粉中加入2040高软化点石油沥青，使其光亮碳含量提高到1220，抗粘砂能力大为提高。现在我国也有几家公司生产供应。b) 混合附加物：是优质膨润土与优质煤粉的混合物。如有特殊需要，也可再加入淀粉、木粉等材料。大型铸造工厂一条生产线中的产品特征接近，膨润土与煤粉的比例不需经常改变。采用混合附加物易于控制管理，设备简化。配方由供需双方的工程师根据具体的铸件生产条件共同制定。用散装罐车运送到车间，气力输送进材料罐。用户混砂时只加一种附加物即可。煤粉补加

23、量 单一砂混砂时煤粉的补加量首先取决于煤粉本身的品质优劣如何，同时也受砂/铁比、铸件厚度、浇注温度、冷却时间、清理方法、对铸件表面光洁度具体要求等等因素的影响。德国南方化学公司的实例采取的单位是浇注每吨铁的煤粉补充量（kg / t Fe）。所给实例的砂/铁比10:1，ECOSIL煤粉消耗量18kg / t Fe。即每吨铁用10吨型砂，其中补加18kg ECOSIL煤粉，折合混砂煤粉补加量为0.18，如果按照我国大多数工厂砂/铁比6:1左右，则ECOSIL煤粉混砂加入量应为0.30。根据铸造手册“造型材料”（第2版103104页）介绍，我国东风汽车公司、一汽铸造有限公司、中国一拖集团公司、上海汽

24、车发动机公司和南京泰克西铸铁有限公司的高密度造型线湿型单一砂配方14种。混砂时煤粉加入量最多者34，最低者0.30.5。另外一汽、泰克西、上海发动机厂的震击造型单一砂4种。混砂煤粉加入量最多者35，最低者11.25。上述我国工厂中大多数的煤粉补加量比南方化学公司的实例高很多。其原因在于这些工厂所用煤粉品质太低，没有使用高效煤粉。笔者由近几年我国个别工厂使用高效煤粉的经验表明，一般湿型铸铁件单一砂的煤粉补加量在0.150.3之间，个别厚大件为0.5。抚顺某厂的气冲线和挤压线砂铁比平均11:1和7.5:1，两条线共用砂处理系统混砂的高效煤粉加入量仅为0.080.12，低于德国ECOSIL煤粉混砂加

25、入量。由此可见，即使高效煤粉价格稍高（不到普通煤粉的两倍），但消耗量仅为普通煤粉的几分之一。使用优质高效煤粉不仅生产成本大幅度下降，还节省了贮存和运输费用。而且型砂中含泥量、含水量、大幅度下降，韧性、透气率、起模性得到提高。不但铸件表面光洁，而且气孔、砂孔等缺陷必然减少。二. 铸件砂孔、渣孔缺陷 砂孔和渣孔通常统称为“砂眼”，它是铸件上出现最频繁的表面缺陷。只有当孔眼较大，凭眼睛观察孔眼中夹杂物的色泽才有可能分辨出来是砂子还是渣子。虽然能够用扫描电子显微镜和能谱分析装置进行判断，绝大多数工厂无此检验条件，而且有时也难得出准确结论。以下将砂孔和渣孔结合在一起按照来源分别讨论如下。1. 芯头与芯座

26、间隙如果粘土干型、水玻璃砂型和树脂砂型的上砂型给砂芯预留的间隙过分狭窄，合型精度又差，就容易挤碎砂型或砂芯成为砂孔来源。但是如果间隙过分宽大，浇注时金属液会钻入间隙中，甚至有可能钻入芯头端部的通气孔而造成铸件气孔缺陷。因此都采取较大间隙，使用耐火纤维毡垫、封箱泥条或石棉绳堵塞金属液沿间隙外流通路。湿型铸造可以利用砂型的微弱变形能力不必过多加大上砂型与砂芯间隙。但有的铸造工厂中合型使用精度不高的定位销，或者使用画泥号定位办法，就要预留有足够间隙。湿型铸件为了生产方便和降低生产成本尽量避免使用砂芯。但是有的机器造型铸件外形弯曲不平。经常决定采用不平分型面以形成铸件侧面凹凸不平的轮廓。就应考虑靠近铸

27、件界面处不平分型面与造型基础平面的夹角角度有多少？假设机器的合型精度为0.5mm，不平分型面的倾斜夹角为45°，模板设计时上型和下型没有预留的间隙，合型时该处型砂利用微弱的塑性可以稍许退让，预计不至于被挤坏。假如不平分型面的倾斜角接近8090°，即使模板余留间隙为0.5mm也不能保证分型面的砂型不被挤坏。遇此情况，较好的解决方案是加大倾斜分型面的间隙。间隙的水平方向宽度应当大于机器的合型精度加上模板的尺寸偏差。2. 浇注系统（1）聚渣剂浇包中不可避免会有炉渣等杂质漂浮在金属液面上。去除这些杂质的有效办法是在浇包的表面撒聚渣剂，使杂质与半熔的聚渣剂黏着在一起，即可用铁棍挑出或

28、截阻。良好的聚渣剂的主要组成物是发泡珍珠岩，但各地矿产的珍珠岩品种不同，主要区别在于熔点和粘度不同。因此有的原料供应工厂还对采得珍珠岩矿石进行专门配制和加工，以使其适合不同金属液的出炉除渣处理温度。有些南方工厂习惯用稻草灰当作聚渣剂。稻草灰对金属液有保温作用，对飘浮的炉渣只有轻微激冷作用，聚渣效果不良。北方有些小厂习惯在包中的金属液表面撒干砂当作聚渣剂，虽然对漂浮的炉渣起一定的激冷作用，使渣子呈现开始凝结。但干砂完全不熔融，对炉渣的聚渣作用极小。因而浇注时草灰、砂子和渣子都容易随金属液流入型腔中而成砂孔和渣孔缺陷。（2）树脂砂和水玻璃砂有的树脂砂铸件比较大，金属液容易冲坏整个浇注系统。由浇注出

29、的浇注系统可能看到比原来的模样尺寸变大，表面粗糙。这是因为树脂砂不耐高温金属液冲刷，部分浇道的树脂砂粘结剂受热烧毁，失去强度而被冲掉进入砂型，大部分随金属流漂浮到铸件上表面，一部分混杂在铸件凸台和棱角处成为零散的砂孔。因此，用树脂自硬砂型浇注大件时整个浇注系统要用耐火砖管制成。而且铸件多设置出气冒口，使漂浮起来的含有砂子和气体的脏金属液容易排出。中等大小的树脂自硬砂铸件的砂型受金属液的冲刷稍微轻些，整个砂型（包括浇注系统）靠刷涂良好涂料可以增加表面强度和减少被冲蚀。有的工厂只将型腔部位刷涂料而忽略直浇道，因为普通毛刷无法钻入直浇道的洞眼里面涂刷。结果直浇道容易被冲毛糙，以致铸件出现砂孔缺陷。应

30、当改用特制长杆写字毛笔细心刷涂直浇道。水玻璃砂型浇注时粘结剂软化，受热冲刷现象不像树脂砂那样严重。但是生产大件也同样要求用耐火砖管制出浇注系统。生产中小铸件也要整体铸型涂刷耐火涂料。（3）湿型湿型砂的强度比树脂砂和水玻璃砂低很多。如果高速流入的金属液经由内浇口直冲正对面砂型或砂芯，就会冲蚀成坑，冲下的砂子将随金属流而去成为砂孔。也许砂孔不易发现，但由内浇口对面的铸件可以看到有多余的一块“肉”。应当更改内浇口位置，或者将内浇口尽量设计成经由厚壁进入和分散的或向铸件展开的喇叭形。为了防止浇注系统被冲蚀，如有必要也可以向砂型的直浇道下型喷刷醇基涂料和放置过滤网。3. 造型操作 脱模剂的应用树脂自硬砂

31、和水玻璃砂造型时，根据粘模与否可以用滑石粉和滑石粉煤油液作为脱模剂。而湿型砂造型在模板上喷涂脱模剂就是用来消除湿型砂对模样或模板的附着力。手工造型时多半使用滑石粉为脱模剂，机器造型多用煤油或轻柴油喷涂模板。但是如果机器的起模机构不平稳，也会使砂型产生裂纹。合型时受压就会整块脱落到型腔中，浇注时随金属液漂浮离开原来位置，从铸件上可以容易地找到“多肉”处。 手工挖掘浇注系统手工开挖出来的浇道表面粗糙和坑凹不平。虽然经过抹刀修补和压平，砂子与砂型并未结合牢固。受金属液冲刷就会被带走，成为铸件表面砂孔。应当用浇注系统模样造型。4. 型砂质量湿砂型的强度和韧性比之树脂砂型和水玻璃砂型相差极大，这是湿型砂

32、容易产生砂孔的最主要根源。形成湿砂型强度和韧性的主要因素是膨润土质量和混砂质量。（1）湿型砂的强度 型砂的湿态强度不足，受金属液冲刷时，凸台和棱角有可能被冲碎混入金属液中。各种造型方法不同，要求的型砂湿压强度也有区别。手工小件的型砂湿压强度至少应为5085kPa；震压机器造型的动作较猛，湿压强度应为75100kPa；气动微震造型大多在100140kPa；高密度造型（包括挤压、射压、静压、高压等）最好在140180kPa。 有些湿型在合型以前需要敞开砂型一段时间，应当注意型砂的风干强度。尤其是手工造型生产较大铸件时，需要较长时间修理砂型、开挖浇道，或者等待下芯，以致型腔表面风干脱水而削弱表面强度

33、。浇注时表面砂粒极易被金属液冲刷脱落而形成砂孔缺陷。由于湿砂型含水量降低将大大损害砂型表面强度。因此，造型后应尽快合型。提高型砂耐风干能力的办法可以加入淀粉0.5左右，或者修型后用喷雾方法向被风干砂型表面喷少量水后合型。 （2）湿型砂的韧性型砂不可太脆，应当具有一定的韧性。型砂的韧性与湿强度是两种不同的特性。材料力学认为强度代表将物体破坏所需施加的力大小如何；而韧性反映的是将物体破坏所需做的功大小如何。有经验的人习惯用手抓一把型砂，先在手掌中用力捏实，此时根据沾手感觉可以判断型砂干湿程度，同时根据在捏实时型砂是否柔韧和手掌纹路显现程度来判断有无足够的韧性、塑性。随后用手指掐碎的力量大小判断型砂

34、的强度。材料力学认为韧性包含强度和变形量两种参数，因此，最理想的办法是测定型砂强度时候测定出试样破碎时的变形量有多少。清华大学为此研制出以压力传感器、位移传感器、微型计算机为基础的新型剪切强度变形仪和多功能型砂强度试验机能够自动纪录和显示出型砂试样破坏时的强度和变形量，从而可用仪器精确测定出型砂的韧性。工厂最常用破碎指数来间接测定湿型砂的韧性。试验时先将f50×50mm圆柱形型砂标准试样放在直径为f50mm铁砧上，把f50mm钢球从1 m高处自由落下，砸在试样上使它裂开，并飞向直径为f200mm的筛圈碰撞破碎。大砂块停留在筛网（10mm）上面，小砂块通过网孔漏到下面的底盘中。以停留在

35、筛网上大砂块重量占试样原来重量的比率为破碎指数。我国几家铸造工厂的型砂破碎指数大多在7090之间。（3） 膨润土的质量湿型砂的强度和韧性主要取决于所用膨润土的质量和数量。我国膨润土矿藏非常丰富，但膨润土的质量不一。一般对铸件表面质量要求不很严格的小件手工铸造工厂，可以选用中等级别的膨润土。但是大量成批生产铸造厂和机械化铸造工厂，为了使型砂具有良好的湿态强度和韧性，对膨润土质量的要求如下： 膨润土的粘结力 检测型砂试样湿态抗压强度为判断膨润土湿态粘结力的最直接方法。根据GB/T92271999的规定，用标准砂2000g和膨润土100g放入SHN混砂机内，干混2min，加水40mL再混碾8min，

36、通过补加水或过筛使紧实率在4347%范围内。混砂完成后用冲样机打三锤制成圆柱形工艺试样。再用型砂强度试验机测定湿压强度。优质膨润土的湿压强度可达90110kPa，顶级膨润土可达110145kPa。低档膨润土大约在5070kPa。使用低档膨润土必须提高混砂时膨润土加入量才能得到所需要的型砂强度。根据铸造手册造型材料第二版103104页我国几家汽车、拖拉机铸铁车间9种高密度造型型砂的单一砂混制时膨润土加入量最高2.03.0，最低1.0。德国南方化学公司的资料表明混砂时GEKO膨润土加入量45kg/t Fe，砂/铁比10:1。可以计算出每吨砂加入膨润土4.5kg，即混砂量的0.45。如果将砂/铁比换

37、算成我国铸铁工厂通常采取的6:1左右，则GEKO膨润土的加入量应为0.75。与前面我国工厂相比较，国内大多数工厂的膨润土混砂加入量明显过多。所用膨润土纯度和粘结力不够高；膨润土的复用性不够好；混砂时膨润土未混合均匀。从有些选用优质膨润土混砂的铸铁工厂看到，加入量不会超过砂量的0.70.9。例如前面所提抚顺某厂使用优质膨润土的混砂加入量只有0.20.3。 膨润土的纯度膨润土含有蒙脱石矿物的多少代表其纯度。膨润土的纯度与粘结力有密切关系。简易的纯度判断方法是测定对亚甲基蓝染料的吸附量。研究工作表明吸蓝量仅能大致说明膨润土的粘结力大小如何。为了更准确地检测膨润土的湿态粘结力，应当以型砂工艺试样的湿态

38、强度为准。 膨润土的复用性 又称为膨润土的热稳定性，意即膨润土经过浇入高温金属液的热作用不易烧损的性能。不同膨润土的晶体结构开始破坏的温度和速度，以及完全破坏的温度有很大差别。如果铸造工厂所选用的膨润土热稳定性差，旧砂回用时必须较多增加新膨润土的补加量才能维持型砂的粘结强度。天然优质钠基膨润土的热稳定性比钙土好，钙土活化后热稳定性有明显提高。钙土品种不同其热稳定性也有区别。膨润土热稳定性有多种检测方法，最简单的方法是仅测定550或600焙烧的膨润土吸蓝量，求出与未焙烧膨润土吸蓝量的比值代表热稳定性。研究表明，氧化镁和氧化铁含量多的膨润土热稳定性稍差一些。（4）混砂的影响 国内很多工厂混砂时间严

39、重不足。原因是设计砂处理工部时采用的技术指标是按照过去低密度造型、低强度型砂制定的。如今高密度造型用型砂的湿压强度一般都超过140 kPa，有的甚至达到200 kPa以上，而且芯砂混入量增多都需长些混碾时间。例如我国碾轮混砂机生产工厂规定每批型砂的混砂周期（包括加料和卸料时间在内）只有2.602.70 min。与日本丰田汽车公司上乡工厂的碾轮混砂机混砂周期6 min相比，差别甚巨。国内引进德国Eirich公司生产的转子混砂机规定的混砂周期较长（140s）。而国产S14系列转子混砂机规定的混砂周期时间为120s。周期时间短就无法使膨润土的粘结力充分展开，混砂机的效率没有得到充分发挥。检验混砂机效

40、率的方法是先按照工艺规定时间混砂后，每次再延长混砂时间1分钟，并保持型砂紧实率不变条件下测定强度，直到强度不再上升，达到“峰值强度”为止。混砂机的混砂效率可以按下式计算：混砂机的混砂效率（）（实际混砂强度）/（型砂峰值强度）由于强度接近平台区的升幅极为缓慢，通常认为生产中型砂强度到达峰值的8590左右即为最适合使用强度。此时的混砂时间可以认为是混制该型砂的正确时间。正确混砂时间与实际混砂时间的差额为混砂缺少时间（min）。 型砂的混合均匀和表现出优秀的性能靠的是有足够的电能传输到型砂中，使型砂的膨润土在巨大的能量作用下，经过搅拌、揉搓和混合作用，均匀地包覆在砂子颗粒表面上。因此，混砂机需要安装

41、较大功率的电动机。分析比较国内外混砂机可以看出：混砂机的电机总功率（kW）至少应当是每小时型砂生产率（t/h）的一倍以上，否则不可能在规定周期时间内混制出良好的型砂。而国产S11系列碾轮混砂机只为1.471.85。S14系列转子混砂机仅为1.33和1.50。不论混砂机的类型如何，较长的混砂时间才可以向型砂输入足够多的电能。假定各种类型混砂机电机总容量的85为实际负荷率（包括装料和卸料时间计算在内），国产碾轮混砂机平均每吨型砂耗能只有1.48kWh，国产转子式混砂机S1420和S1425每吨型砂耗能分别仅为1.13和1.28 kWh，显然低于国外DISA、B&P、EIRICH、KW等公司

42、混砂机的平均数(1.692.47kWh)和中值(2.1kWh)。大多数工厂中混砂赶不上造型需要，只能缩短混砂时间。混砂时间不足的后果是型砂强度不足，韧性偏低，铸件砂孔缺陷多。如果要达到规定的高强度就必须过量加入膨润土，因而型砂含泥量、含水量高于正常高质量型砂，型砂中还会出现大量豆粒般大小的“砂豆”，其主要成分是未被充分混合均匀的潜在膨润土。三. 铸件夹砂缺陷采用粘土干型、树脂砂型、水玻璃砂型，以及湿型砂都有可能生成铸件夹砂缺陷（俗称呲砂、结疤、起痂子等）。夹砂缺陷的特征是在铸件表面出现金属的扁形块状物。与通常的机械粘砂和化学粘砂不同之处是块状物并未与铸件本体完全连接，两者之间被一薄层表面型砂层

43、或涂料层相隔开。用扁铲敲击隔层处即可将块状物铲下来。块状物的背面有树枝状脉纹，这是金属液流入的通路。1. 涂层开裂引起夹砂缺陷对于树脂砂型、水玻璃砂型，由于金属液热作用时间长、金属液压头的压力高，铸型表面涂刷耐火涂料可以防止化学粘砂和机械粘砂。但是仍然有可能在铸件表面上看到一条条或一块块凸起的金属和砂扁块状夹砂缺陷。这是在铸型表面上的涂料,受到浇入金属液的高温加热而开裂，金属液由涂层裂缝钻入形成的。（1）涂料质量与涂层开裂涂料生产公司应当保证涂料耐激热不开裂。涂料粘度不可过高，否则不易渗透进入砂粒孔隙，涂层与砂层之间缺少机械勾连。涂料最好能渗入砂层35mm左右，否则受浇注热作用后最易开裂翘皮。

44、（2）涂刷技术如果涂料粘度高，则涂层厚度高，尤其在铸型的坑凹处最易堆积涂料。烘干和浇注受热时溶剂挥发使涂层收缩，涂层最易开裂。常见一些手工造型工厂习惯先涂刷较稠涂料做为底层，涂料不易渗透进入砂型表面砂粒中。然后才用稀涂料覆盖一层掩盖涂层的刷痕。可能大部分涂料层开裂脱皮和铸件产生夹砂原因就在于此。2. 粘土干型夹砂缺陷 刷有涂料的粘土干型有可能发生涂料层开裂。由涂料裂缝进入的金属液钻入涂层后面的砂型内部深度取决于金属液流动性、液压头高低、固液界面温度场深度、砂型局部透气性等因素。另外，粘土干型的表面砂层受高温金属液的烘烤，表面局部紧实松软处可能发生收缩开裂，而连带使涂料层开裂和翘皮，被金属液钻入

45、形成夹砂块。特征是凸块是混有砂子的金属，还有可能看到砂型开裂的裂缝中有金属液流入形成的楔状物。在树脂砂型和水玻璃砂型的抗拉强度大约都不少于1 MPa，不容易开裂。而粘土干型烘干后的干强度不高，干拉强度大多不足0.2 MPa，浇注时最易开裂。手工造型时为了防止干砂型产生夹砂缺陷，将大量长钉密集地插入砂型中的目的是希望长钉的金属帽将砂型和涂层压住。3. 粘土湿型铸件的夹砂缺陷 （1）生成夹砂缺陷机理湿砂型的原砂主要矿物为石英，受浇注型腔中高温金属液的烘烤，573石英相变体积急速膨胀。砂型表面的型砂薄层受到强烈的膨胀应力，有被挤向外拱出的趋势。与此同时，湿型表层的水份受热向内层迁移，就在受膨胀应力的

46、边界处形成富含水份的凝聚层。水分凝聚层的抗拉和抗剪强度（称为热湿强度）极低。粘结剂为钙基膨潤土的情况下，热湿拉强度可能只有十个左右kPa。其热湿剪强度无法抵挡膨胀表层向横向滑移，热湿拉强度也克服不了膨胀表层向外挤出脱离本体倾向。因而容易产生铸件夹砂缺陷。防止湿砂型夹砂缺陷主要措施如下： （2）降低型砂膨胀应力 原砂 我国东北、华北很多湿型铸铁件生产工厂和部分华东铸铁工厂使用内蒙风积砂为原砂，其SiO2含量大致在90±2。欧美等国的同行对我国铸铁使用内蒙硅砂感到十分担心。德国等国自己的铸铁件生产选用原砂的SiO2含量都很高。因此提出铸铁用原砂SiO2含量至少在98以上。美国汽车行业提出

47、汽车铸铁件生产用原砂的SiO2含量要和美国汽车工业取自密执安湖的原砂同样，至少应在9496左右。我国地质特点与欧美有很大区别，铸铁工业极难找到高SiO2含量原砂。多年来的内蒙砂使用经验并未发现原砂由于烧结点和熔点低造成问题。SiO2含量不很高的优点是热膨胀应力不高。 对于铸钢生产而言，使用福建等地原砂的SiO2含量还达不到德国人对铸铁件的要求。生产经验表明，只要用好膨润土，也不需要担心产生夹砂缺陷。 型砂附加物 铸铁湿型砂加入煤粉不仅是抗粘砂灵验配方，而且生产经验表明，对减轻夹砂缺陷也大有补益。这与煤粉受热产生胶质体，提高了型砂的热塑性有关。国外铸造工厂有的愿在湿型砂中另外加入一些防夹砂附加物

48、。例如，加入木粉、淀粉等材料遇热体积缩小，为原砂的膨胀留有余地。这可能与国外所用原砂SiO2含量较高有关。（3）增强型砂的热湿态强度 研究工作揭示膨润土的结晶结构中钠离子能够大幅度提高热湿态粘结力。各国的铸造材料公司将钙基膨潤土（简称为钙土）中加入碳酸钠使它活化成为人工活化膨润土（简称为活化土）。活化土具有近似天然钠基膨润土（简称天然钠土）的热湿态粘结力，能够防止湿型铸件生成夹砂缺陷。我国拥有大量钙土矿源，各膨润土公司都有人工活化土供应。我国也有几处天然钠土矿，但品质比较一般。美国则拥有怀俄明天然钠土矿，蕴藏丰富，品质十分突出。 活化土的质量检验 对活化土质量最直接的检验方法是测定工艺试样的热

49、湿拉强度。因为型砂的热湿拉强度试验既能反映出膨润土的纯度，又能表现出活化土的活化程度。但是很多中小铸造工厂缺少此项检验条件。比较适合工厂使用的活化膨润土质量简易试验由两部分组成。首先用亚甲基蓝吸附量试验来判断膨润土的纯度。然后用膨润试验检验活化土的活化程度。常用的膨润试验方法如下：a) 膨润值：将活化土2.00g或1.00g分批加入到盛有7080mL蒸馏水的100mL量筒中。每次盖紧后用力摇动直至均匀分散。膨润土加入完毕后再加1 mol NH4Cl溶液5mL，并继续加蒸馏水到100mL刻度线，再摇动使成均匀悬浮液。静置24h后读出沉淀的容积mL就是“膨润值”。向试料液中加入的NH4Cl溶液是电

50、解质，是使量筒上部液体澄清，沉淀界面明显易读。b) 胶质价：将膨润土15.0g加入量筒中，加入MgO 1.0g，再加蒸馏水至 100mL 刻度处。摇匀后静置24h，读出沉淀物界面处刻度值，即胶质价。MgO的作用也是电解质。膨润土试料量多达15.0g，不适用于测定活化土或天然钠土。c) 膨胀倍数：试料量1g，电解质使用1 mol HCl 25mL。其它试验步骤同前两种试验方法。 应当注意各种膨润试验方法只能说明膨润土中钠离子含量，并不代表膨润土的纯度。决不是膨润性越高，膨润土质量就越好。 活化量的选择 钙土中加入碳酸钠的数量并非越多越好。开始加入碳酸钠时型砂工艺试样的热湿拉强度明显提高。但是随着

51、碳酸钠加入量的增多，热湿拉强度达到最高值后又开始降低。此时的碳酸钠量称为“极限活化量”。绝大多数国产钙土的极限活化量为5左右。铸造工业用活化土的活化量并不需要达到极限程度。因为对于提高热湿拉强度和防止夹砂类缺陷不必达到极限活化量已足够。而且极限活化膨润土在混砂时易产生团块，型砂的流动性、落砂性也较差，而且生产成本有所提高。只有一些特别容易产生夹砂缺陷的湿型铸钢件才使用接近极限活化的膨润土混砂。一般铸铁件用膨润土活化程度的选择根据铸件结构特点以及生产中造型和浇铸的具体条件而定。美国生产汽车发动机铸铁件用膨润土通常是用优质天然钠土（怀俄明膨润土）与钙土（南方膨润土）按2:1的比例掺和使用，生产小铸

52、铁件的掺和比例按1:1。对于活化土而言，此比例大体分别相当于钙土中加入碳酸钠3.3和2.5。我国膨润土加工场考虑到活化反应的吸收率，碳酸钠的加入量大体为4.0和3.0。与钙土相比，钠土的热稳定性高，铸造过程中不易烧损，混砂的补加量减少，型砂中灰分的积累降低，型砂含水量也会降低。钙土经过活化处理后热稳定性和旧砂的复用性也明显提高。因此，使用活化土的目的不仅仅是为了防止夹砂缺陷，而且从提高膨润土热稳定性的目的也最好选用活化土。对于那些热容量较低的轻型薄壁铸铁件（如可锻铸铁管件）、铸铜件和铸铝件的机械化程度较低的铸造工厂，有可能选用钙土。钙土矿藏分布较广、容易得到、售价低廉，型砂的流动性好、容易混砂

53、和落砂。至于一些缺少混砂机械设备的手工铸造工厂，只是向旧砂堆上撒膨润土和喷水，然后用锹抛向倾斜放置的筛子，就算混砂完毕，最好不用活化土以免难以分散开。 膨润土的活化技术 钙基膨潤土的活化方法有三种：a) 膨润土加工厂采用的活化处理方法：基本上都是先将开采到的膨润土矿分类堆积、晾晒、破碎、喷洒碳酸钠液，混合、挤压、熟化堆放、烘干、磨粉、装袋、发运。活化过程是碳酸钠溶液与膨润土碎块在半固态下发生钠离子置换反应。各膨润土加工厂的设备和工艺有一定区别，反应率高低各不相同。据称加工过程比较细致工厂的反应率可达80左右。b) 将碳酸钠粉末溶解在水池或水槽中：直接取用含碳酸钠的水溶液混砂，不另外加清水。估计

54、这种活化方法的置换反应率相当高，因为在混砂机中，活化处理时膨润土为分散良好细粉状，与碳酸钠溶液接触界面巨大，又同时受到强力的碾压和搅拌。我国东风汽车公司铸造工厂多年来就是用碳酸钠水溶液代替清水混砂。 五. 铸件胀砂、缩孔和缩松缺陷. 当浇注时，砂型受到高温金属液的静压力和动压力以及石墨析出膨胀力作用而产生型壁移动，使铸件尺寸或局部尺寸超过模样的大小，称为胀砂。同时只要铸件的补缩通路不够通顺，还会伴随有缩孔缩松缺陷。以下按照不同的砂型和不同的金属种类分别分析胀砂、缩孔和缩松缺陷的机理和防治措施。1. 树脂自硬砂呋喃树脂的高温强度根据其成分而异。高尿素呋喃树脂的分解温度大约只有300左右，残留强度低。树脂砂型和砂芯会及时粉碎，有利于落砂，主要用于非铁金属铸造。对于铸钢和铸铁而言，高尿素呋喃树脂不但分解温度过低，影响铸件尺寸稳定性，而且树脂含氮量高，很容易引起氮气孔缺陷。高糠醇含量呋喃树脂的分解温度大约600左右。树脂受高温金属液烘烤烧焦后还有碳的骨架支撑，暂时具有一定的残留强度，使它不会立即垮掉。只要砂型的紧实良好，中小铸钢件不会出现胀砂现象。而铸铁件虽然有一定的石墨析出膨胀倾向，刚性强大的树脂砂型也不致于呈现胀砂现象。但是对于巨大铸钢件，就需要考虑树脂砂的砂粒间粘结桥逐渐烧损破坏，粘结强度不断下降而引起铸件胀砂。为了砂粒之间形成紧密粘结的联结桥，除了要求粘结剂