编辑导语：粘土湿型砂作为现阶段主要的铸铁件生产手段，在铸造中占主要的地位，但由于粘土湿型砂自身的缺点：砂型强度、硬度低，韧性不高，发气量大等，会对铸件产生诸多铸造缺陷，主要分析了砂眼、粘砂、夹砂、气孔的形成原因及解决措施。通过一系列的解决措施，严格把控原材料质量、执行铸造工艺以及过程控制，废品率由原来的8%左右降为4%～5%，大大节约了成本，创造了很好的经济效益，在各主机厂赢得了良好的口碑。
粘土湿型砂主要由原砂、粘土(膨润土)、附加物(煤粉、淀粉等)和水混合而成。粘土湿型砂造型是使用最广泛、也是最方便的造型方法，大约占所有砂型使用量的60%～70%。在生产过程中，型砂可循环生产使用，只需添加一定量的膨润土、煤粉附加物、新砂，旧砂利用率在90%～95%不等。
粘土湿型砂优点：生产成本低廉、生产周期短;缺点：砂型强度、硬度低，故不适用于生产轮廓尺寸大或壁厚很厚的铸件。重量超过200 kg、壁厚超过50 mm的铸件一般不采用粘土湿型砂铸造工艺生产。
湿型砂按造型时的情况可分为面砂、背砂、和单一砂。面砂是指特殊配制，在造型时覆盖在模具表面上，构成型腔表面层的型砂。背砂顾名思义，是铺盖在面砂背面的型砂，用来填充砂箱，浇注时，不与高温铁液接触，对型砂没有过多要求。而对面砂的质量要求直接影响产品的品质。一般生产中小铸件时，往往不分面砂和背砂，而只用一种型砂，即称为单一砂。
笔者公司的粘土湿型砂生产线主要生产柴油发动机上的配件，产品种类多，有飞轮类、飞轮壳类、小杂件等，其中小杂件有结构复杂的弯管类、简单的皮带轮类，重量大小不一。这种小批量、多品种的生产模式，对湿型砂提出了更高的要求。在前期调研砂处理设备时，考虑到这一点，故选用带自动在线检测装置的变频调速转子混砂机;砂处理旧砂回用时，在输送带输送过程中，根据旧砂砂温采用多个自动喷水装置，给旧砂进行降温;高于室温10～15 ℃的型砂即认为是“热砂”，生产中应尽量避免由于热砂问题而产生铸造缺陷。
从废品统计情况来看,铸件的报废率达到8%左右。由湿型砂的型砂品质问题造成的铸造缺陷主要有：砂眼、气孔、夹砂、粘砂等。
在型腔中有脱落或散落的型砂，浇注后在铸件上形成砂眼。这主要是由于型砂或砂芯强度不够，或型砂水分及发气物过多，在浇注时使型砂脱落，或造型时紧实度不均匀、修型不当，浇注时炸箱以及在下芯、合箱时不够注意，发生磕碰造成砂粒脱落，从而造成砂眼。砂眼是湿型砂造型中特别要注意的缺陷(见图1)。
图1 砂眼
在湿型砂生产中，气孔占的比例最大。在液态金属凝固过程中，侵入金属中的气体、气泡在铸件中形成的孔洞，称为气孔。因为湿型砂中含有水分，水分是产生气体的主要根源之一。如果型腔排气不好，砂芯通气不畅，砂型紧实度过高，型腔内所用的砂芯树脂含量过高等，在浇注过程中产生的气体排不出去，就会侵入到铸件中，形成气孔。在浇注时，浇注系统开设不当，浇注速度不当，金属液都会裹携气泡进入型腔，当气泡不能从型腔中排出时，也会使铸件产生气孔。另外，如果炉料受潮没有烘干等，铁液中含气过高，也会形成析出气孔(见图2)。浇注过程中，铸型上表面受热膨胀，形成夹层，造成夹砂缺陷。夹砂是湿型砂铸造最常见的缺陷，型砂导热率低，热湿拉强度不够，砂型型壁各层间膨胀不均匀，都会产生内应力，形成夹层，造成夹砂，如图3所示。
图3 夹砂
粘砂对铸件外观质量影响很大，特别是化学粘砂，清理很困难。在各主机厂对铸件外观质量要求越来越高的情况下，防止粘砂就更加重要。粘砂分机械粘砂和化学粘砂。型砂中SiO2含量低，使型砂耐火度低。高温铁液与SiO2等形成低熔点氧化亚铁FeO、其他氧化物和低熔点的化合物等，粘附在铸件表面，形成化学粘砂;机械粘砂是金属液直接钻入砂型砂粒间孔隙，靠金属的包围和勾连作用与砂粒连结在一起，没有化学反应。
图4 粘砂
(1)湿型砂湿压强度不够，铸型受高速流入铁液的冲蚀时，内浇口直冲正对面的砂型或砂芯，就会冲蚀成坑。铸型型腔内的凸台、棱角也可能被冲碎，混入铁液形成砂眼。铸型修型时间较长、手工造型开挖浇道等使得等待合箱的时间长，以致铸型型腔表面风干脱水而削弱铸型表面强度。浇注时表面砂粒极易被铁液冲蚀脱落而形成砂眼。对于高压造型和笔者公司的产品结构，型砂湿压强度控制范围为0.11～0.16 MPa，小杂件控制下限，飞轮、飞轮壳厚大复杂件控制上限。铸型等待时间较长，有些铸造厂会在铸型表面上喷少量水后再合箱，但笔者建议尽量不采取此措施，而应做到上下箱生产匹配，同节奏进行。(2)造型紧实度要均匀，要求大于85，铸型的平面和侧面的紧实度存在差异，侧面紧实度要求85以上，上平面紧实度要求90～92。产品的侧面如轮廓，要求采用捣固机侧面捣实的办法，避免浇注时铁液冲蚀进入铸件内形成砂眼;如侧面是芯头，则不考虑捣实，正常压紧即可。下芯合箱要稳妥，行车采用双速调控装置，合箱时调慢档，缓慢下行合箱，防止摩擦、磕碰掉砂。(3)模具芯头间隙设计不当也是造成砂眼的主要原因，加大芯头的倾斜角度，由5°增大到10°。芯头的间隙水平宽度应当大于芯盒的宽度尺寸单边0.5 mm，如需上涂料，则单边间隙为1 mm。芯头与模具接触处的平面夹角不可小于90°，避免铸型形成尖锐棱角，导致合箱浇注时磕碰砂和冲砂。(4)合理的浇注系统，合适的浇注速度，也可减少铁液对铸型的过分冲刷，减少砂眼的形成。(1)湿型砂中含有一定量的水分，浇注受热后，容易产生气孔，控制型砂含水量是防止气孔产生的关键环节。高压造型型砂水分要求控制在3.2%～3.8%。生产线混砂系统带有自动检测装置，在系统界面上设定CB值，CB值即为紧实率。紧实率和型砂水分是密切相关的，用型砂的紧实率和含水量的比值来衡量型砂的含水量处于合适的适度状态，对于各种不同的型砂，这个比值为10～12是合适的。如比值小于10，表明型砂的含水量偏多、型砂韧性差;如比值大于12，则型砂含水量偏少，型砂性能对水分敏感性增大。只要紧实度/水分的比值控制在理想范围内，混砂时控制好CB值即可，但也不是一概而论墨守成规，而是需要根据季节和天气情况来定，秋季要比夏季略微低一点儿，冬季要比秋季略低点，阴天比晴天略低一点，保证型砂紧实率CB值在32%～36%之间。(2)除型砂水分以外，还有煤粉等发气物质，也要严格控制，加入量不可过高。煤粉的加入量以型砂的灼减量数值来决定，一般控制在3%～5%。(3)型砂的透气性并非越高越好，提高型砂透气性有利于排出型腔内的压气，但是型砂透气性是对铸件缺陷敏感的性能，型砂透气性低了，气孔缺陷会增多;而透气性高了，砂粒间孔隙过大，铸件易产生机械粘砂造成铸件表面粗糙，高压造型透气性值范围建议取100～140，已在生产实践中得到很好验证。(4)在工艺上要集中气孔位置，设置排气冒口，让气体顺利排出。另外，在铸型上箱的适当部位扎一定数量的出气孔，浇注时用引气棒点火，及时将型腔内的气体排出。(5)炉料、吊包都要进行烘干处理，炉料不得锈蚀、有油污等;铁液内气体较多时，浇注前要对铁液进行脱气处理，以减少铁液内的含气量。(1)钠化膨润土具有较高的热湿态粘结力，从而能够提高型砂的热湿拉强度，避免砂层鼓起、翘起、结疤等。在生产飞轮、飞轮壳时，要求热湿拉强度控制在(2)经过生产验证，湿型砂内的附加物煤粉不仅能抗粘砂，对减轻夹砂缺陷也大有作用。这是因为煤粉受热产生胶质体，提高了型砂的热塑性，从而减轻了产品夹砂的现象。煤粉正常加入量为膨润土的50%，对特别容易产生夹砂缺陷的产品，要加大煤粉使用量，由50%提高到80%，灼减量3%～5%，并控制好上限范围。(3)工艺上选择合适的浇注系统，提高浇注速度，减少铁液对砂型表面的烘烤。还可采用倾斜浇注的方式，倾斜角度一般控制在3～15°，以减少夹砂缺陷的产生。(4)对大平面的飞轮类，在上箱型腔表面，插入适当的钉子，并使钉子与型腔表面齐平，钉子用来牢牢钉住表层砂，使之不能突起、翘开。(1)湿型砂的透气性不可太高，以免铁液渗透到砂粒之间的孔隙中。冷芯使用的原砂目数为50～100目，树脂砂使用的原砂目数为30～50目，飞轮壳和弯管类小杂件生产需要使用到砂芯，这样就造成砂芯掺入量加大。在长期使用后，会使型砂砂粒变粗，型砂的AFS细度指数50～100的比例占83%，导致铸件表面粗糙，型砂透气性高达160～190。为了纠正型砂砂粒变粗的问题，在混制湿型砂时加入100～200筛号的细新砂进行调节。使型砂粒度维持在50～140筛，四筛分布。(2)煤粉是主要的抗粘砂附加物，可使型砂砂粒间形成碳膜或烧结壳，减少铁液表面氧化，对砂型表面进行润湿和渗透。但煤粉的加入量不可过高，过高会使铸件表面毛燥。铸件表面有明显蓝色，说明煤粉加入量过高了。主要还是以检测数据为准，控制范围在3%～5%。图5为产品生产时取型砂样，理化检测灼减量为5.3%，毛坯表面略粗糙、呈微微蓝色。由于产品结构简单，毛坯表面经抛丸没有造成报废。
图5 产品生产时取型砂样
(3)浇注压力不可过高，铁液浇注压力过高，机械粘砂也会越严重，铸件底部易形成粘砂缺陷。(4)浇注温度高，铁液流动性好，易渗入砂粒之间的孔隙而产生粘砂，但也不可过低，过低易产生气孔、冷隔等铸造缺陷，尤其针对笔者公司生产的产品，产品情况复杂，对薄壁件温度不可过低，控制范围为1 420～1 320 ℃，对飞轮、飞轮壳厚大件温度控制在1 380～1 300 ℃。(5)也可对砂型上表面进行喷涂，喷耐火度较高的涂料，减少粘砂，但在涂料选型上考虑采用快干型涂料，不可点火烘干，使铸型脱水形成砂眼。通过近半年的生产验证，根据以上有针对性质量解决措施，严格遵守工艺纪律和过程控制，改进后的铸件报废率有明显下降，前后对比图见图6。通过对湿型砂铸件缺陷分析，采取了一系列的措施，特别是型砂的原材料进行了严格选择、控制，在混砂、铸造工艺上进行了严格控制，加强了造型操作的控制检查，取得了很好的效果，废品率明显下降，综合废品率控制在4%～5%，取得了良好的经济效益。文章编辑：柳建国
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