張曉麗，徐素峰，董必義

（太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司特鑄分公司，山西 太原 030024）

履帶板（如圖1a）所示）是挖掘機(jī)行走系統(tǒng)上不可或缺的重要部件，服役條件惡劣，承受大的載荷及磨損，其內(nèi)腔形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需較多芯子成型。斗齒（如圖1b）所示）一般裝在挖掘機(jī)鏟斗的前端，系懸臂梁構(gòu)件，直接與礦石物料接觸，在工作過(guò)程中受到強(qiáng)烈的沖擊和滑動(dòng)磨料磨損，是易損件，消耗量大。履帶板和斗齒蘇用材料都是高錳鋼。之前一直使用硅砂作為高錳鋼鑄件的芯砂材料，但由于硅砂屬于酸性耐火材料，其成分主要是SiO2；而高錳鋼中含有較多的MnO2，它屬于堿性氧化物，生產(chǎn)中容易造成粘砂，不僅清理費(fèi)時(shí)，而且鑄件粘砂將會(huì)影響熱處理臨界冷卻速度，最終影響鑄件奧氏體化程度，碳化物殘留在晶界處從而成為裂紋根源。基于上述問(wèn)題，我們選用鉻鐵礦砂取代硅砂。鉻鐵礦砂屬于堿性耐火材料，耐火度高，熱導(dǎo)性比硅砂大幾倍，有很好的抗堿性渣的作用，故能有效防止鑄件粘砂缺陷。但是價(jià)格昂貴（4850元/t左右），而且需從國(guó)外進(jìn)口。所以尋找代用鉻鐵礦砂的新材料在降低成本上的意義是很大的。

圖1 履帶板、斗齒實(shí)物圖

1 試驗(yàn)材料

寶珠砂是一種人造型砂，利用我國(guó)儲(chǔ)量很多的優(yōu)質(zhì)高鋁礬土礦石，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，具有優(yōu)異的性能，屬中性材料，可適用于各種鑄造合金和多種鑄造工藝。其制造方法見(jiàn)圖2。

圖2 寶珠砂制造流程圖[1]

寶珠砂的粒形為球形或接近球形，顏色為灰褐色，見(jiàn)圖 3。粒徑在 0.053mm（270目）～2.0mm（6目）之間，其化學(xué)成分如表1所示。

圖3 寶珠砂的粒形[1]

表1 寶珠砂的化學(xué)成分[2]（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

寶珠砂耐高溫，熱穩(wěn)定性好，不易破碎，再生性良好。其主要的熱物理性能見(jiàn)表2。

表2 寶珠砂、鉻鐵礦砂及硅砂的性能對(duì)比[2]

根據(jù)上述對(duì)比，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析認(rèn)為寶珠砂含Al2O3在80%以上，其pH約為7.5，屬中性材料，可用在各種黑色金屬的合金上。特別是其堆積密度僅為鉻鐵礦砂的0.73～0.74倍，且外形為球形，表面積最小。因?yàn)檫@些特點(diǎn)決定其：1）體積相同的情況下用量小，僅為鉻鐵礦砂的0.73～0.74倍；2）因其為球形表面積小，可知消耗樹(shù)脂及固化劑量少；3）性能屬中性，適合高錳鋼件上使用；4）耐火度接近鉻鐵礦砂。5）價(jià)格占優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)價(jià)格鉻鐵礦砂單價(jià)4580元/t，而寶珠砂為3850元/t，相對(duì)價(jià)格較低，在相同的體積下其用量?jī)H為鉻鐵礦砂的0.73～0.74倍，使用樹(shù)脂及固化劑相對(duì)減少。

基于上述考慮我們決定在批量大的高錳鋼件上進(jìn)行代替鉻鐵礦砂試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

主要是高錳鋼鑄件中批量大的斗齒、履帶板的芯子。如：斗齒毛重350kg～450kg，主要熱節(jié)約170mm左右，No1芯子；履帶板毛重800kg～1200kg，主要熱節(jié)約70mm左右。原來(lái)使用鉻鐵礦砂的芯子全部改用寶珠砂。芯子分布見(jiàn)圖4。

圖4 斗齒、履帶板芯子分布圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

1）斗齒中間No.1芯子，因?yàn)樵撎師峁?jié)＞170mm且在冒口下方，故效果不好，有粘砂，其余部位小芯子圓孔芯都取得了滿(mǎn)意的效果。

2）履帶板進(jìn)行3次共14件的試驗(yàn)。履帶板的熱節(jié)＜100mm，試驗(yàn)芯子下部在冒口下，效果都很明顯，都達(dá)到了鉻礦砂防粘砂的效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 寶珠砂防粘砂分析

粘砂是金屬液與鑄型間發(fā)生界面反應(yīng)的結(jié)果。金屬液注入鑄型以后，在界面上，金屬液、鑄型材料和型內(nèi)氣體之間要發(fā)生一系列物理的、化學(xué)的和物理化學(xué)的反應(yīng)，粘砂是這許多作用的綜合結(jié)果。

1）機(jī)械滲透粘砂是由于鑄型承受較大金屬液柱壓力P柱產(chǎn)生的[3]，金屬液要滲入砂粒的孔隙中，必須克服受砂粒間空隙半徑r砂制約的臨界滲透壓力P臨，即見(jiàn)公式（1）：

σ——液體金屬表面張力（×10-5），N/cm2；

r砂值越小則對(duì)金屬滲入阻力越大。寶珠砂砂粒為球形，流動(dòng)性好，內(nèi)腔轉(zhuǎn)角處較易撞實(shí)；表面光滑，結(jié)構(gòu)致密，使得粘結(jié)劑能均勻覆蓋，容易獲得較高的緊實(shí)度，也就是說(shuō)減少了砂粒間的孔隙半徑r砂，從而增加臨界滲透壓力P臨，金屬不容易滲入，防止機(jī)械滲透粘砂。

2）化學(xué)粘砂[3]是在金屬/鑄型界面上，硅砂材料中的SiO2與鋼水中的FeO產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的鐵硅酸鹽即（Fe2Si2O4），見(jiàn)公式（2）。

上述反應(yīng)生成的鹽類(lèi)附著在鑄件表面，而生成難以清除的粘砂層。

寶珠砂耐火度較高（可達(dá)1790℃），高溫化學(xué)穩(wěn)定性好，屬于中性材料。其中的Al2O3不易與鐵的氧化物反應(yīng)，不會(huì)生成低熔點(diǎn)鹽類(lèi)，芯砂致密，表面阻止了鋼水的滲入，可以防止產(chǎn)生化學(xué)粘砂。

3）熱節(jié)大于100mm，產(chǎn)生粘砂

熱節(jié)是鑄件最后凝固的地方，也是熱量集中的地方。寶珠砂熱導(dǎo)率不及鉻鐵礦砂，傳熱較慢。熱節(jié)大于100mm時(shí)，由于熱量存續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，在大的壓力頭的作用下（主要是冒口下），使寶珠砂產(chǎn)生燒結(jié)，鋼水滲入芯砂中表現(xiàn)為粘砂。這一方面的工作有待進(jìn)一步研究。

所以，寶珠砂在高錳鋼件上做防粘砂材料代替鉻礦砂是可行的。但條件是鑄件熱節(jié)必須小于100mm，如果熱節(jié)大于150mm則有產(chǎn)生粘砂的危險(xiǎn)，也就是說(shuō)熱節(jié)為100mm的地方（芯子）使用是可靠的。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

以35m3電鏟高錳鋼鑄件履帶板的全部芯子為例，履帶板毛重1 t。

1）用砂量的節(jié)約見(jiàn)表3。

表3 寶珠砂及鉻鐵礦芯砂的用量及成本比較

由表3可見(jiàn)每件履帶板使用寶珠砂用砂量減少80kg，從價(jià)值上計(jì)算每件便宜563元。

2）黏結(jié)劑和固化劑的節(jié)約見(jiàn)表4。

表4 寶珠砂、鉻鐵礦芯砂配制樹(shù)脂固化劑的用量及成本比較

表4所示是鉻鐵礦芯砂及寶珠砂芯砂的樹(shù)脂固化劑使用配方。從上表不難看出寶珠砂和鉻鐵礦砂相比，用樹(shù)脂和固化劑量較少，降低了成本約29元。

3）成本節(jié)約見(jiàn)表5。

表5 寶珠砂及鉻鐵礦芯砂總成本比較 元

由上述可知，使用寶珠砂代替鉻鐵礦砂每生產(chǎn)一塊重1 t的履帶板（所有芯子），可節(jié)約總成本592元。

4 結(jié) 論

1）寶珠砂在高錳鋼鑄件芯子粘砂部位可代替鉻礦砂，但條件是芯子部位熱節(jié)應(yīng)小于100mm；

2）使用寶珠砂代替鉻礦砂的經(jīng)濟(jì)效益可觀，以35m3電鏟高錳鋼鑄件履帶板（每件毛重1 t）所有芯子為例，每件可節(jié)約成本592元。

［1］李遠(yuǎn)才.鑄造造型材料實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］李傳栻.漫話硅砂的替代材料［J］.鑄造縱橫，2011（9）：65.

［3］陳國(guó)楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷與對(duì)策手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：225-226，232-233.