潘玉洪

型殼破損導致的熔模鑄件缺陷分析

潘玉洪

闡述了因型殼破損產(chǎn)生熔模鑄件缺陷的外部特征及產(chǎn)生的部位，分析了熔模鑄件產(chǎn)生外部缺陷、內(nèi)部缺陷的主要原因。減少、消除和預防熔模鑄件產(chǎn)生缺陷的有效對策是：提高型殼的強度和熱穩(wěn)定性、改進鑄件和模組設計、選擇合理的壓力頭高度。

熔模鑄件；鑄造缺陷；型殼；澆注

1 引言

因型殼破損產(chǎn)生的熔模鑄件缺陷，是指由于型殼的高溫強度低，澆注后在鑄件表面上，或鑄件的內(nèi)孔、凹槽處產(chǎn)生多余的、不規(guī)則的金屬缺陷。型殼質(zhì)量是影響熔模鑄件質(zhì)量的最關(guān)鍵因素。由于多方面的原因，型殼質(zhì)量的研究與生產(chǎn)的實際需要之間，還有很大的差距。尤其是型殼的材料不易控制，在制殼過程中，不僅制殼工藝復雜、影響因素多，而且基本上是人工操作，更增加了可變因素，使型殼的質(zhì)量很不穩(wěn)定。因此嚴重地阻礙了在礦山機械中，使用熔模鑄件逐步代替模鍛件、代替機械加工件，以及代替結(jié)構(gòu)件等的應用。熔模鑄造工作者應在生產(chǎn)中有效預防，減少或消除熔模鑄件的缺陷。

一般來說，熔模鑄件產(chǎn)生缺陷有兩種情況：一是外部產(chǎn)生缺陷；二是內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。

2 外部鑄造缺陷

2.1 特征

澆注時由于型殼破裂，在鑄件的外部表面上形成不規(guī)則的、多余的金屬（俗稱“外部跑火”或“外型跑火”），見圖 1。

2.2 產(chǎn)生部位

常常產(chǎn)生在型殼高溫強度最薄弱之處。

圖1 外部缺陷

3 產(chǎn)生原因

3.1 型殼的強度低或有裂紋

型殼在脫蠟、焙燒或澆注時，受到各種應力的作用，當這些應力超過此時型殼的強度極限時，就會產(chǎn)生破裂。型殼破裂的示意圖見圖2。

型殼破裂有兩種情況：

（1）內(nèi)聚力促使接觸處的粘結(jié)劑膜破裂，見圖 2a、圖 2c；

（2）附著力-內(nèi)聚力破裂（見圖 2b）。 粘結(jié)劑膜脫離顆粒表面，同時這個膜破裂。

顆粒本體破壞的可能性很小，一般是如圖2c的破裂。

型殼破裂有兩種原因：

圖2 型殼破裂的示意圖

（1）型殼的常溫強度低，在脫蠟的過程中產(chǎn)生破裂，見圖3。

圖3 型殼脫蠟時產(chǎn)生的破裂

型殼的常溫強度主要取決于粘結(jié)劑中硅膠的粘結(jié)作用。以水玻璃型殼為例，當水玻璃的模數(shù) m＜3.0，比重d＜1.26，涂料中水玻璃與耐火材料之比低于0.8時，型殼的常溫強度很低，焙燒后產(chǎn)生酥松（如圖4所示）；并且隨著上面三個參數(shù)的下降不僅強度降低；而且型殼酥松的數(shù)量增加，酥松的程度加大。

圖4 型殼酥松

型殼的常溫強度還取決于制殼工藝過程對型殼固化程度的影響，以及型殼的宏觀結(jié)構(gòu)。

在膠體SiO2含量相同的情況下，水玻璃型殼的常溫強度比硅酸乙酯型殼的高；同一種水玻璃型殼，其強度取決于水玻璃的模數(shù)。

在粘結(jié)劑滿足工藝要求的前提下，還與制殼和脫蠟的工藝過程有關(guān)，如型殼涂掛不均勻、硬化不充分、風干不良、脫蠟液的溫度低、脫蠟時間長、澆口芯棒取出太晚等因素，阻礙了蠟液外流等，都導致型殼破裂。

涂掛層數(shù)不夠，更明顯地降低型殼強度。

（2）型殼的高溫強度低，在焙燒或在澆注時破裂，見圖5。

型殼的高溫強度不僅與影響型殼常溫強度的因素有關(guān)，還與粘結(jié)劑的性質(zhì)、耐火材料的性質(zhì)和組成有關(guān)，如普通水玻璃型殼的高溫強度最低，硅酸乙酯型殼的高溫強度次之，高強度水玻璃型殼的高溫強度最好。

焙燒工藝參數(shù)選用不當，如焙燒溫度過高，升溫或冷卻速度太快，也容易使型殼破裂。

3.2 壓力頭太高

高溫的金屬液從澆入型殼時起，就與型殼之間發(fā)生一系列的作用，如靜壓力和動壓力。

（1）靜壓力

圖5 焙燒時型殼產(chǎn)生的破裂

金屬液注滿型腔，在沒有凝固之前，金屬液由于本身的重力對型殼各部位都造成一定的壓力。任何一處的壓力

式中F——金屬液作用于型壁上某處的壓力

y——金屬液的比重

h——壓力作用點的自由液面高度

S——型壁的面積

對于型殼的外壁來說，這個力就是要把型殼漲開的力。由式（1）可知：直澆口越高，型殼的面積越大，靜壓力也越大。

（2）動壓力

金屬液以一定的速度v注入型殼，根據(jù)水力動力學的分析知道：代表著一定的壓頭，稱為速度頭（與靜壓力頭的意義相似），它對所沖擊到的型殼部位造成一定的壓力，所產(chǎn)生的總動壓力可以用下式表示

式中F動——金屬液沖擊型殼的動壓力

y——金屬液的比重

S——金屬液的截面積

v——澆注速度

g——重力加速度

從公式（2）可以看出，澆注的速度越快，金屬液沖擊型殼壁的動壓力越大，而且呈平方關(guān)系增加。動壓力是發(fā)生在流速消失，動能轉(zhuǎn)化為壓力的一瞬間。如果型腔有較大的開口，這種動能將消耗在金屬液面的波動上，當型腔是封閉的，動壓力超過此時型殼的強度極限時，型殼就會破裂。

3.3 模組設計不當

按照模組上蠟模的間距不同，將其制成的型殼分為四類：

（1）敞開式。型殼的全部表面都能看清；

（2）半敞開式。型殼表面的某些末端碰到附近型殼的表面；

（3）半密實式。型殼表面有幾處地方同附近型殼接觸，但能清楚看到一側(cè)凹的空腔；

（4）密實式。幾乎型殼的全部表面都同附近的型殼接觸成為密實的型殼，只能看到很少的幾個凹的空腔。

從四種型殼的裂紋數(shù)量和裂紋程度可以看出，蠟模的間距越小，型殼破裂的數(shù)量越多，即密實式型殼66%產(chǎn)生裂紋。不僅裂紋的數(shù)量增加，而且裂紋的程度隨之加大。

蠟模間距影響型殼產(chǎn)生裂紋的原因是：

（1）涂掛時，涂料層包覆著每個蠟模，這就阻止了涂料的自由排出和自由流入。由于凹處聚集著多余的涂料，使涂掛的型殼表面粗劣，這種厚薄不均勻以及在干燥過程中凹處涂料的裂紋，引起型殼破裂；

（2）型殼在干燥的過程中會產(chǎn)生少量的收縮，如果收縮受到阻礙，型殼就會產(chǎn)生裂紋。采用敞開式涂掛，在每個蠟模周圍型殼的收縮會自由些，型殼產(chǎn)生裂紋就會小或少，甚至不產(chǎn)生裂紋。反之，涂掛密實型殼，沿蠟模周邊型殼的收縮受阻增加，導致型殼產(chǎn)生裂紋，并且裂紋的數(shù)量多、裂紋大。

3.4 型殼的熱穩(wěn)定性差

熱穩(wěn)定性也稱抗熱沖擊性或抗急冷急熱性。它是指型殼抵抗由于溫度急劇變化而不破裂的能力。

型殼在焙燒或澆注時，尤其在澆注時的一段時間內(nèi)，型殼的內(nèi)表面由于高溫的金屬液接觸受到劇烈的熱沖擊，瞬間使型殼內(nèi)層的溫度突然升高，而型殼外層上升較慢（升溫取決于型殼的導熱能力），這樣沿著型壁厚度就存在著溫度差，與此相應的各層間的熱膨脹量也不相同，因而產(chǎn)生了熱應力（內(nèi)層為壓應力，外層為拉應力）。當應力超過型殼的強度極限時，就產(chǎn)生由外向里的裂紋，嚴重時使型壁裂開。

應力是型殼產(chǎn)生裂紋的外部原因，可用下式表示

式中σ——應力

K——型殼的幾何特性系數(shù)

C——型殼的比熱

R——型殼的容積和重量

E——型殼的彈性模數(shù)

t金——金屬液的澆注溫度

t型——澆注時型殼的溫度

λ——型殼的導熱系數(shù)

μ——泊松系數(shù)

α——熱膨脹系數(shù)

從（3）式可以看出，型殼破裂的可能性隨著熱膨脹系數(shù)、彈性模數(shù)和金屬液與型殼溫差的減少而減少，隨著型殼的導熱系數(shù)的增大而減少。

生產(chǎn)實踐表明，對型殼熱穩(wěn)定性起決定性影響的因素是型殼的熱膨脹性和澆注時金屬液與型殼的溫差。用石英砂（粉）制成的型殼，由于石英的熱膨脹系數(shù)大，而且在加熱過程中發(fā)生多晶轉(zhuǎn)變并伴隨體積膨脹，因此，熱穩(wěn)定性差，尤其在型殼低溫澆注時，更容易使型殼破裂。

3.5 防止措施

3.5.1 提高型殼的強度

（1）選擇合適的粘結(jié)劑?，F(xiàn)在多用水玻璃作粘結(jié)劑，可以選用硅溶膠、硅酸乙酯等；

（2）制定合理的制殼工藝。如硬化液的濃度、溫度和硬化時間，風干時間，涂料的配比、溫度與粘度，撒砂的粒度與掛砂的層數(shù)等；

（3）制定合理的型殼涂掛工藝。如適當?shù)乜亓?，使涂掛的型殼厚薄均勻，結(jié)構(gòu)致密，沒有分層現(xiàn)象，確保型殼強度；

（4）制定合理的焙燒工藝。如焙燒的溫度不宜太高，以800~850℃為宜，保溫2~3小時（與裝爐量有關(guān)）；升溫與冷卻的速度不宜太快，升溫的速度一般根據(jù)型殼的結(jié)構(gòu)尺寸、形狀復雜程序等因素決定，還要結(jié)合生產(chǎn)的具體條件來確定。型殼焙燒是為了去除型殼中揮發(fā)性物質(zhì)（殘留蠟料、水分、鹽和碳氫化合物等）。型殼焙燒質(zhì)量的好壞可以從其外觀加以判斷，如果型殼的斷面呈深灰色（由黑到灰），則說明型殼的孔隙內(nèi)吸收了碳黑的緣故；焙燒質(zhì)量好的型殼，其顏色一般呈白色、粉紅色或淺藍色。

為了提高型殼的高溫強度，文獻[1]介紹：通過大量的實驗選用型殼材料或新的硬化工藝，可取得比較理想的效果。如有的單位采用結(jié)晶氯化鋁代替氯化銨硬化劑；有的單位在水玻璃加固層涂料中加入一定比例的粘土；有的單位用鋁礬土砂代替加固層的石英砂；有的單位既采用鋁礬土粉（砂）代替石英粉（砂），又采用聚合氯化鋁代替氯化銨，都能大大地提高型殼的高溫強度；這種型殼的焙燒溫度為700～800℃時，型殼的強度最低；超過800℃時，高強度型殼的強度回升；低強度型殼的強度沒有回升。

型殼的常溫強度、高溫強度高，型殼的殘留強度也高，影響鑄件清理；因此，在提高型殼強度時，應以滿足要求為準。

3.5.2 確定合理的壓力頭

生產(chǎn)實踐表明，如果是同一種型殼而不是同批制成的，澆注時產(chǎn)生鑄件缺陷，應加固型殼或降低壓力頭，以提高型殼強度為主；如果是同一種、而是同批制成的型殼，澆注時產(chǎn)生鑄件缺陷，應該從制殼工藝和澆注工藝著手解決。

綜合考慮，解決鑄件外部缺陷還是以提高型殼強度為主，選擇合理的澆注工藝參數(shù)和降低靜壓力頭高度為輔。

3.5.3 改進模組設計

模組設計應能使其在浸漬涂料后自由控料，在蠟模組件間不存在能影響自由控料或集聚涂料的任何凹槽。蠟模之間應有足夠的間距，以便在所有表面上都有均勻的涂層，使其能均勻而且自由收縮，從而減少型殼的裂紋。

模組的設計既要考慮充分的間距，又要考慮提高生產(chǎn)率和金屬液的利用率，這個合理的間隙應結(jié)合本單位的生產(chǎn)情況加以優(yōu)選。

3.5.4 改善型殼的熱穩(wěn)定性

用石英砂（粉）制成的型殼熱穩(wěn)定性差。當加熱到573℃時，由β石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣潦?，隨著多晶轉(zhuǎn)變體積急劇膨脹，膨脹值達1.4%；所以，為了改善型殼的熱穩(wěn)定性，澆注時型殼的溫度應高于573℃。

改善型殼的結(jié)構(gòu)。如采用粒度較粗的撒砂材料，使型殼中的孔隙增大，這樣當型殼受熱膨脹時，砂粒間可以有微小的位移，即增加了型殼的退讓性；從而改善型殼的熱穩(wěn)定性。

如果生產(chǎn)需要，型殼的第一、二層采用無多晶型轉(zhuǎn)變材料代替石英砂。如剛玉、鎂橄欖石、Al-Si系耐火粘土等。

4 內(nèi)腔鑄造缺陷

4.1 概述

（1）特征。在鑄件的內(nèi)孔或凹槽等處，金屬液沖破型殼的薄弱部位進入其中而形成的多余金屬（圖6）。

圖6

（2）部位。常常產(chǎn)生在鑄件的內(nèi)孔或凹槽等處，因為此處型殼高溫強度最薄弱。

4.2 產(chǎn)生內(nèi)腔缺陷的主要原因

（1）設計鑄件的深孔、盲孔和凹槽等處不符合鑄造工藝要求。如孔細而長，槽窄而深，使涂掛操作困難，同時砂粒材料以一個傾斜度撞擊在涂料的表面動量大大減小，導致型殼的致密性差，涂層厚薄不均勻，降低了型殼的強度，如圖7所示。

（2）涂料的粘度太大，不利于深孔、盲孔或凹槽等處的涂掛；或操作不當，尤其是控料不妥，很容易使該處過早地產(chǎn)生“搭棚”現(xiàn)象。如圖8。

圖7 型殼厚薄不均勻

圖8 型殼局部產(chǎn)生“搭棚”現(xiàn)象

（3）設計不合理或操作不當，使深孔、盲孔和凹槽處硬化不透、風干不良，降低型殼的強度。在這種情況下，即使金屬液和型殼在澆注時的溫差不大，澆注時的動壓力和金屬液的靜壓力都在正常的范圍內(nèi)，也會出現(xiàn)內(nèi)腔缺陷。

4.3 防止措施

（1）改進鑄件上孔和槽的設計，使其滿足工藝要求。

鑄件上的孔可以使鑄件的壁厚均勻，消除或減小熱節(jié)，減少加工量和節(jié)約金屬；但是能否鑄出，應從確保質(zhì)量、工藝可行和經(jīng)濟合理三方面綜合考慮。對于細而深的孔，如直徑＜2.5毫米的小孔,孔徑＜5毫米的通孔，孔深與孔徑之比＞2.5的盲孔，都不預先鑄出。生產(chǎn)實踐表明，當孔深：孔徑=（2~3）：1 的通孔，孔深：孔徑=（1~1.5）：1 的盲孔可以鑄出，如表4－1所示。

表4－1 孔深與孔徑的關(guān)系

鑄孔也與生產(chǎn)批量和操作方式有關(guān)，在大批量機械化生產(chǎn)時，鑄孔的尺寸宜大些。

有槽的鑄件，槽的寬度和深度應滿足表2的要求。

表4－2 槽寬與槽深的關(guān)系

（2）選擇合適的涂料粘度和撒砂粒度，恰當?shù)乜亓虾屯繏?，避免型殼局部（如孔、槽等處）過早地“搭棚”。使型殼的厚度均勻、致密，無分層現(xiàn)象。

（3）采取必要的工藝措施，確保型殼的各部分都能充分硬化和良好風干。也可以在涂料和硬化液中添加少量的非離子型表面活性劑，如農(nóng)乳130、JFC等，能使型殼表面水分很快的滲入膠膜中，減少層間的含水量，再加上能使涂料與前層型殼濕潤性較好，硬化液向涂料層深度的滲透硬化能力加強，從而縮短了硬化和風干時間；或者說，在相同的時間內(nèi)，硬化更充分，風干更良好。

5 結(jié)論

（1）提高型殼的強度（常溫強度、高溫強度）是減少、消除，及預防熔模鑄件外部缺陷最有效的措施；型殼強度以不產(chǎn)生缺陷為宜。其次改善模組設計，降低壓力頭高度，選擇合理的澆注工藝參數(shù)等措施有一定的效果。

（2）改進鑄件的孔、槽設計，滿足制殼工藝要求，是減少、消除及預防熔模鑄件內(nèi)部缺陷最有效的措施；其次，選擇合適的涂料粘度、撒砂粒度，以及采用合理的制殼工藝等措施有一定的效果。

（3）因地制宜采用新材料、新工藝是提高型殼質(zhì)量，改善工作環(huán)境、改善勞動條件，減少甚至消除熔模鑄件鼓脹缺陷的必由之路。

天水風光

（4）強化型殼材料的進廠檢驗，檢查工藝紀律的執(zhí)行情況，以及對員工進行培訓等；是減少、消除，預防熔模鑄件缺陷的重要手段。

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