崔峰

在砂型鑄造方面，鑄鋼件的生產(chǎn)目前普遍采用水玻璃（CO2/酯硬化）、堿性酚醛樹脂、呋喃樹脂作為造型粘結(jié)劑。一般來說，筆者認(rèn)為水玻璃粘結(jié)劑成本較低，但鑄件表面質(zhì)量、鑄件尺寸精度，以及清理和舊砂再生等方面處于相對(duì)劣勢(shì)；樹脂類造型材料盡管可以彌補(bǔ)水玻璃的相對(duì)劣勢(shì)，但在生產(chǎn)成本和鑄件裂紋傾向方面還需要不斷改善。

鑄件的清理是水玻璃粘結(jié)劑最為棘手的問題，耗費(fèi)很多的人工和成本。然而，一些鑄件生產(chǎn)企業(yè)在將水玻璃砂更換為堿性酚醛樹脂砂或呋喃樹脂砂后，反而感覺鑄件表面粘砂情況并未得到改善，甚至有加劇的情況，對(duì)此頗有疑惑。本文重點(diǎn)針對(duì)水玻璃、堿性酚醛樹脂、呋喃樹脂這三種常用粘結(jié)劑做相同條件下的鑄件表面質(zhì)量對(duì)比，希望能找到一些共性和可供借鑒的地方。

1.試驗(yàn)環(huán)節(jié)

（1）試驗(yàn)用鑄件如圖1所示，基本尺寸為200mm×200mm×200mm，中部設(shè)置30mm×100mm深槽。

（2）試驗(yàn)用造型材料及加入量見下表。

（3）試驗(yàn)用型砂均為福建平潭鑄鋼用新砂，粒度為0.450～0.224mm(40/70目)。

（4）試驗(yàn)用金屬液材質(zhì)為ZG270-500，澆注溫度為1600℃。

（5）試驗(yàn)用涂料采用三種不同材質(zhì)，分別為鋯砂粉、剛玉粉和鎂砂粉，涂刷涂料后，干態(tài)涂層厚度為0.08～0.1mm，涂層厚度很薄，目的在于使鑄件大部分平面的涂層剝離情況下，在鑄件深槽位置形成一定粘砂層，用于考察高溫金屬液對(duì)不同型砂粘結(jié)劑砂型表面的侵蝕程度的差異。

三種粘結(jié)劑使用情況

圖1 試驗(yàn)用鑄件

（6）澆注后12h打箱，待鑄件表面砂層自然剝離，輔助簡(jiǎn)單清理，觀察砂層表面剝離、鑄件表面質(zhì)量情況，采用掃描電鏡觀察砂型表面層的微觀結(jié)構(gòu)變化。

2.結(jié)果分析

圖2～圖4分別是采用水玻璃、堿性酚醛樹脂和呋喃樹脂粘結(jié)劑生產(chǎn)的鑄件照片，3種鑄件表現(xiàn)出不同的表面特征。堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑和呋喃樹脂粘結(jié)劑鑄件表面平整度較好，無(wú)高溫反應(yīng)產(chǎn)物，水玻璃粘結(jié)劑鑄件表面無(wú)緊附性粘砂，但表面較為粗糙，附著有高溫反應(yīng)生成物。

圖5、圖6為水玻璃粘結(jié)劑鑄件形貌圖片，鑄件表面較為粗糙，應(yīng)屬于高溫下金屬液-砂型界面化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的低熔點(diǎn)生成物造成，而圖6表現(xiàn)出的粘砂層較厚而堅(jiān)硬，對(duì)圖6中的粘砂層表面做電鏡掃描分析，如圖7、圖8所示。

根據(jù)圖7、圖8分析，金屬液進(jìn)入鑄型以后，水玻璃砂型與金屬液界面在高溫?zé)嶙饔孟庐a(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)，由于水玻璃在高溫下的液化，更增進(jìn)了這種化學(xué)反應(yīng)向砂型內(nèi)部的遷移，從對(duì)圖8中各點(diǎn)進(jìn)行的能譜分析來看，至少有鐵硅酸鹽低熔點(diǎn)相的存在，這樣的化學(xué)反應(yīng)會(huì)繼續(xù)延伸到距離鑄型表面較遠(yuǎn)的距離，從而形成致密的粘砂層。但由于粘砂層表面與金屬液在冷卻過程中膨脹系數(shù)方面的差異，在粘砂不非常嚴(yán)重的情況下，這類粘砂層可通過人工或高溫?zé)崽幚矸绞角宄?/p>

圖9、圖10是堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑鑄件形貌照片，鑄件表面整體較為光潔，未見水玻璃粘結(jié)劑鑄件表面的化學(xué)反應(yīng)殘留產(chǎn)物，深槽內(nèi)部的粘砂形貌也與水玻璃粘結(jié)劑鑄件所形成的粘砂形貌迥異。

圖11、圖12為堿酚醛樹脂粘結(jié)劑鑄型表面剝離層的電鏡分析圖片，與圖7、圖8中水玻璃粘結(jié)劑砂型剝離層表現(xiàn)出完全不同的形貌，金屬液澆注凝固后，砂層結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，分別表現(xiàn)為從金屬液接觸后高溫形成的氧化鐵層、涂料層、涂料滲透層以及內(nèi)部的砂粒層，高溫條件下，鑄型界面表現(xiàn)的相對(duì)穩(wěn)定，未出現(xiàn)大面積低熔點(diǎn)化學(xué)產(chǎn)物，之所以形成粘砂層，更多的是由于金屬液澆注至凝固前這一段時(shí)間的金屬液及高溫下形成的液態(tài)金屬氧化物對(duì)涂層和砂層的物理滲透，不排除少量涂料和砂粒雜質(zhì)與金屬液形成的低熔點(diǎn)氧化物加劇滲透，從而造成較為嚴(yán)重粘砂的可能性。

盡管與水玻璃粘結(jié)劑鑄件對(duì)比，堿酚樹脂粘結(jié)劑的粘砂層較薄，但往往由于粘砂層與鑄件表面在凝固過程中無(wú)明顯的膨脹系數(shù)的差異，造成后續(xù)清砂的困難。

圖13、圖14為呋喃樹脂粘結(jié)劑鑄件表面形貌照片，圖15、圖16為電鏡分析圖片。

圖2 水玻璃粘結(jié)劑鑄件

圖3 堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑鑄件

圖4 呋喃樹脂粘結(jié)劑鑄件

圖5 水玻璃粘結(jié)劑鑄件表面

6 水玻璃粘結(jié)劑粘砂層形貌

圖7 水玻璃粘結(jié)劑砂型界面

圖8 水玻璃砂界層高倍形貌

圖9 堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑鑄件表面

圖10 堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑粘砂層形貌

圖11 堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑砂型界面

圖12 界面高倍形貌

圖13 呋喃樹脂粘結(jié)劑鑄件形貌

圖14 呋喃樹脂粘結(jié)劑粘砂層形貌

圖15 呋喃樹脂粘結(jié)劑砂型界面

圖16 呋喃樹脂砂界面高倍形貌

呋喃樹脂粘結(jié)劑鑄件表現(xiàn)出與堿性酚醛樹脂粘結(jié)劑鑄件相似的形貌特征，鑄件打箱后砂型界面剝離層相對(duì)完整，化學(xué)反應(yīng)參與較少，更多的是金屬液充型和凝固之前金屬液或液態(tài)金屬氧化物對(duì)鑄型的浸滲過程。

3.結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)上述三種粘結(jié)劑的試驗(yàn)分析，僅就從減少鑄件粘砂情況考慮，可從以下幾個(gè)方面做一些考慮和探索。

（1）水玻璃鑄型防止鑄件粘砂應(yīng)從減少金屬液與鑄型界面的化學(xué)反應(yīng)為主要出發(fā)點(diǎn)，減少反應(yīng)持續(xù)時(shí)間，降低界面溫度，以及阻止界面反應(yīng)是幾個(gè)重點(diǎn)考慮的因素，從涂料選擇方面，采用導(dǎo)熱性能更好的鉻鐵礦粉涂料或高溫?zé)岱€(wěn)定性能更高的鋯砂粉涂料是應(yīng)該予以考慮的。

（2）堿性酚醛樹脂具備高溫二次硬化特性，具備一定的高溫強(qiáng)度，這是獲得優(yōu)良鑄件表面質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。另外，造型過程中，應(yīng)該保證較高的砂型表面致密度和純凈的型砂質(zhì)量，選擇適當(dāng)厚度的涂層和優(yōu)化的涂料顆粒級(jí)配，上述因素都可有效阻止金屬液和液態(tài)金屬氧化物對(duì)鑄型表面砂層的浸滲，減少物理粘砂和少量的化學(xué)粘砂產(chǎn)生的幾率。

（3）呋喃樹脂種類很多，對(duì)于相對(duì)澆注溫度較高的鑄鋼件，應(yīng)首先選擇高溫強(qiáng)度高的無(wú)氮或低氮優(yōu)質(zhì)樹脂，這對(duì)于獲得良好的鑄件表面質(zhì)量很重要。耐火度不夠的呋喃樹脂，往往在金屬液充型過程中迅速軟化，形不成耐高溫的焦炭膜骨架，造成比較嚴(yán)重的粘砂缺陷，且難以清理而導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。另外，根據(jù)鑄件的壁厚、重量的條件，應(yīng)選擇合理的涂料層厚度和涂料的滲透深度。