型殼破損導(dǎo)致的熔模鑄件缺陷分析

潘玉洪

型殼破損導(dǎo)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(yù)防熔模鑄件產(chǎn)生缺陷的有效對(duì)策是：提高型殼的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性、改進(jìn)鑄件和模組設(shè)計(jì)、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(qiáng)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(shí)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(fù)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(yán)重地阻礙了在礦山機(jī)械中，使用熔模鑄件逐步代替模鍛件、代替機(jī)械加工件，以及代替結(jié)構(gòu)件等的應(yīng)用。熔模鑄造工作者應(yīng)在生產(chǎn)中有效預(yù)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(shí)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(qiáng)度最薄弱之處。

圖1 外部缺陷

3 產(chǎn)生原因

3.1 型殼的強(qiáng)度低或有裂紋

型殼在脫蠟、焙燒或澆注時(shí)，受到各種應(yīng)力的作用，當(dāng)這些應(yīng)力超過此時(shí)型殼的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)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(shí)這個(gè)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(qiáng)度低，在脫蠟的過程中產(chǎn)生破裂，見圖3。

圖3 型殼脫蠟時(shí)產(chǎn)生的破裂

型殼的常溫強(qiáng)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(dāng)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(shí)，型殼的常溫強(qiáng)度很低，焙燒后產(chǎn)生酥松（如圖4所示）；并且隨著上面三個(gè)參數(shù)的下降不僅強(qiáng)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(qiáng)度還取決于制殼工藝過程對(duì)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(qiáng)度比硅酸乙酯型殼的高；同一種水玻璃型殼，其強(qiáng)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(fēng)干不良、脫蠟液的溫度低、脫蠟時(shí)間長、澆口芯棒取出太晚等因素，阻礙了蠟液外流等，都導(dǎo)致型殼破裂。

涂掛層數(shù)不夠，更明顯地降低型殼強(qiáng)度。

（2）型殼的高溫強(qiáng)度低，在焙燒或在澆注時(shí)破裂，見圖5。

型殼的高溫強(qiáng)度不僅與影響型殼常溫強(qiáng)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(qiáng)度最低，硅酸乙酯型殼的高溫強(qiáng)度次之，高強(qiáng)度水玻璃型殼的高溫強(qiáng)度最好。

焙燒工藝參數(shù)選用不當(dāng)，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(shí)起，就與型殼之間發(fā)生一系列的作用，如靜壓力和動(dòng)壓力。

（1）靜壓力

圖5 焙燒時(shí)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(duì)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(diǎn)的自由液面高度

S——型壁的面積

對(duì)于型殼的外壁來說，這個(gè)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(dòng)壓力

金屬液以一定的速度v注入型殼，根據(jù)水力動(dòng)力學(xué)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(duì)所沖擊到的型殼部位造成一定的壓力，所產(chǎn)生的總動(dòng)壓力可以用下式表示

式中F動(dòng)——金屬液沖擊型殼的動(dòng)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(dòng)壓力越大，而且呈平方關(guān)系增加。動(dòng)壓力是發(fā)生在流速消失，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力的一瞬間。如果型腔有較大的開口，這種動(dòng)能將消耗在金屬液面的波動(dòng)上，當(dāng)型腔是封閉的，動(dòng)壓力超過此時(shí)型殼的強(qiáng)度極限時(shí)，型殼就會(huì)破裂。

3.3 模組設(shè)計(jì)不當(dāng)

按照模組上蠟?zāi)５拈g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(shí)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(shí)式。幾乎型殼的全部表面都同附近的型殼接觸成為密實(shí)的型殼，只能看到很少的幾個(gè)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?zāi)５拈g距越小，型殼破裂的數(shù)量越多，即密實(shí)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?zāi)ｉg距影響型殼產(chǎn)生裂紋的原因是：

（1）涂掛時(shí)，涂料層包覆著每個(gè)蠟?zāi)?，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(huì)產(chǎn)生少量的收縮，如果收縮受到阻礙，型殼就會(huì)產(chǎn)生裂紋。采用敞開式涂掛，在每個(gè)蠟?zāi)Ｖ車蜌さ氖湛s會(huì)自由些，型殼產(chǎn)生裂紋就會(huì)小或少，甚至不產(chǎn)生裂紋。反之，涂掛密實(shí)型殼，沿蠟?zāi)Ｖ苓呅蜌さ氖湛s受阻增加，導(dǎo)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(shí)，尤其在澆注時(shí)的一段時(shí)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(dǎo)熱能力），這樣沿著型壁厚度就存在著溫度差，與此相應(yīng)的各層間的熱膨脹量也不相同，因而產(chǎn)生了熱應(yīng)力（內(nèi)層為壓應(yīng)力，外層為拉應(yīng)力）。當(dāng)應(yīng)力超過型殼的強(qiáng)度極限時(shí)，就產(chǎn)生由外向里的裂紋，嚴(yán)重時(shí)使型壁裂開。

應(yīng)力是型殼產(chǎn)生裂紋的外部原因，可用下式表示

式中σ——應(yīng)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(shí)型殼的溫度

λ——型殼的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)的增大而減少。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，對(duì)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(shí)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(shí)，更容易使型殼破裂。

3.5 防止措施

3.5.1 提高型殼的強(qiáng)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(shí)間，風(fēng)干時(shí)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(dāng)?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(qiáng)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(shí)（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(fù)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?xì)浠衔锏龋?。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(lán)色。

為了提高型殼的高溫強(qiáng)度，文獻(xiàn)[1]介紹：通過大量的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度；這種型殼的焙燒溫度為700～800℃時(shí)，型殼的強(qiáng)度最低；超過800℃時(shí)，高強(qiáng)度型殼的強(qiáng)度回升；低強(qiáng)度型殼的強(qiáng)度沒有回升。

型殼的常溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度高，型殼的殘留強(qiáng)度也高，影響鑄件清理；因此，在提高型殼強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)以滿足要求為準(zhǔn)。

3.5.2 確定合理的壓力頭

生產(chǎn)實(shí)踐表明，如果是同一種型殼而不是同批制成的，澆注時(shí)產(chǎn)生鑄件缺陷，應(yīng)加固型殼或降低壓力頭，以提高型殼強(qiáng)度為主；如果是同一種、而是同批制成的型殼，澆注時(shí)產(chǎn)生鑄件缺陷，應(yīng)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(qiáng)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(jìn)模組設(shè)計(jì)

模組設(shè)計(jì)應(yīng)能使其在浸漬涂料后自由控料，在蠟?zāi)＝M件間不存在能影響自由控料或集聚涂料的任何凹槽。蠟?zāi)Ｖg應(yīng)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(shè)計(jì)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(gè)合理的間隙應(yīng)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(dāng)加熱到573℃時(shí)，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(dá)1.4%；所以，為了改善型殼的熱穩(wěn)定性，澆注時(shí)型殼的溫度應(yīng)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(dāng)型殼受熱膨脹時(shí)，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(jìn)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?yàn)榇颂幮蜌じ邷貜?qiáng)度最薄弱。

4.2 產(chǎn)生內(nèi)腔缺陷的主要原因

（1）設(shè)計(jì)鑄件的深孔、盲孔和凹槽等處不符合鑄造工藝要求。如孔細(xì)而長，槽窄而深，使涂掛操作困難，同時(shí)砂粒材料以一個(gè)傾斜度撞擊在涂料的表面動(dòng)量大大減小，導(dǎo)致型殼的致密性差，涂層厚薄不均勻，降低了型殼的強(qiáng)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(dāng)，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(shè)計(jì)不合理或操作不當(dāng)，使深孔、盲孔和凹槽處硬化不透、風(fēng)干不良，降低型殼的強(qiáng)度。在這種情況下，即使金屬液和型殼在澆注時(shí)的溫差不大，澆注時(shí)的動(dòng)壓力和金屬液的靜壓力都在正常的范圍內(nèi)，也會(huì)出現(xiàn)內(nèi)腔缺陷。

4.3 防止措施

（1）改進(jìn)鑄件上孔和槽的設(shè)計(jì)，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(yīng)從確保質(zhì)量、工藝可行和經(jīng)濟(jì)合理三方面綜合考慮。對(duì)于細(xì)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(yù)先鑄出。生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)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(jī)械化生產(chǎn)時(shí)，鑄孔的尺寸宜大些。

有槽的鑄件，槽的寬度和深度應(yīng)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(dāng)?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(fēng)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(qiáng)，從而縮短了硬化和風(fēng)干時(shí)間；或者說，在相同的時(shí)間內(nèi)，硬化更充分，風(fēng)干更良好。

5 結(jié)論

（1）提高型殼的強(qiáng)度（常溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度）是減少、消除，及預(yù)防熔模鑄件外部缺陷最有效的措施；型殼強(qiáng)度以不產(chǎn)生缺陷為宜。其次改善模組設(shè)計(jì)，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(jìn)鑄件的孔、槽設(shè)計(jì)，滿足制殼工藝要求，是減少、消除及預(yù)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(dòng)條件，減少甚至消除熔模鑄件鼓脹缺陷的必由之路。

天水風(fēng)光

（4）強(qiáng)化型殼材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)，檢查工藝紀(jì)律的執(zhí)行情況，以及對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)等；是減少、消除，預(yù)防熔模鑄件缺陷的重要手段。

[1]濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所譯．熔模精密鑄造國外資料匯編[C]．濟(jì)南：1974：68～73．

[2]航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)情報(bào)網(wǎng)（譯）.精密模殼質(zhì)量與其鑄件質(zhì)量的關(guān)系[A]．熔模鑄造譯文集[M]．上?？茖W(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，1977．

[3][英]P.R.泰勒.陶瓷型殼掛砂方案與穿透缺陷的關(guān)系[A].第三屆國際熔模精密鑄造會(huì)議論文集[M].北京：國防工業(yè)出版社,1978．

[4]潘玉洪．熔模鑄造缺陷圖冊(cè)[A]．全國鑄造學(xué)會(huì)質(zhì)量控制與測(cè)試技術(shù)學(xué)組第一屆年會(huì)展覽論文[C]．1979．

［5］李慶春 等．熔模精密鑄造涂料控制[J]．國外航空技術(shù)（材料、熱處理類）,1981,（3）.

[6]陳冰 譯.熔模精密鑄造涂料控制[J].國外航空技術(shù)（材料 熱處理類）,1981,(3)．

[7]張家駿．水玻璃型殼的質(zhì)量控制[J]．鑄工，1983．

[8]熔模精密鑄造編寫組．熔模精密鑄造（下冊(cè)）[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984．

[9]姜不居．實(shí)用熔模鑄造技術(shù)[M]．沈陽：遼寧科技出版社，2008：359～361.

[10]潘玉洪．熔模鑄造硬化工藝參數(shù)的再探討[J]．鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2010，(2)：50～55．

TG245

B