1.1?機(jī)械粘砂和化學(xué)粘砂

砂型鑄件表面的機(jī)械粘砂是金屬液直接鉆入砂型砂粒間孔隙，靠金屬的包圍和鉤連作用與砂粒連結(jié)在一起，沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。產(chǎn)生化學(xué)粘砂的原因是高溫金屬液可能被氧化而生成金屬氧化物，主要產(chǎn)物是氧化亞鐵FeO，其熔點(diǎn)為1370℃。FeO與型砂的SiO2起化學(xué)反應(yīng)生成硅酸亞鐵（即鐵橄欖石FeO?SiO2），化學(xué)反應(yīng)如下：

???????????? SiO2 + 2FeO?????? 2FeO?SiO2????

硅酸亞鐵的熔點(diǎn)極低，僅有1220℃，因此流動(dòng)性很好，即使鑄件表面已有凝固殼，新生成的硅酸亞鐵仍呈液態(tài)，易于滲透入砂型孔隙中。凝結(jié)后的硅酸亞鐵對(duì)鑄件和型砂都有極強(qiáng)的粘結(jié)性，能夠?qū)⑿蜕袄喂陶掣皆阼T件表面上而成個(gè)化學(xué)粘砂。????

用濕型砂生產(chǎn)鑄鐵件一般只形成機(jī)械粘砂，而不會(huì)形成化學(xué)粘砂。這是因?yàn)殍F液中含有多量碳，不會(huì)產(chǎn)生大量氧化鐵等金屬氧化物。砂型中又含有相當(dāng)多的煤粉，澆注時(shí)產(chǎn)生的還原性氣氛能防止金屬氧化物。原砂的SiO2含量較低也不是濕型鑄鐵件形成化學(xué)粘砂的必然條件。研究結(jié)果表明，使用SiO2含量只有82%左右的黃河風(fēng)積砂，用濕型生產(chǎn)鑄鐵件并未發(fā)現(xiàn)有化學(xué)粘砂。

憑肉眼區(qū)別兩種粘砂是比較困難的，通?？捎靡韵路椒▍^(qū)分：

⑴顯微觀查：從粘砂層上敲取一小塊，用液體樹脂固定并磨制成試樣，用金相顯微鏡觀察。如果是機(jī)械粘砂，可以清楚看到單個(gè)砂粒夾在金屬之中。滲入的金屬與砂粒間有明顯的分界線，不存在任何化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。滲入的金屬金相組識(shí)與鑄件本體的金相組織一致（見圖2）。如果是化學(xué)粘砂，則可以看見在粘砂層中有新生相將鑄件和砂粒粘連（見圖3）。

⑵電測(cè)：機(jī)械粘砂中連結(jié)物是金屬，具有良好的導(dǎo)電能力。將萬用電表的旋鈕開到電阻測(cè)定檔，用一個(gè)電極接觸鑄件，另一電極接觸粘砂部位。如果電阻接近為零，表明粘砂是金屬包裹砂粒形成的機(jī)械粘砂。如果顯示有巨大電阻，表明粘砂部位已經(jīng)形成不導(dǎo)電的硅酸亞鐵，屬于化學(xué)粘砂。

⑶化學(xué)鑒別：用扁鏟鑿下一小塊粘砂塊，浸入盛有濃鹽酸的試管中。如果緩慢發(fā)生氣泡，一夜之后液體顏色由無色透明變?yōu)樽丶t色。反應(yīng)終了時(shí)粘砂塊消失，試管底部留下少數(shù)單個(gè)砂粒，說明是機(jī)械粘砂，鐵質(zhì)部分已被鹽酸溶解成為氯化鐵?；瘜W(xué)反應(yīng)式為：

?????????????? 2Fe + 6HCl????? 2FeCl3 +3H2↑????

如果是化學(xué)粘砂，則氣泡產(chǎn)生很少，酸液也沒有明顯的變化。最后的殘留物是多孔性團(tuán)絮狀物質(zhì)。

1.1.1?各種因素對(duì)機(jī)械粘砂的影響????實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，濕型鑄件的重量一般不超過一、二百千克，壁厚大多不超過50mm，型砂中水分引起激冷效應(yīng)使鑄件外殼較快冷卻和凝固，對(duì)型砂的加熱作用并不過分嚴(yán)重。雖然鑄鐵用原砂中除了含有石英（熔點(diǎn)1715℃）以外，還含有相當(dāng)數(shù)量熔點(diǎn)較低的長(zhǎng)石（熔點(diǎn)1170～1550℃）、云母（熔點(diǎn)1150～1400℃）及其它礦物質(zhì)，但同時(shí)鑄鐵濕型砂中含有的煤粉抑制了氧化鐵的生成，因而不致引起化學(xué)反應(yīng)。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，濕型鑄鋼件一般也都是機(jī)械粘砂，而不是化學(xué)粘砂。這是因?yàn)闈裥丸T鋼件都不是厚大鑄件，而且所用硅砂含SiO2較高，鑄件對(duì)型砂的熱作用并不嚴(yán)重，不產(chǎn)生明顯多的鐵橄欖石。???

?以下將分別討論鑄件產(chǎn)生機(jī)械粘砂的各種影響因素：

1.1.1.1?砂型緊實(shí)程度????

手工造型和震壓造型的緊實(shí)程度如果較低，則砂型表面的砂粒比較疏松，砂型型腔的坑凹處和拐角處局部也都更容易出現(xiàn)疏松。如金屬液鉆入砂粒之間孔隙不深，將使鑄件表面顯得粗糙；鉆入較深和包裹砂粒則形成機(jī)械粘砂。造型工人可以采取手指塞緊、用沖錘的尖頭沖緊砂型局部。高生產(chǎn)率的高密度造型是否有局部疏松，則取決于型砂流動(dòng)性如何，因而很多工廠盡量降低型砂緊實(shí)率來提高型砂的流動(dòng)性。在填砂和壓實(shí)過程中采用微震提高砂型緊實(shí)程度是十分有效的。此外，也取決于緊實(shí)裝置設(shè)定液壓或氣壓的高低。圖4為一灰鐵汽車鑄件出現(xiàn)機(jī)械粘砂，使用進(jìn)口靜壓造型機(jī)，一箱兩件。但液壓系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)不適當(dāng)，砂箱的壓實(shí)比壓較低；而且兩件之間和與砂箱的吃砂量?jī)H有25mm左右。砂型平面硬度只有50～60，邊緣側(cè)面硬度不足40。

1.1.1.2?型砂的粒度和透氣性????

濕型的砂粒粗細(xì)一方面要保證澆注后排氣通暢，另一方面濕型砂的透氣能力又不可太高，以免金屬液容易滲透入砂粒之間孔隙中。手工造型生產(chǎn)小件的砂型上扎有較多排氣孔，而且往往采用面砂，砂?？梢约?xì)些，面砂透氣率40～60大約已然合適。機(jī)器造型濕型單一砂的型砂粒度大致在70/140目，透氣率大多在60～90的范圍內(nèi)。高密度砂型比較密實(shí)，則要求型砂有較高透氣能力。粒度大多在50/140或140/50目，透氣率較多集中在100～140。很多工廠的砂芯用原砂粒度比型砂粒度粗，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體砂芯用原砂粒度為50/100目，長(zhǎng)期生產(chǎn)會(huì)有大量芯砂混入型砂而使型砂粒度變粗。以致有些工廠的型砂透氣率高達(dá)160以上，甚至達(dá)到200左右。除非在砂型表面噴涂料，否則鑄件表面變得粗糙，甚至可能有局部機(jī)械粘砂。美國(guó)有一工廠在混制濕型砂時(shí)加入100、140目?jī)珊Y細(xì)粒新砂5％來糾正型砂變粗現(xiàn)象，使型砂粒度維持在50/140的四篩分布。

1.1.1.3?金屬液壓力????

金屬液壓力越高，機(jī)械粘砂就越嚴(yán)重。因此，高大鑄件的底部比較容易形成機(jī)械粘砂。

1.1.1.4?澆注溫度和鑄件壁厚????

金屬液溫度高，流動(dòng)性好，就容易滲入砂粒之間孔隙而產(chǎn)生機(jī)械粘砂。但從避免鑄件產(chǎn)生氣孔、冷隔等缺陷考慮，澆注溫度不可任意降低。生產(chǎn)復(fù)雜薄壁鑄件時(shí)尤需較高澆注溫度。

1.1.1.5?砂型涂料????

生產(chǎn)重量較大的濕型鑄件，可以向砂型的型腔噴刷醇基涂料，點(diǎn)燃后即可下芯與合型。一般上型可以不噴涂料，因?yàn)樗芙饘僖簤侯^比下型小。噴涂料的另一優(yōu)點(diǎn)是提高了砂型表面耐沖刷能力。但是濕型用涂料的配方不同于砂芯用涂料，其強(qiáng)度不可太高，必須與砂型強(qiáng)度匹配，否則可能使涂層開裂翹皮，并使鑄件產(chǎn)生夾砂缺陷。對(duì)內(nèi)腔要求不高的一般鑄鐵的濕砂型中如果有樹脂芯或油砂芯，為了防止金屬液鉆入砂芯，可以在硬化后的砂芯表面局部容易滲透金屬液處，涂抹用機(jī)油或其他粘結(jié)劑加石墨粉、石英粉或其它耐火粉料調(diào)制的涂料膏，涼干后即可下芯。當(dāng)生產(chǎn)內(nèi)腔清潔度和光潔度要求很高的鑄鐵件（如內(nèi)燃機(jī)缸蓋、機(jī)體、液壓系統(tǒng)閥件等）時(shí)，必須對(duì)砂芯采取整體浸或澆涂料而后表面烘干。手工生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)，常用軟毛刷將土石墨粉細(xì)心涂刷在濕砂型和砂芯表面上。也有的噴土石墨與水混合液，晾干后即可澆注。石墨粉可以填塞孔隙，又不被鐵液潤(rùn)濕，鐵液難以鉆入砂粒之間。美國(guó)Caterpillar鑄造工廠用高壓造型大量生產(chǎn)工程機(jī)械大型發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體，其克服機(jī)械粘砂的措施是靠對(duì)上、下砂型全面自動(dòng)噴水基涂料。然后用大火焰噴槍自動(dòng)噴烤，使涂層和砂型表層干燥。這種表面烘干的型砂所用膨潤(rùn)土、煤粉等材料的品種和加入量，以及型砂性能控制均不同于普通濕型砂。

1.1.1.6?型砂的煤粉量

濕型鑄鐵件防止粘砂和改善表面光潔程度最主要的型砂加入物是煤粉。但是市售煤粉良莠不齊。一般生產(chǎn)中等大小鑄鐵件型砂中有效煤粉量可能在3.5~7.0%，主要取決于煤粉品質(zhì)和對(duì)鑄態(tài)表面的要求不同。為了排除煤粉品質(zhì)的影響，可以只用1g型砂在900℃的發(fā)氣量代表有效煤粉含量。例如普通機(jī)器造型的型砂發(fā)氣量可以在20~26mL/g之間，高宻度造型的型砂發(fā)氣可以是16~22mL/g范圍內(nèi)。國(guó)外常用測(cè)定灼減量方法估計(jì)型砂中煤粉含量是否足夠多。例如有些工廠要求型砂灼減量在3.0~5.0%。在實(shí)際生產(chǎn)中可以觀看鑄件的外表形貌就可以查覺出型砂所含有效煤粉量是否合適。如果鑄件表面毛糙，而型砂的透氣率和砂型緊實(shí)程度都無不妥之處，可能有效煤粉不足或者煤粉品質(zhì)不良。如果鑄件表面有明顯的藍(lán)色，但較為粗糙，可能有效煤粉量已夠，而型砂透氣性偏高，或砂型緊實(shí)程度不夠。?? ?

目前我國(guó)有多種煤粉代用品商品供應(yīng)。其中淀粉材料的抗粘砂效果與優(yōu)質(zhì)煤粉基本相當(dāng)。但只適合用來生產(chǎn)灰鐵鑄件，如用于生產(chǎn)球鐵件有可能產(chǎn)生皮下氣孔缺陷，因?yàn)椴荒墚a(chǎn)生足夠還原性氣氛。還有些“煤粉代用品”商品，其真實(shí)的具體配方不詳，使用效果也有很大差異。用戶應(yīng)當(dāng)靠澆注試驗(yàn)來判斷其實(shí)際抗粘砂效果?？捎猛瑯拥脑埃ú豢捎门f砂，以免干擾試驗(yàn)結(jié)果）和膨潤(rùn)土、水，再分別加入不同抗粘砂材料混制型砂。應(yīng)設(shè)法保持型砂透氣率相同或接近，造型硬度相同，澆注溫度相同。比較鑄件表面光潔程度，然后即可做出選用決定。???

國(guó)外生產(chǎn)抗粘砂商品主要有兩類：①增效煤粉（高效煤粉）：在煤粉中加入20～40％高軟化點(diǎn)石油瀝青，使其光亮碳含量提高到12～20％，抗粘砂能力大為提高?，F(xiàn)在我國(guó)也有幾家公司供應(yīng)增效煤粉。②混合附加物：是優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土與優(yōu)質(zhì)煤粉的混合物，也可再根據(jù)需要加入淀粉、木粉等材料。大型鑄造工廠一條生產(chǎn)線中的產(chǎn)品特征接近，膨潤(rùn)土與煤粉的比例不需經(jīng)常改變。采用混合附加物易于控制管理，設(shè)備簡(jiǎn)化。配方由供需雙方的工程師根據(jù)鑄件生產(chǎn)條件共同制定。用散裝罐車運(yùn)送到車間，氣力輸送進(jìn)材料罐。用戶混砂時(shí)只加一種附加物即可。????

單一砂混砂時(shí)煤粉的補(bǔ)加量首先取決于煤粉本身的品質(zhì)優(yōu)劣如何，同時(shí)也受砂/鐵比、鑄件厚度、澆注溫度、冷卻時(shí)間、清理方法、對(duì)鑄件表面光潔度具體要求等等因素的影響。德國(guó)有些工廠表示煤粉補(bǔ)加量的單位為每100kg鐵水和每1％光亮碳形成物（即有效煤粉）的煤粉補(bǔ)加量kg。例如Mettmann鑄造工廠統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)中光亮碳形成物（煤粉）補(bǔ)加量在0.14～0.27kg / 1%光亮碳形成物?/ 100kg鐵。德國(guó)南方化學(xué)公司的實(shí)例中砂/鐵比為10:1，澆注每噸鐵的ECOSIL煤粉消耗量18kg / t Fe。即澆注每噸鐵水用10噸型砂，型砂中補(bǔ)加18kg ECOSIL煤粉，折合混砂時(shí)煤粉補(bǔ)加量為0.18％，如果按照我國(guó)大多數(shù)工廠砂/鐵比6:1左右，則ECOSIL煤粉混砂加入量應(yīng)為0.30％。根據(jù)鑄造手冊(cè)“造型材料”（第2版103～104頁）介紹，我國(guó)東風(fēng)汽車公司、一汽鑄造有限公司、中國(guó)一拖集團(tuán)公司、上海汽車發(fā)動(dòng)機(jī)公司和南京泰克西鑄鐵有限公司的高密度造型線濕型單一砂配方14種?；焐皶r(shí)煤粉加入量最高者3～4％，最低者0.3～0.5％。另外一汽、泰克西、上海發(fā)動(dòng)機(jī)廠的震擊造型單一砂4種?；焐懊悍奂尤肓孔罡哒?～5％，最低者1～1.25％。上述我國(guó)工廠中大多數(shù)的煤粉補(bǔ)加量絕大多數(shù)的煤粉補(bǔ)加量高的原因在于這些工廠所用煤粉品質(zhì)低。筆者由近幾年我國(guó)個(gè)別工廠使用優(yōu)質(zhì)煤粉和增效煤粉的經(jīng)驗(yàn)表明，一般濕型鑄鐵件單一砂的混砂煤粉補(bǔ)加量在0.15～0.3％之間，個(gè)別厚大件為0.5％。撫順某廠的氣沖線砂鐵比平均為11:1，同一車間內(nèi)的擠壓線砂鐵比平均為7.5:1，兩條線共用砂處理系統(tǒng)混砂的增效煤粉加入量?jī)H為0.08～0.12％。由此可見，即使優(yōu)質(zhì)和增效煤粉價(jià)格稍高（不到普通煤粉的兩倍），但消耗量?jī)H為普通煤粉的幾分之一。使用后不僅生產(chǎn)成本大幅度下降，還節(jié)省了貯存和運(yùn)輸費(fèi)用。而且型砂中含泥量、含水量、大幅度下降，韌性、透氣率、起模性得到提高。不但鑄件表面光潔，而且氣孔、砂孔等缺陷必然明顯減少。

1.2?爆炸粘砂????

在機(jī)械化鑄造工廠的澆注流水線上，經(jīng)?？吹綕沧⒑螅瑤缀趺恳粋€(gè)砂箱與小車臺(tái)面之間都會(huì)發(fā)生爆炸，這并不會(huì)發(fā)生鑄件缺陷。但是有時(shí)偶爾還可以看到另一種在型腔內(nèi)部發(fā)生能夠引起鑄件表面粘砂的爆炸，稱為爆炸粘砂。高密度造型的鑄件可能會(huì)出現(xiàn)這種爆炸粘砂缺陷，與通常機(jī)械粘砂出現(xiàn)在澆注位置的下表面和熱節(jié)處不同，爆炸粘砂大多發(fā)生在鑄件澆注位置的上表面。爆炸產(chǎn)生原因是開始澆注時(shí)砂型的水分蒸發(fā)凝聚在溫度較低的型腔上表面，當(dāng)金屬液面上升與型腔上表面接觸時(shí)水分驟然蒸發(fā)而發(fā)生爆炸，產(chǎn)生的巨大氣體壓力迫使金屬液鉆入砂型表面而成粘砂。有時(shí)爆炸相當(dāng)猛烈，金屬液甚至從冒口噴出直沖房頂。型砂含水量和緊實(shí)率高、含煤粉量高、砂型硬度高、通氣條件不良和澆注速度過快時(shí)較易發(fā)生爆炸粘砂。

1.3?熱粘砂????

熱粘砂是比較少見的粘砂。有以下幾種現(xiàn)象：

⑴鑄鐵件濕型砂用原砂的SiO2含量較低，例如是黃河風(fēng)積砂和一些當(dāng)?shù)睾由盎蛏缴暗腟iO2含量只有80％左右，原砂本身的燒結(jié)溫度較低。澆注厚大件時(shí)，鑄件表面被一厚層砂包裹。如果型砂中含有充分的煤粉，燒結(jié)砂層容易脫落被清理掉，不出現(xiàn)機(jī)械粘砂。

⑵河北省有一家用擠壓造型機(jī)生產(chǎn)灰鑄鐵汽車件工廠，平日鑄件落砂后大部分表面都能顯露出來，經(jīng)過短時(shí)間拋丸清理后鑄件表面相當(dāng)清潔。但是有一次突然發(fā)現(xiàn)鑄件落砂后表面被一層砂子包裹。鑄件拋丸清理后能夠較容易地露出表面，表明鐵液并未鉆入砂型中，不屬于機(jī)械粘砂。所出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象屬于“熱粘砂”缺陷。產(chǎn)生原因不會(huì)是原砂二氧化硅降低，因?yàn)樵搹S一直使用品質(zhì)穩(wěn)定的內(nèi)蒙砂。鐵液澆注溫度也未過高。懷疑是膨潤(rùn)土公司處理活化膨潤(rùn)土?xí)r加入碳酸鈉配料量過高引起的。碳酸鈉本身是冶金用熔劑，能夠降低硅砂和膨潤(rùn)土的燒結(jié)點(diǎn)和熔點(diǎn)而引起熱粘砂。