铸钢斗齿粘砂缺陷的成因及对策

2014-08-29国际铸业网陕西西安710075袁东洲车顺强

金属加工(热加工) 2014年7期

国际铸业网 (陕西西安 710075) 袁东洲车顺强

挖掘机上的斗齿是齿尖与齿座（见图1、图2）的组合体。挖掘机斗齿靠销轴连接，如果斗齿磨损失效部分是齿尖，只要更换齿尖即可。斗齿是用于挖掘机最常见的易损易耗件，由于它直接与各种岩石、煤层等相撞击，作业条件非常恶劣，极易磨损、断裂，因而斗齿必须具备较高的冲击韧度及很好的耐磨性，还应具有较高的基体强度和韧性，技术要求斗齿材质的冲击韧度值为aK≥5.0J/cm2；斗齿的基本硬度（经水韧处理）后为180～229HBW，且具有较强的加工硬化能力；铸件组织不允许有柱状晶体，晶粒度等级必须≥5级；铸件不允许补焊，不允许有夹渣、夹杂和裂纹等铸造缺陷。

图1 齿尖

图2 齿座

1.斗齿粘砂的表现形式

目前，我国挖掘机斗齿的制造工艺主要有砂型铸造、锻压制造和精密铸造三大类。在市场上斗齿的主流制造工艺是精密铸造，一是比锻压制作的斗齿价格低，二是外形较好且尺寸精确，成本适中，三是只要原材料控制得好，精密铸造斗齿质量及耐磨性甚至超过了锻压制造的斗齿。因砂铸成本最低，所以市场仍然有很大的需求，但其生产的质量不如精密铸造和锻压件。砂型铸造斗齿材质大多采用ZGMn18，这种铸钢件经过水韧处理后基本可以满足使用条件。但高锰钢铸件比普通钢的热膨胀系数约大50%，高锰钢铸件导热性差，因此在铸造过程中易出现横向裂纹（热裂纹），导致斗齿在作业过程中容易沿着应力集中处撕裂断开，显著降低斗齿的使用寿命。为解决这一问题，曾采用减少锰的含量（wMn＝6%～8%），加入wMo＝1%、wCr＝1.5%，降低奥氏体层，提高奥氏体锰钢的加工硬化能力，并强化热处理等技术措施；也有的是采用ZGMn18VTiMo低合金化铸钢。耐磨低合金钢可以通过合适的热处理获得含有板条状马氏体组织，不仅具有较高的强度，还具有良好的塑性及韧性，能够从根本上克服高锰钢必须预先加工硬化才能获得高硬度的缺点。但耐磨低合金钢砂型铸造常见的铸造缺陷是粘砂。

粘砂即铸件表面或部分覆盖着金属或金属氧化物与造型材料的混合物（或化合物）的烧结层，使铸件表面粗糙。这种粘砂严重时无法铲除，尤其是铸件的内腔因铁包砂这类粘砂直接导致铸件报废。采用砂型铸造耐磨低合金钢出现粘砂铸造缺陷属于常见问题。斗齿类铸件，就形状而言属于简单易做铸件，就壁厚而言作为合金钢属于较薄铸件，温度低不易成形，温度过高了就会产生粘砂。要使铸件表面光滑，就不能用粗颗粒砂。铸造生产中大多使用硅砂，但其耐火度较低，易形成粘砂。

提高浇注温度，金属中液态FeO渗入砂粒间空隙中，造成其与型砂中SiO2作用生成的粘砂层，纵断面呈上薄下厚楔形断面，据此认为是化学反应之后产生机械渗透性粘砂，是化学粘砂与机械渗透粘砂两种类型同时并存。在斗齿的上部砂芯四周被高温钢液包裹中，因此砂芯极易过热，容易被高温钢液熔蚀，产生熔蚀粘砂，严重时钢液渗入砂芯内部。这是由于砂芯用硅砂的熔点低，蓄热系数小，故容易形成熔蚀。改用锆砂取代硅砂，在其他条件不变的情况下再进行浇注试验，产生粘砂的仅有3%左右，效果非常明显。

2.斗齿粘砂的防止措施

据此，我们分析并梳理出铸造耐磨低合金钢产生粘砂的原因及防止措施。

（1）与铸铁相比，铸钢的浇注温度较高，有时高达1560～1620℃，浇注温度高主要是为防止铸钢件冷隔，但同时如此高的温度对砂型的热作用时间长，对铸型冲刷力大。铸钢件一般用开放式浇注系统，钢液易氧化生成氧化物，很容易与砂型起化学反应，引起严重粘砂。

①铸钢生产时为防止增碳，通常是砂型中不含或极少含煤粉。因而铸钢湿型砂的含泥量要比铸铁湿型砂低，需水量少。在同样紧实率下，铸钢湿型砂的水分要严格控制，水分最好控制在4%～5%或更低些。

②为解决表面粗糙不光滑，应该选用粒度较细的原砂。如果使用单一砂造型，型砂中粘土含量必须严格控制，不能超过规定加入量。由于型砂中不含煤粉且含泥量低，这样透气性容易偏高，如果是单一砂透气率以不超过120为宜，面砂的透气率还应该更低才能生产出表面光洁无机械粘砂的铸件。选用粒度0.20～0.10mm（75～150目）或0.315～0.154mm（55～100目）的原砂，最好使用精细高纯度硅砂，别再用0.40～0.20mm（45～75目）粗硅砂。

③为了防止铸件表面产生化学粘砂，大型铸钢件用原砂SiO2含量多都在96%以上，厚壁件和浇注温度要求高的铸钢件用原砂SiO2含量应更高些。由于原砂含SiO2高，加之型砂中又缺少煤粉等缓冲材料，铸钢件产生夹砂、结疤类缺陷的倾向性更大。最好是采用活化膨润土或天然钠基膨润土来提高型砂的热湿拉强度和其抗夹砂、结疤的能力。

④为了提高型砂的表面风干强度和韧性，防止产生砂眼缺陷，型砂中可加入适量的淀粉类材料（如糊精、α淀粉、木质素磺酸钙粉、水玻璃等稀释后的水溶液，或酚醛树脂酒精溶液）。必要时，需在砂型表面喷涂表面增强剂，以提高型砂的表面强度。

以上4点就型砂方面而言，要求检查和控制型芯砂的耐火度，选用耐火度高的砂，以提高型芯砂的耐火度，原砂的SiO2含量在96%以上，而且砂粒相应稍粗些。铸钢件的浇注温度越高，壁厚越厚，对原砂中SiO2含量的要求越高。如果采用的是水玻璃砂，严格控制水玻璃砂中的水分，不要过高，尤其是在冬季，易发生爆炸性粘砂。含水分高时易吸潮，因此硬化后应当及时合型并进行浇注。

型芯砂中的回用砂不能多，因为回用砂里细砂粒、粉尘、死粘土、铁包砂太多，这样就导致型砂烧结温度偏低，因此应及时添加新砂。

（2）砂型的紧实度不能出问题，铸件出现粘砂处砂型肯定不紧实，在浇注之前必须每件砂型都进行检验，要增强并保证铸型的紧密度和紧实均匀性。要对难以紧实及拐角部位进行特别紧实。砂型紧实度要高（通常≥85），要求均匀性好，减少砂粒间隙，尤其要注意型芯破损后修补要到位，也不能因为修补存在局部疏松。

（3）要注意浇注系统和冒口的设置，应避免使铸件和铸型产生局部过热。设计浇注系统时应避免内浇道直接冲铸型壁。

（4）适当降低浇注温度、浇注速度和和浇注时的高度，所谓“适当降低”意思是在保证能浇注成铸件的前提下，减轻金属液对砂型的热力学和物理化学作用。注意降低浇注高度，降低上型高度和浇口杯高度，以减小金属液动压力、静压力及对铸型的热冲击力。对斗齿铸件而言，壁虽不厚，但是浇注温度高，相应地延长钢液与型腔表面的热作用时间，浇注时钢液对型腔的动压力和静压力大，为机械渗透粘砂创造了条件。

（5）可采用防粘砂涂料。把这种涂料均匀涂覆在易产生粘砂部位，粘砂严重的部位还可以适当增加涂料厚度（涂层厚度以0.75～1.0mm适宜，每次施涂以0.3mm为宜，采取多次施涂，要求保证干态的厚度）。实践经验是尽量不要采用通过反应可在铸件-铸型界面形成易剥离的玻璃状粘砂层的涂料或面砂来解决粘砂问题（如在型砂和芯砂中加入赤铁矿粉等）。采用在高温下不开裂、不烧结的涂料。涂刷涂料，改变铸型和金属液间的表面张力，减少金属液向铸型表面的机械渗透，这样就能有效地解决粘砂缺陷。当然选用材质较好的高铝质浇口砖管，淘汰内壁带黑点状金属氧化物杂质粘土耐火制品也是办法之一。

采取以上措施粘砂问题解决仍然不彻底的话，就得考虑从根本上对型砂处理了。把原先使用的硅砂暂时存放全部不用。根据提高造型材料本身的抗渗透粘砂能力来消除这种铸件粘砂缺陷的原理，采用换一批耐火度高的细粒原砂，一是使用粒度0.20～0.10mm（75～150目）锆砂；二是可以只用锆砂做芯砂面砂。面砂配方：①锆砂100%+膨润土2.5%+水3.75%（以锆砂为基准）；湿压强度20～30kPa，干压强度＞1MPa。②锆砂100%+水玻璃6%+水3.1%；湿压强度12～20kPa，干拉强度≥800kPa）。如果全部使用镁砂，就砂型这一项，成本的提高是1:10左右，这种方案对于中小企业一般不接受。坚持使用硅砂的话，建议使用抗粘砂涂料配方：耐火骨料以锆砂粉、石英粉和石墨三者为48%，钠基膨润土4.5%，粘结剂水玻璃4.5%，硫酸铝0.65%，然后用适量水混合搅拌均匀后使用，用此途径去解决粘砂问题。

另外还需注意：适当提早开箱，加快铸件冷却，这样可以防止固态热粘砂；对于使用的模样和芯盒内表面尽可能保持光洁。