使用特种砂减少毛刺


铸 造厂一直在不断尝试,想要以有竞争力的最低成本生产出最高质量的铸件。然而,不幸的是,他们几乎无法控制所需材料的成本。

铬铁矿砂、锆英砂和莫莱石砂等铸造材料均有低膨胀性特点,降低了因膨胀产生的相关铸造缺陷,并且提高了尺寸精度。这些材料的耐火度大大高于硅砂。尽管某些铸造应用要求使用100%的特种砂,但在大多数应用中只需适度添加就能改善硅砂性能,并因此产生巨大的铸造质量效益。

硅砂是铸造业内最广泛使用的材料。硅砂含量丰富,因而成本极低,对铸造厂非常有吸引力。但是,硅砂铸型内的铸钢或铸铁铸件容易出现毛刺和飞翅等缺陷。这是因为硅砂巨大的热膨胀性所致。之前对硅砂高温性能的研究指出,铸造厂在使用硅砂铸型或芯子时要面对许多技术限制。硅砂在加热至高温时要经过各种不同相变,如图1和表1所示。

一旦硅砂在约1063℉(573℃)温度下经过α-β相变,硅砂一直进行稳定收缩,直到在2678℉(1470℃)温度下经过方石英相变为止。

铸造业中会采用氧化铁或工程添加剂诱发鳞石英转变,导致二次膨胀,或是在较低温度下用于诱发方石英转变,造成二次膨胀。这些添加剂使得粘结砂体积发生巨大变化。特定添加剂能够促进砂芯表面的烧结,并形成部分融化的表面。由于烧结表面粘性增加,该表面的硬度也随之增加。在较高温度下粘度增加,提高了砂芯表面强度,因而降低了芯的变形量。

之前的研究表明,芯腔和铸型内的毛刺缺陷是由于通过型砂表面收缩和膨胀结合在铸型中金属界面施加的拉伸应力造成的。在1063℉(573℃)温度下发生α-β相变后,硅砂出现体积损失所以形成了这种拉伸应力。硅砂的高温膨胀形成了一种裂纹网。液态金属随后填充进了这些裂纹,进而在铸件表面形成毛刺。

与硅砂相比,特种骨料热膨胀性较低,能够防止砂芯表面裂纹的形成并减少毛刺缺陷。但其关键限制是成本较高。对于大部分应用而言,与更高的铸件质量相比,对硅砂的高温物理性质做出微小改进似乎更为可行。

因此,研究人员进行了研究,评估在硅砂内添加特种骨料的效果。分别对两种类型的添加剂进行了研究,包括锆英砂和铬铁矿砂。所采用的锆英砂是一种特殊的国产锆英砂,表现出不同于其他锆英砂的独特化学性质。这种特殊锆英砂的热膨胀效果能够赶上商业工程砂添加剂,并同时改善硅砂耐火度。研究人员对不同混合物的高温物理属性进行了评估,并针对大部分混合物,浇注并分析了试验级步锥铸件。

结果讨论
图3展示了基准硅砂样品的热膨胀结果。可观察到,样品能够稳定膨胀,并最终在1,063F(573C)温度下实现α-β相变。该温度下还可观察到样品达到0.01228 in./in.的膨胀峰值。在进行完该转变后,能观察到出现稳定收缩,之后会在更高温度下进行方石英相变,并观察到出现二次膨胀。在约2642℉(1450℃)温度下会出现β石英到β方石英转变。

5%固相分数级轮芯温度分布图如图4所示。较厚金属部分处的芯表面温度已达到2,372-2,462℉(1300-1350℃)。在该温度范围内,基准硅砂样品会在α-β相变后收缩。但是,其下表面依然在752-1,112℉(400-600℃)的温度范围内,这部分的硅砂依然会膨胀,直至α-β相变。表面上的收缩砂连同表面下方的膨胀砂形成了裂纹,使得液态金属填充进来,并形成了毛刺类缺陷。

图5展示了含有锆英砂混合物样品的硅砂膨胀结果。含有10%锆英砂的硅膨胀峰值结果与基准硅砂类似。但是,从含有20%锆英砂的硅砂开始,α-β相变膨胀峰值就有所降低,而含有40%锆英砂的硅砂,其膨胀峰值竟达到最低的0.005 in./in.,甚至较基准硅砂低56%。混合物热膨胀观察到的另一趋势是,较基准硅砂样品而言,混合物能够在更低温度下诱发方石英相变。在2372-2462℉(1300-1350℃)的芯表面温度下,硅砂和锆英砂混合物样品就已经进行了二次膨胀。尽管在1063℉(573℃)温度下进行完α-β相变后会出现迅速收缩,但较低温度下进行的大幅二次膨胀还是能够使芯表面在更高温度下的张紧不起作用(芯表面和下表面均膨胀),从而减少了芯表面裂纹网的数量。

含有7.5%铬铁矿砂的硅砂的膨胀情况与锆英砂混合物类似,在略高温度下会出现方石英转变。方石英转变后观察到的二次膨胀程度更低。含有10%铬铁矿砂的硅砂会在2,012℉(1100℃)温度下出现突然的剧烈收缩,而含有30%铬铁矿砂的硅砂会在1652℉(900℃)温度下出现剧烈收缩,并在此之后呈现小范围的二次膨胀。含有10%和30%铬铁矿砂的样品在方石英转变后出现的剧烈收缩和相对较小的二次膨胀可能造成砂粒在钢铸件内相互熔合在一起。

表面粘性与具体热容结果
各样品的烧结温度及其在烧结温度下的粘性峰值,连同其在2,192F(1,200C)温度下的具体热容如表2所示。基准硅砂的烧结温度为2619.3℉(1437.4℃),粘性峰值为5.030 x 108 Pa.s(5.03 x 1011 cP)。随着骨料数量增加,锆英砂和铬铁矿砂混合物的烧结温度降低。但是,对于锆英砂混合物而言,其粘性峰值随其数量增加而升高,而对于铬铁矿砂混合物而言,其粘性峰值随其数量增加而降低。

铸件质量分析
获得的基准硅砂铸件如图6所示。铸件沿表面呈现出多个毛刺,这是硅砂铸件的典型特点。目前未发现任何渗透性缺陷。铸件较厚部分形成的毛刺更多,此处的液态金属需要更长的时间凝固。这使得砂芯能够在金属依然为液态的情况下达到更高的温度。

含有10%锆英砂的硅砂未呈现任何毛刺缺陷。尽管含有10%锆英砂的硅砂α-β转变膨胀峰值与基准硅砂类似,但在烧结温度下造成的方石英转变更早触发、二次膨胀、和更高的粘度都使得芯表面的张紧程度降低,进而减少了毛刺缺陷的形成。
但是,含有20%、30%和40%锆英砂的硅砂在较厚铸件部分仅呈现出微小的毛刺与渗透缺陷。含有7.5%铬铁矿砂的硅砂(图7)未呈现出任何毛刺或渗透缺陷。较硅砂而言,含有7.5%铬铁矿砂的硅砂在α-β相变温度下呈现出更低的膨胀峰值。同时,还能够在较之前低约374F(190C)的温度下诱发方石英相变,而峰值粘度约是基准硅砂的二倍。这能够防止芯表面故障的形成。

但是,含有10%铬铁矿砂的硅砂和含有30%铬铁矿砂的硅砂铸件随着铬铁矿砂含量增加,其铸件上的熔砂量也会增加。对于膨胀情况与粘度,我们可以看到,与含有7.5%铬铁矿砂的硅砂的稳定收缩不同,铬铁矿砂含量更高的硅砂要在约2,012F(1,100C)下经历突然收缩。同时,对于铬铁矿砂含量更高的样品,其粘度也会降低,烧结温度还会下降约212℉(100℃)。

表3展示了基准硅砂和不同混合物的毛刺等级。由于含有10%铬铁矿砂的硅砂和含有30%铬铁矿砂的硅砂的铸件表面存在大量的熔砂,因此无法对其进行评估。低含量的特种骨料能够较高含量特种骨料呈现出更好的性能。

基准硅砂较预期而言有着更高的毛刺指数。含有10%锆英砂的硅砂和含有7.5%铬铁矿砂的硅砂未呈现任何毛刺缺陷。

结论
铸件质量与所用耐火骨料的高温性能相关。该高温性能取决于热体积稳定性和高温软化耐受性。

硅砂成本低且可用来源丰富,但确实有着难以克服的限制。其在相变期间的高膨胀率确实会造成铸造缺陷。使用完全由特种砂(如铬铁矿砂和锆英砂)制成的模具和芯十分昂贵,在许多应用中并不能保证高出的成本量。现已有应用依据表明,使用含有成本较高特种砂的非昂贵硅砂混合物能够改善铸件质量,且不会由于采用100%特种砂芯造成相关成本很高。研究结果表明,仅使用10%的特种砂就能够改进最终铸件成本,降低毛刺缺陷程度。硅砂与特种砂混合效果在很大程度上取决于金属的热输入以及模具质量,其决定着模具的升温速率和铸件的相关冷却速率。

要精确确定出基准砂和特种砂之间会产生的化学反应,硅砂和铬铁矿砂混合物也是如此。如果金属截面较大,其内输入的热量将更高,会造成混合物熔化,从而产生铸造缺陷。

较少含量的铬铁矿砂能够改善测试铸件的质量。这也说明了在将技术用于实践前,将砂混合物的高温物理性质同特定铸造应用相比较的重要性。 ■

本文依据的是CastExpo16展示的论文“使用特种砂混合物降低钢铸件内的毛刺缺陷”(16-060)。Click here to see it as it appears in Global Casting.