精密鑄造專用砂 專家告訴你：石墨在精密鑄造中的應用（下）

3．應用舉例

3.1 應用于形成還原性氣氛

有些材質的金屬液在凝固過程中對還原性氣氛有特別要求，但有的鑄件往往受結構和工藝條件的限制，制造的還原性氣氛難以滿足鑄件的要求克服“麻點”。如圖四鑄件的材質ZG20Cr13，質量34.3Kg。在圖示“A”區(qū)59mm處有個肥厚塊，即有個相對獨立的熱節(jié)區(qū)，設置的冒口受23mm兩槽的影響，極易在兩槽的轉角處形成縮裂，澆注完后采用兩至三次的補澆冒口解決了縮裂，但卻延誤了最佳的“蓋箱”時間，鑄件的表面已在氧化性條件下凝固結殼而出現(xiàn)大面積的“麻點”。我們采用在制殼的第四層撒石墨砂替代莫來砂，當金屬液澆入型殼后，石墨在殼型內形成一道“CO”的還原性氣膜絕熱層，同時鑄件的表面凝固時間被推遲，一方面金屬表面“麻點”的形成條件受到了限制，同時也使金屬液的“補縮”通道向著順序凝固的有利方向走，等補澆完畢再“蓋箱”，雖然中間有4～5分鐘的時間，鑄件清理后的“麻點”問題卻很少見或不可見。

圖五為紫銅鑄件重5.1Kg，一串兩個和澆注系統(tǒng)共重21Kg。純（紫）銅是純金屬，液態(tài)純金屬的凝固與合金不同的是沒有凝固區(qū)域，固體與液體由同一界面(稱為凝固前沿)清楚地分開,由外至里逐層向內凝固，這樣的凝固方式其凝固時間特長。純銅極易氧化和吸氣，是因為逐層凝固和凝固時間特長所引起的。故鑄件表面易產生針孔、麻面、黑色的裂口等缺陷，鑄件斷面組織粗大。若采用在還原性氣氛條件下冷卻能有效的控制質量。這點不難理解，如果是采用砂型鑄造一般都會采用干型并在其型腔表面刷石墨涂料，這就昭示了前述的還原性氣氛條件下的冷卻方法。針對此件的結構和材質的凝固特性，補縮采用向澆冒口補澆4～5次銅液，時間間隔共有幾分鐘。如果再采用常規(guī)的硅溶膠制殼工藝制殼，“蓋箱”所制造的還原性氣氛，遠不能滿足及時性的要求而沒有什么作用。為此我們制定的制殼工藝是在第三層撒16～30目的石墨砂，第四層撒10～16目的石墨砂，共七層加封漿，之前之后的硅溶膠的制殼工藝沒有改變。焙燒溫度設定850℃，保溫時間25分鐘，鑄件加工后沒有發(fā)現(xiàn)問題。圖五右展示的是將澆注后的模殼敲破后的斷面和與金屬液接觸的表面狀況。觀察其澆口杯處（方框內）已不見黑色的石墨砂顏色，即可認為是被完全氧化了，但也沒有出現(xiàn)明顯可見的被“燒”掉的孔洞存在；在其下部石墨砂層仍“犬牙交錯鑲崁”在涂料層間依稀可認。之前焙燒溫度設定1050℃，保溫40分鐘，鑄件澆注后清理型殼時，石墨層把加固層分離，面層和過渡層依附在鑄件上，此兩層的石墨顏色由黑變褐黃，清理后的鑄件表面全部是“麻坑”，大的有4～5mm大，小的也大于1mm以上,棱角也不清晰，鑄件全部報廢。我們將在此溫度和保溫設定下焙燒好后的模殼打開，斷面的顏色同前述基本一致，那么可以肯定的是與金屬液的澆注溫度和速度無關，主要在焙燒上，由于“過燒”致使“碳”成分被氧化掉，當銅液澆入型殼后，還原性氣氛的基本物質條件不存在了，因此出現(xiàn)上述問題的癥結也就在情理之中了。

3.2．解決厚薄不均的模殼結構而引起的焙燒不透現(xiàn)象

有些鑄件的溝槽或結構性的局部位置凹陷精密鑄造專用砂，形成的模殼層間連在一起形成“搭橋”，本是四層的或五層的型殼，此處可能就是乘以2倍的關系，變成八層十層或更厚了，在一個模殼里壁厚相差懸殊太大，焙燒爐內是很難燒透和燒均勻的。過厚的局部地方燒不透鑄件上易形成侵入性氣孔，反之另一種情況是將肥厚的地方焙燒透了，費時費能源的同時還易產生變形或伴隨其它問題的發(fā)生。同時過厚的模殼也使蓄熱系數(shù)增大，散熱慢鑄件此處容易產生縮孔、縮松等問題。圖六示鑄件的材質是“SCS13”，鑄件的中部有一凹槽，模殼工藝要求7層加封漿，制完殼后此凹槽處剛好填平（在粘漿的過程中此槽也容易淤漿也是造成填平的原因之一），此處的模殼層實際厚度最少是12層的結構。模殼的焙燒時此處很難燒透，易產生“麻點”。我們曾采用過第五層后填砂，但由于封閉困難，焙燒后漏砂致使在澆注過程中出現(xiàn)“漏鋼”，斷芯或孔變形、或兩孔間不同軸現(xiàn)象的缺陷?，F(xiàn)采用在第五層后撒石墨砂，在焙燒的過程中石墨即使完全被氧化（燒掉），但此層的涂料漿形成的網絡仍是相互連接的，燒損的只是鑲崁的石墨而已，事實也證明了它的基本強度仍可抵御金屬液的沖擊，這是其一；其二當焙燒燒到石墨層時，石墨的“高溫絕熱”性質便開始發(fā)揮“效益”了，如果我們把它理解為有一種“放熱”作用，那么這個石墨層就是一個“熱火層”。因而此處的型殼焙燒時間不但不需要延長，相反還可縮短。由于石墨砂的加入，模殼的焙燒層間被割裂，就是說模殼的焙燒厚度要比實際的模殼厚度薄多了；其三在焙燒的過程中，石墨砂受焙燒時間的長短和氧化氣氛或氣場強弱影響，必然出現(xiàn)或多或少的“燒損”而出現(xiàn)空隙，空隙利于保溫，如果石墨未燒盡，它本身就是保溫絕熱的。對鑄件而言利于透氣，對澆注系統(tǒng)而言利于補縮；其四由于石墨層受澆注后的金屬液繼續(xù)高溫和氧化作用，石墨出現(xiàn)更多的“燒損”而成為灰分，使模殼層間出現(xiàn)更多的空隙，相對震殼清砂就容易多了。

3.3．應用于改變型殼局部的冷卻速度

作為熔模鑄造工藝對組樹、制殼、清理和打磨而言，在滿足鑄件要求的條件下應是越簡單越好，但其中有些結構性問題需要增加一些措施以防止鑄件的縮孔、縮松，如模殼做到一定的層數(shù)后在其某部位上刷蠟后再制殼，焙燒后某部位形成空隙，即“空隙保溫法”。此法對鑄件局部補縮效果好但操作有些麻煩。

圖七右文字說明的位置，在未加石墨砂前容易發(fā)生縮孔，因為最厚的壁厚與孔壁厚度差是2.5:1，盡管球形冒口有足夠的補縮能力，但因孔壁與下壁厚相差太大，下部還未冷卻需要金屬補縮時，孔壁的卡“脖子”使冒口的金屬液補不下去而出現(xiàn)圖示處的縮孔。圖七左示那片區(qū)域的那一面，在第五層撒入石墨砂后，補縮的通道通了精密鑄造專用砂，縮孔問題也隨之解決。不然的話要設置“馬鞍形”澆口才得以保障不出現(xiàn)縮孔，同時還會給澆口的分離和工藝出品率等帶來不利的影響。其基本原理同前3.2所述一樣。

3.4．解泱脫殼清理的困難

模殼清砂難的解決辦法很多，但在實施過程中往往受鑄件的材質、結構、大小、批量和場地等因素的影響，這里需要特別指出的是鑄造材質的影響最為突出。

圖八所示全部為銅合金(含青銅和普通黃銅)鑄件，重量最重的有1.67Kg，最輕的才5.5g。銅合金鑄件在澆注過程中，金屬液與碳無化學反應，凝固過程中產生的還原性氣氛也有益于銅不被氧化，但銅合金沒有紫銅對還原性氣氛要求得那么強烈。石墨經焙燒和與銅合金液接觸后的再“燃燒”，使得模殼只剩下漿料的網絡架，但還沒有“散架”，其鑲崁的石墨砂粒已燒蝕分離，不像其它的氧化質耐火材料（如莫來石砂）仍“死死地”鑲崁在涂料漿形成的網絡架里，這樣就給脫殼清理工作帶來了很多的便利。使用石墨砂后，在同樣的漿料情況下相比用石英砂質材料的硅溶膠型殼，還是加石墨砂的好清砂些。這是由于模殼的焙燒溫度相對的低，再加之鑄造的銅合金材質的澆注溫度較鑄鋼件而言也低得多。在這種條件下用熔融石英來改善脫殼性也是不可行的，因為在銅合金的澆注溫度下熔融石英不可能實現(xiàn)晶形轉變。為此我們對于小于0.5Kg的銅鑄件，在第二層（過渡層）就直接撒石墨砂，連續(xù)作兩層或三層。一般情況下大于0.5Kg的銅合金鑄件,考慮到金屬的重力產生對型殼的的脹力給鑄件表面和尺寸可能帶來的影響，石墨砂要做到過渡層之后比較可靠。這樣對現(xiàn)場而言，盡量地減少材料品種和使用設備，對工藝管理也是有利的。

4．結束語

4.1在硅溶膠精鑄型殼中，多方面和多種產品上使用石墨砂的實踐，說明石墨砂在形成型殼內腔的還原氣氛以及它在高溫下的絕熱性和燒蝕后的潰散性等三個方面的特性，對優(yōu)化精鑄型殼工藝和改善精鑄件的質量的作用是不容質疑的。早在上世紀九十年代美國有些精鑄企業(yè)為克服400系列不銹鋼精鑄件表面麻點的缺陷，就在過渡層使用了石墨砂。國內也早有企業(yè)在最后兩層漿及封漿中加入石墨粉以提高型殼透氣性和潰散性。

4.2. 對石墨砂粉的使用應該是有選擇的，而不能作為一個通用的工藝，我們使用石墨砂粉的目的是補充完善原有通用型殼特性的不足，因此應由工藝人員根據(jù)鑄件不同金屬材質和不同形狀結構來決定石墨砂粉的使用工藝，即用什么規(guī)格要求的石墨砂或粉，用在哪－層上等等，并且應通過試驗取得確實效果后才能編入正式的制殼工藝中。

4.3. 選擇質量合適的石墨砂是關鍵，為達到使石墨砂用在過渡層，當高溫金屬液進入型腔后能及時形成還原氣氛的目的，就必須使用能耐高溫的石墨砂，使它在焙燒過程中不致提前被燒蝕。如前所述，石墨的種類很多，用途各不一樣，目前我國尚未開發(fā)和形成適用于精鑄專用的石墨砂，我們推薦使用以高純石油焦為原料，經高溫石墨化的人造石墨制品的破碎料稱為石墨碎，這種石墨碎還不能直接使用，必須經過篩分，使粒度符合過渡層和背層砂的要求，顆粒要均勻且不夾有粉料，這種人造石墨砂才具有高純度、高密度和高強度的特性，也才具有抗高溫的性能。因此對這一工藝有興趣的單位，可優(yōu)選合適的石墨制品企業(yè)進行聯(lián)合開發(fā)，通過行業(yè)交流形成我國精鑄行業(yè)的一種特殊的專用制殼材料。

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