高温高湿环境下铸钢件质量的控制

■ 肖恭林　曹松　姜伟航



高温高湿环境下铸钢件质量的控制

■ 肖恭林曹松姜伟航

摘 要：铸钢生产对环境条件有一定要求，高温高湿期间的铸件成品率低一直是行业内的顽疾，通过近两年的数据收集，对环境与生产要素间的关系进行识别，制定改进方案，从型砂准备、模具维护、涂料操作等方面进行针对性优化，取得一定成效。通过对改良工作的总结，可对铸钢生产提供参考。

关键词：高温；高湿；铸钢件；质量控制

铸造生产中许多工艺要素与环境温度湿度都有莫大关联，在高温高湿环境下，铸件废品率较平常会有明显上升。受制于水玻璃的高吸湿性，在高温高湿环境下铸件的气孔缺陷率明显提升。中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司处于长三角区域，每年7、8月的梅雨及高温高湿天气都对铸钢生产造成极大影响，从往年水平来看，7—8月期间的铸件废品率较其他月份提高5%～10%，气孔类缺陷是报废主因。收集近两年高温高湿环境期间的质量数据，并在2015年采取了多项举措对造型工序和熔炼工序进行改良。

1　高温高湿环境对铸钢生产的影响

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司主要产品是制动夹钳、牵引车钩、轴箱体等，应用于动车、高铁上，对产品的内在、外观质量和尺寸要求非常高，综合考虑，采用酯硬化水玻璃砂工艺。在高温高湿环境时，水玻璃和有机酯反应后形成硅酸凝胶，使型砂形成胶结强度，而空气中的高浓度水蒸气对该反应过程产生极大阻碍，促使硅酸凝胶水解，最终导致型砂强度瓦解，给铸件带来夹砂、夹渣等缺陷。高温条件下，型砂反应速度加快，导致型砂可使用时间大大降低，容易出现分层问题，砂模报废倾向加大。

2　优化过程控制

（1）水玻璃砂改良。高温高湿期间，水玻璃模数需要适当降低至2.2～2.4，有机酯采用慢酯，这是常规手段，但型砂条件的改良远不止于此。设备保障方面，要确保再生系统中冷却设备的正常运转，以充分降低回收砂的砂温，将回收砂的温度控制在不高于室温5 ℃；原材料进料方面，新砂在运输过程中要做好隔热措施，否则砂温可以高达40～50 ℃，而且降温极慢。

（2）铬铁矿砂改良。以往铬铁矿砂的准备方式为手工混制，水玻璃和有机酯加入量难以控制，经常出现水玻璃加入过量的问题。水玻璃吸湿能力很强，同时铬铁矿砂相比于普通石英砂蓄热系数较高，利于空气中水分子粘附，造成铬铁矿砂在高湿环境中极易吸潮，成为浇注过程中气体缺陷的来源。通过前几年的数据查询，发现使用铬铁矿砂的产品在高温高湿期间的废品率是正常水平的2～3倍。对铬铁矿砂的混制方法进行改良，采用碗型混砂机进行混制，将每天用量分为A、B两等分，A组分仅加入水玻璃充分混制，B组分仅加入有机酯混制，混制完成后单独存放，使用时将加入同等质量的两种组分，混匀。以上做法实现了水玻璃、有机酯加入量的精确控制。

3　模具准备

观察发现，当空气湿度超过75%，铝模表面残留水玻璃的吸湿性明显提高，若不做处理就按照正常工序流转，待型砂硬化后会发现砂型表面稳定性极差，原因在于有机酯与水玻璃反应的产物硅酸凝胶在富水环境下极易重新水解丧失粘结强度，导致型砂强度瓦解。具体表象为：采用拇指指腹磨蹭砂型表面即出现砂粒脱落现象，脱落层在3～5 mm，在砂型涂刷过程中，涂料刷的粘砂情况较重，待点燃干燥后，涂料层出现夹砂情况。此种情形会带来两种常规的失效模式，远离浇道区域相应的铸件表面产生粘砂缺陷，浇道附近区域型砂成为其他部位夹砂的来源。

高温高湿环境中，模具使用几次后，表面残留水玻璃和有机酯较多，极易吸收空气中的水蒸气而变得潮湿。实际生产中按以下方法进行模具管理：（1）尺寸较小的砂模，当天下班前可以先造型一模，第二天上班时起模；（2）尺寸较大的砂模，每天造型完成后采用抛光机对模具表面进行打磨处理，去除表面残留的水玻璃等杂质，并刷脱模剂；（3）当天造型结束后，将塑料薄膜袋覆盖在模具表面，避免模具暴露在潮湿空气中；（4）提高模具清理频次，对于日生产量大的模具每天进行清理，刷脱模剂。

4　冷铁管理

在高温高湿环境中，冷铁由于其蓄热系数较大，表面处于较低温度，极易成为高温水蒸气的粘附据点，对冷铁的处理和使用进行了严格控制：（1）冷铁抛丸后放置在存有石灰的容器中，降低其吸湿倾向；（2）锈蚀的冷铁坚决弃用。

5　涂料刷涂

实际观察中发现冷铁在高湿度环境中吸潮很快，涂料刷涂后无法正常点燃，即使经过表干处理后，冷铁表面的涂料板结性非常差，极易成为浇注过程中的缺陷来源。实际控制中，当涂料点燃完成后随即采用煤气喷灯对冷铁表面进行烘烤，帮助冷铁表面涂料的燃烧，实现涂料的常温固化。高温高湿环境下，水玻璃夺取空气中水分子的能力很强，当湿度高时，水玻璃砂表面的稳定性急剧下降，原因在于钠水玻璃重新发生水合作用，基体中Na+和OH-吸收水分并侵蚀基体，最后使Si-O-Si断裂重新溶解，大大降低钠水玻璃砂粘结强度。在没有针对型砂进行改良时，最好的方法便是在砂模自硬化完成后尽快刷涂料，在型腔与大气间建立一道屏障，减缓表层型砂的吸湿速度。

6　表干处理控制

在高温高湿环境中，要充分利用表干炉的作用，表干时间需要比正常季节提升30%，表干温度控制在180～200 ℃，利于砂模内部水分的蒸发和逸出，尽量降低浇注过程中型腔的发气性。坭芯较多的产品需要将坭芯单独进行表干，否则会造成型腔中的水汽无法顺利排出，特别是铬铁矿砂较多的坭芯，必须进行单独表干。对一些严格限制气孔类缺陷的产品，采用热风机对型腔进行烘烤加热是一个很好的措施。传统铸钢生产中，表干处理的有效性缺乏系统性验证，仅依靠甄别铸件表面气孔缺陷的多寡来评价。实际生产控制中，非常关注表干操作的实际效果，采用试验方式进行相关参数的设定。对同一浇注批次的产品进行差异化试验，选择表干时间作为试验因子，其余表干操作参数保持一致，采用射线探伤的方法进行数据收集，来确定高温高湿环境下适用于产品的表干参数。事实证明，有针对性的试验可以带来质量的稳定可控。

7　浇注场地管理

合箱浇注区域的下方砂床也是一个值得注意的地方，产品浇注过程中，水汽会渗透入下方砂床，第二天砂模放置在砂床上后，水汽会侵入型腔中给铸件带来气孔缺陷，对于底箱吃砂量较少的砂模影响更大。高温高湿环境中，建议每两周更换一次浇注区域的砂床。

8　熔炼浇注控制

高湿度环境下，确保铸件在合箱后12 h内进行浇注。高湿度环境对钢水转移到钢包的过程也会造成一定影响，钢水中的含氧量有明显提升，导致铸件气孔缺陷的产生。可以通过沉淀脱氧来抑制空气中高浓度水蒸气的影响：将脱氧铝加入量提高10%，并将10%的铝量加入钢包中，尽可能降低钢水转包过程中的卷气。

9　实施效果

将以上措施进行逐项落实，经历2015年高温高湿环境的检验后，收到的质量数据比往年有了明显改观，几种产品的气孔缺陷问题得到了很好缓解。将有效的改进措施分解到具体工艺文件中，为下一个周期做好预防准备。

10　参考文献

[1] 樊自田．水玻璃砂工艺原理及应用技术[M]．北京：机械工业出版社，2004．

[2] 李远才．铸造涂料及应用[M]．北京：机械工业出版社，2007．

肖恭林：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，高级工程师，江苏 常州，213011

曹 松：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，工程师，江苏 常州，213011

姜伟航：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，助理工程师，江苏 常州，213011

责任编辑 高红义

中图分类号：U260.6；U270.6

文献标识码：A

文章编号：1672-061X（2016）02-0028-02