砂眼是熔模铸件常见的缺陷之一，在铸件的不良品中占有的比例较大。铸件砂眼一般存在三种情况：如果砂眼在铸件的表面上，清砂后能被及时发现；如果砂眼在铸件的内部、距离表面较浅，可以在加工后被发现；如果砂眼在铸件的内部、距离表面较深，只能残留在铸件的内部，从而降低了铸件的有效承载面积，降低铸件的机械性能和使用寿命，甚至导致严重的事故。
中国医师进修杂志
1 砂眼
1.1 砂眼特征
铸件的表面或内部有型砂或耐火材料形成的孔穴，称之为砂眼，如图1
所示。
图1 砂眼Fig.1 Sand holes
1.2 产生部位
砂眼产生的部位，如图2所示。大部分砂眼是由于型腔中的型砂或耐火材料，被金属液流挤到型壳的底部或离浇口较远的端面，不能上浮而产生砂眼；有的型砂或耐火材料被金属液的涡流卷入铸件的内部，形成了砂眼；距离铸件表面较浅，在机械加工后就能被发现，见图
3；或残留在铸件的较深的内部。
图2 砂眼产生的部位
Fig.2 The area where a trachoma is produced
图3 加工后砂眼
Fig.3 Sand hole after processing
2 砂眼产生原因
砂眼产生的主要原因有两个方面：一是来源于型腔的外部，二是来源于型腔的内部。
2.1 来自型腔的外部
（1）浇口芯棒不干净，粘有型砂或耐火材料，脱蜡后型砂或耐火材料残留型腔中。
（2）脱蜡液中残留型砂或耐火材料，在脱蜡过程中随脱蜡液卷入型腔。
（3）将浇口杯上的型砂或耐火材料卷入型腔，如图4所示。
（4）在型壳存放、搬运及焙烧时，不慎使型砂或耐火材料进入型腔，浇注前没有吸净残留在型腔中的型砂或耐火材料，如图5所示。
朱伟杰1，潘玉洪2
（1.无锡市雪浪合金钢铸造厂，江苏 无锡 214161；2.无锡市凯斯特铸业有限公司，江苏 无锡 214161）
摘要：介绍了砂眼的特征、产生的部位，分析了砂眼产生的内、外部原因，提出防止耐火材料从外部落入型腔、提高型壳的质量和改善产品结构及浇注系统是防止熔模铸件出现砂眼缺陷的主要对策。
关键词：熔模铸件；砂眼缺陷；对策
中图分类号：TG249.5 文献标识码：B 文章编号：1673－3320（2021）03－0035－06
收稿日期：2020-03-10 修定日期：2020-10-26
作者简介：朱伟杰（1971-），男，毕业于瑞士维多利亚大学，获硕士学位，工程师，目前主要从事熔模铸造工艺研究。 图4 型腔残留制壳材料
外墙外保温系统
Fig.4 Cavity residual shell-making material 图5 落入型腔型砂Fig.5 Fall into cavity sand 如果浇注前
未能将进入型腔中的型砂或耐火材料清掉，浇注时金属液将这些型砂或耐火材料挤入型壳的底部或端面不能上浮，则铸件冷凝后，在铸件的底部或端面产生了砂眼。
2.2 来自型壳的内部
（1）型壳的内表面层与加固层局部结合不牢而分层见图6、鼓胀见图7、面层局部剥落见图8、型壳酥松见图
9。
图6 型壳面层分层
华硕n81Fig.6 Shell layer is layered
图7 型壳面层鼓胀
Fig.7 The shell is bulging
图8 型壳面层剥落
Fig.8 The shell is peeled off
图9 型壳酥松
Fig.9 Shell degeneration
水玻璃型壳工艺：如果石英粉的含量过大，使涂料的粘度增加，涂料层厚而且不易充分地硬化；同时由于水玻璃的含量过少，表面强度将下降，脱腊后型壳发酥，容易粉化或脱落；水玻璃型壳面层硬化后的晾干时间过短，在其表面上残留较多的硬化液，是造成面层与加固层结合不牢的主要原因等；浇注时金属液冲掉局部面层形成砂眼。 硅溶胶型壳工艺：当硅溶胶中的SiO 2含量过低，涂料配置不当，回性时间短；撒砂种类与硅溶胶涂料不匹配，或撒砂材料中的含水量、含粉尘量过大；以及硅溶胶
型壳干燥的不当，如室温、场地湿度、风速和干燥时间不当等等因素，均导致硅溶胶型壳面层开裂、剥落、分层、鼓胀和酥松等缺陷；从而导致浇注后铸件产生砂眼。
（2）型腔中有飞翅
蜡模残留裂纹，见图10，流入组树、制壳，在蜡模的裂纹处容易产生毛刺；蜡模组装时，内浇口处焊缝没有焊严密，局部留有缝隙；在涂挂过程中，涂料流入该缝隙中形成薄片状的飞翅，见图11；当浇注时，金属液
冲掉这些飞翅，使铸件形成砂眼。
图10 蜡模残留裂纹
Fig.10 Residual cracks in the wax mold
图11 型腔中的毛刺Fig.11 Burr in the cavity
（3）浇注系统设计的不合理，使耐火材料或型砂直接进入型腔。
（4）浇注操作不当，使金属液对型腔的冲刷剧烈，冲掉耐火材料或型砂。
黎元江从生产实践中发现，砂眼中有耐火材料或型砂，多数是由型壳本身造成的，如果砂眼中只有型砂，则多是由外界进入而造成的。
3 砂眼缺陷防止措施
3.1 防止耐火材料从外部落入型腔
（1）应经常清理脱蜡液中的杂物，使之保持洁净；脱蜡时，避免脱蜡液沸腾，以免将脱蜡液中的耐火材料或型砂卷入型腔。
（2）型壳脱蜡前，应将浇口杯附近的浮砂清除干净，防止脱蜡的过程中自行落入型腔。
（3）在型壳存放、转运或浇注时，应细心操作，避免耐火材料或型砂落入型腔，尤其在浇注前，应仔细检查型腔内是否有耐火材料或型砂。
（4）必要时改进浇口杯的设计，避免耐火材料或型砂直接落入型腔。
（5）蜡模组树时，其重要的部位应该放在下面，避免砂眼聚集此面。
3.2 选择合理的制壳工艺、参数及制壳材料，提高型壳的质量
众所周知，型壳是由粘结剂、耐火粉料、撒砂材料等，经过配置涂料、浸涂料、撒砂、干燥、硬化、脱蜡、
焙烧等工序制成的。
3.2.1 根据制壳工艺，选择适合的制壳材料
熔模铸造常见的制壳工艺主要有硅溶胶制壳、水玻璃制壳工艺两种，常用制壳材料见表1。
表1 常用制壳材料
Tab.1 Shell materials are commonly used
制壳工艺
硅溶胶型壳
水玻璃型壳
制壳材料技术要求硅溶胶：化学成分SiO 2含量30%，Na 2O 含量≥0.5%，密度1.20~1.22 g/cm 3，PH 9.0~10.0，粘度（m 2/s）≤8×10～4，最好≤4×10～4，SiO 2胶体粒径：9~20 nm
水玻璃：面层密度1.25~1.28 g/cm 3含背层密度1.30~1.32 g/cm 3；模数M=3.0~3.4
锆英粉砂：化学成分ZrO 2 SiO 2≥98.6%；即ZrO 2≥65%，TiO 2≤0.25%；
Fe 2O 3≤0.10%；Al 2O 3≤1.0% ，PH6.0±0.5；密度4.5 g/cm 3，外观：灰白或掺灰黄之白，粒度锆粉300~325目，锆砂80~100目
石英砂粉：SiO 2≥98%，K 2O ＋Na 2O CaO ＋MgO ≤ 1.0%，Fe 2O 3≤0.1%耐火度≥1 700 ℃，含水量≤0.3%
莫来石粉砂：化学成分Al 2O 344%~48%，SiO 250%~54%，TiO 2≤1.5%，Fe 2O 3≤1.2%，CaO MgO ≤0.7%，K 2O Na 2O ≤0.3%，灼减≤0.5%；岩相：莫来石~56%；方英石~17%；其余，密度2.4~2.6 g/cm 3，砂：16~30目，30~60目；粉尘量≤ 0.3%，含水量≤0.3%
铝矾土粉：Al 2O 3＞80%，Fe 2O 3≤1.5，粉尘量≤ 0.3%，含水量≤0.3%，粒度200目
注：满足铸件质量的前提下，还可选用刚玉砂粉等；
3.2.2 涂料配制工艺参数确定与配置
（1）涂料配制工艺参数确定
涂料分为面层涂料和加固层涂料。面层涂料与金属液接触，它不应与高温金属液发生作用，并且应平整、光滑、致密又坚实；加固层涂料是加固、加厚型壳，使型壳具有良好的性能，涂料配置工艺参数见表2。
表2 涂料配置工艺参数
Tab.1 Coating process parameters
涂料种类硅溶胶涂料水玻璃涂料
面层、过渡层面层粉液比（硅溶胶：锆英粉）1∶3.6~4；加硅溶胶的0.16%润湿剂，0.12%
消泡剂，粘度32~38 s，搅拌时间：新料≥24 h，部分新料≥12 h；过渡层涂
料粉液比1∶1.5~1.8，新料搅拌≥10 h，部分新料≥5 h
面层和过渡层：液粉比（水玻璃：
石英粉）1∶1.10~1.30，加入
JFC0.05%，消泡剂0.05%
背层涂料粉液比（硅溶胶：莫来粉）1∶1.4，新料搅拌≥10 h，部分新料搅拌
≥5 h
上海南洋电机
液粉比（水玻璃：铝矾土）
1∶1.20~1.50，加入JFC和消
泡剂各0.05%
（2）涂料配制
a硅溶胶涂料
① 配料准备：准确计算涂料中各组成的加入比例，一般是先加入硅溶胶，再加入润湿剂混匀，在搅拌中缓慢地加入耐火粉料（防止粉料结块），最后加入消泡剂。
② 涂料搅拌：新配置的面层涂料应大于24小时才能使用，部分新配置的涂料，搅拌时间也应为12小时后才能使用；过渡层和背层涂料的搅拌时间可以缩短，新配置的涂料搅拌时间应大于10小时，部分新料搅拌时间可以缩短为5小时。配置好的涂料及时使用，并加盖密封防止水分蒸发。
③ 涂料质量控制：可以用粘度或密度控制涂料的粉液比。粘度有随着温度改变的特性，采用粘度控制粉液比时，要考虑到温度对涂料的影响。理论上讲采用密度就比较合适。
定期检测涂料的PH值，控制在9~10为宜，PH 值影响涂料和粘结剂的稳定性。
定期测定涂料中粘结剂SiO2的含量。涂料在使用过程中，随着水分的蒸发，涂料中粘结剂SiO2的含量会增加，涂料粘度升高；这时只能用蒸馏水调整，否則影响配比，使涂料中的粘结剂含量增加，会导致涂料过早的胶凝，缩短涂料的使用寿命。
④ 涂料的有效期：涂料如不使用，面层涂料＜14天，过渡层涂料＜30天，背层涂料＜60天。
b水玻璃涂料
① 配料准备：计算水玻璃、粉料和JFC的加入量，按工艺要求水玻璃一次性加入，再加JFC搅匀，最后添加粉料（分2~3次），边加粉料边搅拌至全部搅拌均匀。
② 涂料搅拌：再搅拌60~90 min，可间断搅拌每次搅拌时间不得小于30 min。配置后涂料应回性≥4 h，以便提高涂料的涂挂性和流动性，从而提高型壳的强度。
配好的涂料应静置4~8h，使用前应充分搅拌，使其满足工艺参数（配比、粘度）的要求。
3.2.3 制壳工艺参数确定及制壳[3]
a硅溶胶制壳工艺
（1）工艺参数：硅溶胶制壳工艺是一项绿环保工艺方法，并且铸件表面质量好、尺寸精度高，工艺参数见表3。
表3 硅溶胶制壳工艺参数
Tab.3 Technological parameters of shell making by silica sol人体芝术
型壳层数面层过渡层背层封浆
预湿剂清洗后干燥静置＞45 min的模组可进行制壳；必要时，
应在润湿剂（25%的硅溶胶溶液或水）中预处理。
-
撒砂/目100~12030~6016~30-温度/℃22~26
湿度（%）60~7040~60
风速/（m·s-1）-6~8
干燥时间/h4~6＞8＞12＞14
（2）制壳
① 上涂料：把组树后的模组倾斜浸入涂料桶中，使模组的各处都均匀的涂挂上涂料，特别注意蜡模的凹角、沟槽和孔洞处是否留有气泡，可以采用0.3~0.35 MPa 的压缩空气、或毛笔涂刷除去这些部位的气泡和多余的涂料，有效的防止型壳的裂隙、分层和产生的孔洞。
② 撒砂：撒砂是为了增强型壳和固定涂料，防止涂层干燥时由于胶凝收缩而产生的裂纹。面层型砂不易过粗，易击穿涂层、打坏蜡模；过细不利于形成上下层的结合，导致型壳分层。
③ 干燥：干燥是制壳工艺中最关键的工序，型壳的干燥程度与型壳的强度密切相关。型壳面层干燥过快或型壳各部分干燥不均匀，由于凝胶的收缩应力均会导致型壳开裂。因此应严格控制壳间湿度、温度和风速。常用显法和电阻法等检测型壳干燥的程度。
每层型壳必须干燥后才能制下一层型壳（上涂料、撒砂）。
为了有效的缩短硅溶胶制壳周期，出现了“硅溶胶快速制壳工艺”，在配置涂料中使用专用快干硅溶胶或添加快干剂、防裂剂等添加物，采用强风干燥等工艺，可大幅度缩短硅溶胶制壳时间，但面层快干时注意防止涂层龟裂、开裂、脱落、分层与鼓胀等缺陷出现。
b水玻璃制壳工艺
（1）工艺参数：水玻璃粘结剂价格低廉，涂料稳定性好，制壳周期短，在要求精度较低的铸件生产中被广泛的应用，其工艺参数见表4。由于环境因素的影响，近期水玻璃型壳逐渐被硅溶胶型壳替代的趋势。
（2）制壳
① 上涂料、撒砂：与硅溶胶型壳相同（略），水玻璃型壳的撤砂，一般表面层、过渡层、加固层全部用石英砂，也可以从第三层开始用铝矾土砂、粉或高岭石系列砂。
② 硬化：硬化是水玻璃型壳制壳中的重要工序，严格控制硬化液的浓度、温度和硬化时间。因环保影响国家已经限制使用氯化铵作为硬化剂，一般常用氯化铝、氯化镁、氯化钙等作为硬化剂。
③ 风干：晾干是为了滴尽残留的硬化液，使涂层更紧密的结合，同时能够继续扩散硬化。风干时间与粘结剂中Na2O含量、温度、湿度、硬化液种类及蜡模结构有关。面层风干效果对铸件表面质量影响大，面层干燥时间过长表面层易生白霜、开裂或剥落，而且与第二层涂料润湿和结合不好，产生分层、起皮等缺陷。
3.3 改善产品结构及浇注系统
（1）改进蜡模的结构，消除内尖角，应使其圆滑过渡。
（2）改进浇注系统设计，防止型砂或耐火材料直接落入型腔，必要时设置专门的集砂器，浇注系统应能减缓金属液对型腔表面的冲击。
（3）改进浇注方法，如浇注应先慢后快，防止冲击等。
表4 水玻璃制壳工艺参数
Tab.4 Technological parameters of water glass shell making
面层加固层
硬化（氯化铝）风干硬化（氯化铝）风干（吹风）
温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min
20~2510~2020~2515~4020~2520~2520~2520~30，或不干燥
4 结语
砂眼是熔模铸件常见的缺陷之一，是由于型壳内、外部的型砂或耐火材料进入型腔形成的，一般从防止耐火材料从外部落入型腔、提高型壳质量、改善产品结构及浇注系统三方面入手加以预防；除此之外，还要重视提高员工的素质和技能，严格执行操作规程，尽量减少影响型壳质量的人为因素。
参考文献
[1] 潘玉洪, 朱伟杰. 熔模铸造缺陷图册[M]. 长沙: 湖南科技出版社, 2016: 26-28.
[2] 姜不居. 实用熔模铸造技术[M]. 沈阳: 辽宁科学技术出版社, 2008: 387.
[3] 柳建国, 张耘. 我国水玻璃精铸工艺转型升级与实践[J]. 铸造工程, 2020（6）: 53-57.
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