化學粘砂及其基本規律

  化學粘砂是鐵的氧化物與鑄型材料和澆注氣氛相互之間物理化學作用的結果。鑄型在澆注金屬液時型壁表面被加熱并經受各種復雜的變化。開始加熱時，在鑄型和砂芯的表面層發生物理變化：水分蒸發，粘接劑熱分解，硅砂的多晶轉變等；然后開始化學反應生成硅酸鹽。隨著加熱溫度的上升，型砂中易熔部分開始熔化，各種共晶體也被熔化。固態的硅酸鹽溶解在已經出現的熔體中，然后在固體物質和液態熔體之間進行著高速的化學反應。

    在鑄件表面上形成粘砂層，由于這些相互作用，造型材料的顆粒在粘砂層中，既能夠銅鐵的氧化物粘接，也能夠與易熔的硅酸鐵等粘接。這種造型材料的粘接不僅能夠形成液態的，而且也能形成部分的燒結。因此也有人提出了熱粘砂的概念，其形成是由于造型材料的熔化和鑄件表面熔焊在一起。這種粘砂可以通過氧化鐵的薄膜或滲入金屬銅鑄件粘合在一起。大多數情況下，由于造型材料的熔化溫度比澆注金屬液高，那么熱粘砂自身不會形成，而應是化學粘砂的繼續。化學粘砂又分為難剝離的和易剝離的，后者是易從鑄件上剝離的燒結層。

    在形成化學粘砂中起主要作用的是金屬表面的氧化和氧化鐵與鑄型材料的相互作用。因此，幾乎所有的研究者都指出，在粘砂層中存在大量的鐵的氧化物。在高溫下，鐵的氧化進行的非常迅速，在1min內可以形成0.001mm厚的氧化膜。

    澆入鑄型中的熔融金屬都含有一定量的氧，以溶解狀態或者氧化態存在，在澆注時與鑄型接觸的金屬液又進一步被氧化。金屬的氧化促進氧化鐵在造型材料和鑄件的金屬中溶解，而氧化薄膜增加金屬對鑄型的浸潤性，結果濕潤角迅速減小。金屬氧化的媒介可以使氧、水蒸氣、二氧化碳等，這些介質在鑄型中是始終存在的。鑄件表面的氧化程度主要取決于鑄型內氣氛的組成，型內氧化特性的變化與型砂的水分和組成有關。

    由高鎳鉻合金鋼澆注的鑄件粘砂很少，因為這些鋼與碳鋼相比，氧化傾向小，形成的鉻氧化物不與鑄型材料發生反應。相反，高錳鋼澆注的鑄件粘砂則十分嚴重，這是因為鐵錳氧化物的化學活性更大。

由于鐵的氧化，在鑄型表面形成了一層氧化薄膜，靠近金屬的連接層由FeO組成，中間是Fe3O4，最外層是由Fe2O3組成。Fe2O3層通常很薄，采用X射線衍射都發現不了。FeO層分為兩個部分：一部分附在氧化鐵皮的表面上，另一部分留在金屬上，在鑄件冷卻時，FeO轉變成Fe3O4和Fe2O3。因此在澆注金屬液后鑄型所具有的實際溫度下，鑄件表面生成的鐵的氧化物主要是FeO和Fe3O4，它們與造型材料相互作用，導致了化學粘砂。

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           2021年8月16日