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     鑄造表面粗糙度是指經(jīng)過(guò)清理粘附砂粒后鑄造表面上具有較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性。它不包括粘砂、氣孔和砂眼等表面缺陷。

    鑄造表面質(zhì)量不但直接影響著產(chǎn)品的外觀，而且還影響鑄造表面的油漆、電鍍質(zhì)量以及機(jī)器的精度、壽命和能耗。本文就鑄造表面粗糙度的形成機(jī)理、影響因素、評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及其測(cè)量方法進(jìn)行討論。

    在鑄造過(guò)程中，由于金屬液與鑄型型腔表面直接接觸，使金屬液與鑄型內(nèi)殼層之間產(chǎn)生相互作用。它包括熱作用、機(jī)械作用和物理化學(xué)作用。因此，影響鑄造表面粗糙度的因素比較復(fù)雜。下面以砂型鑄造為例，對(duì)粗糙度的影響因素作一分析。

1、Ra與型砂顆粒大小的關(guān)系

    鑄造表面是在砂型表面上形成的，其粗糙度與砂型表面粗糙度有直接關(guān)系。金屬液因靜壓力的作用，滲入砂粒的空隙。型砂顆粒越大，砂型表面的孔隙度也越大，鑄造表面就越粗糙。如用HT250鑄鐵在1450℃溫度下澆鑄，當(dāng)面砂為200號(hào)（篩孔尺寸為0.074mm）砂時(shí)，鑄造表面最光滑，輪廓的算術(shù)平均偏差Ra≈6μm；用20號(hào)（篩孔尺寸為0.84mm）砂作面砂時(shí)，鑄造表面最粗糙，Ra≈80μm，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖中D均為砂粒平均直徑。從圖中可以看出，Ra值約為砂粒平均直徑的十分之一。大量的試驗(yàn)表明，砂型鑄鐵鑄造表面粗糙度的Ra值約為型砂平均直徑的1/12-1/6。一般機(jī)械的中、小鑄件大都采用70/140號(hào)細(xì)粒砂制型，其Ra值為10-30μm。

    型砂由多種原材料制成，如應(yīng)用最廣泛的粘土型砂就是由造型砂、造型粘土、附加物及水按一定比例配制而成的。粘土和水形成的粘土膠體以薄膜形式復(fù)蓋在砂粒表面，把砂粒相互聯(lián)結(jié)起來(lái)，適當(dāng)調(diào)整型砂的配制比例對(duì)表面粗糙度有一定的影響。此外，加入適量的煤粉等附加物，可提高鑄造表面的光滑程度。這是因?yàn)槊悍墼?00℃以上的溫度時(shí)，發(fā)揮物分解后會(huì)在金屬和砂型分界面上形成光澤碳層。

2、Ra與澆注溫度及壁厚的關(guān)系 

    當(dāng)澆注溫度越高，鑄件壁厚愈厚時(shí)，則金屬液在鑄型表面保持液態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，金屬液的流動(dòng)性就越好，因而滲入孔隙內(nèi)的金屬液也越多，且金屬不易冷凝，其滲入深度也大。當(dāng)澆鑄溫度超過(guò)某一臨界值時(shí)，由于熱力和化學(xué)粘砂嚴(yán)重，粗糙度值急劇增加。圖2為不同溫度的鋼液在石英砂型中澆鑄時(shí)鑄造表面粗糙度的變化情況。

3、Ra與砂型緊密度的關(guān)系 

    砂型緊密度增大時(shí)，質(zhì)點(diǎn)間的距離越近，砂粒表面粘土薄膜接觸面積增大，使砂粒間空隙減少而聯(lián)接更為緊密，這時(shí)，濕強(qiáng)度提高，金屬滲入砂型的深度減小，但在緊密度達(dá)到某一數(shù)值以后，滲入深度就不再減小。減少金屬滲入深度最有效的壓緊范圍是67－100N/cm2。

    此外，粗糙度值還與鑄型表面材料的導(dǎo)熱性能及鑄型中產(chǎn)生的氣體壓力等因素有關(guān)。

    但是，不少人認(rèn)為鑄造表面比鑄型表面更為粗糙。然而，試驗(yàn)結(jié)果表明，鑄造表面一般要比鑄型表面光滑。這是因?yàn)榻饘僖翰⒎峭耆M(jìn)入鑄型表面空隙。其升降高度與毛細(xì)管中液體的表面張力相平衡。毛細(xì)管阻力的大小取決于液體的表面張力、密度和毛細(xì)管的半徑等。即毛細(xì)管半徑愈小，其阻力愈大，金屬愈不易滲入，只有當(dāng)金屬液超出臨界壓力時(shí)才能進(jìn)入砂?？紫丁ｈT造表面的峰谷一般比鑄型表面平緩。實(shí)驗(yàn)表明，鑄造表面粗糙度值約比鑄型表面小10-30%。

    在控制與提高鑄造表面質(zhì)量的過(guò)程中，確定表面粗糙度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)與尋求合理的測(cè)量方法是個(gè)十分重要的問(wèn)題。

    表面粗糙度是由一系列不同高度和間距的峰谷組成，一般在外觀上總會(huì)帶有加工方的特征。如：使用切削工具加工的表面往往帶有均勻間距和清晰的刀具痕跡，而砂型鑄造的原始（鑄態(tài)）表面為不帶溝紋的顆粒狀表面，經(jīng)清整后的鑄造表面則為不帶溝紋的無(wú)規(guī)律的波紋表面，且在其表面上有或多或少近似圓形的、無(wú)規(guī)律的隆起或凹坑。

    鑄造表面粗糙度的表征參數(shù)廣泛采用輪廓算術(shù)平均偏差Ra、微觀不平度十點(diǎn)高度Rz和輪廓最大高度Ry。表征參數(shù)Ra能較好地反映表面微觀幾何形狀的特征，且可以從測(cè)量?jī)x器上直接讀數(shù)，不易受測(cè)量者主觀因素的影響，因此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織把它作為主要的評(píng)定指標(biāo)。

    評(píng)定鑄造表面粗糙度有兩種方式：一種是采用儀器進(jìn)行測(cè)量；一種是與鑄造表面粗糙度比較樣塊進(jìn)行比較。

    各種不同的鑄造表面特征所使用的儀器和測(cè)量方法：

    A 觸針?lè)ㄓ糜谳喞獌x測(cè)量；

    D 光切法用于光切顯微鏡測(cè)量；

    E 投影法用于工具顯微鏡或投影儀測(cè)量；

    F 描點(diǎn)法用于測(cè)微儀測(cè)量；

    H 切片法采用金相顯微鏡測(cè)量。

    輪廓記錄儀測(cè)量粗糙度能反映鑄造表面輪廓的圖象，有利于作工藝分析，國(guó)內(nèi)已研制了“鑄造表面粗糙度測(cè)量?jī)x（記錄儀）”。對(duì)于粗糙度值較大的鑄件表面，在缺乏儀器時(shí)，采用打點(diǎn)法描繪輪廓曲線可取得良好的效果。其方法是：將被測(cè)鑄件安放在工具顯微鏡或其它有測(cè)微移動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作臺(tái)上，橫向移動(dòng)位置利用測(cè)微機(jī)構(gòu)讀數(shù)；對(duì)表面凸峰與凹谷的縱向距離可采用讀數(shù)值為1μm的測(cè)微表讀數(shù)，觸針與測(cè)微表鋼性聯(lián)結(jié)，測(cè)量時(shí)點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離越小，即工作臺(tái)每次移動(dòng)的距離越小，則測(cè)量結(jié)果越趨于準(zhǔn)確。通常，橫向移動(dòng)的距離（即點(diǎn)與點(diǎn)之間每次移動(dòng)的距離）應(yīng)小于縱向移動(dòng)距離的十分之一。測(cè)試結(jié)果表明，該方法與輪廓記錄儀相比，其相差一般小于10℃%。

    值得注意的是，測(cè)量中采用不同的表征參數(shù)，可能得到不同的結(jié)果，這是因?yàn)楸砻孑喞螤畈煌瑫r(shí)，Rz（Ry）和Ra的比值也不一樣。當(dāng)表面輪廓幾何形狀為三角形時(shí)Rz/Ra=4；為矩形時(shí)Rz/Ra=2；為凸拋物線時(shí)Rz/Ra=3.91；為凹拋物線時(shí)Rz/Ra=4.67；為正弦曲線時(shí)Rz/Ra=3.15。據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在切削加工表面中，在▽6以下（包括▽6）時(shí)Rz/Ra≈4；在▽7以下（包括▽7）時(shí)Rz/Ra≈5。鑄造表面輪廓的幾何形狀很不規(guī)則，其Rz（Ry）和Ra之間更難有恰當(dāng)?shù)膿Q算關(guān)系。通過(guò)50個(gè)砂型鑄造表面進(jìn)行試驗(yàn)，Rz（Ry）與Ra的比值在3與8之間變動(dòng)。Rz與Ra的平均比值為4.7，Ry與Ra的比值為5.8。這僅是一個(gè)近似換算關(guān)系，可供要求不嚴(yán)格時(shí)參考使用。

    鑄造表面一般紋理不規(guī)則，因此，僅僅測(cè)量幾條輪廓線不能正確評(píng)定其表面的粗糙度值，而采用儀器測(cè)量又顯得十分麻煩。為此，國(guó)內(nèi)外普遍以特定合金材質(zhì)和鑄造方法的鑄造表面粗糙度比較樣塊，通過(guò)視覺和觸覺來(lái)評(píng)定表面粗糙度。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)頒布了鑄造表面粗糙度樣塊標(biāo)準(zhǔn)ISO2632/Ⅲ。在該標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)粗糙度比較樣塊的適應(yīng)范圍、參照標(biāo)準(zhǔn)、制造精度和表面特征等都作了明確規(guī)定，見表2。我國(guó)頒布的鑄造表面粗糙度比較樣塊標(biāo)準(zhǔn)，其名詞術(shù)語(yǔ)、評(píng)定方法、取樣長(zhǎng)度、制造精度等實(shí)質(zhì)性技術(shù)指標(biāo)與ISO標(biāo)準(zhǔn)完全等效，只是由于受檢測(cè)條件的限制在評(píng)定參數(shù)方面，國(guó)標(biāo)中部分選用Rz，對(duì)樣塊增加了色澤要求以及對(duì)樣塊最小尺寸作了部分修改。

表2 比較樣塊粗糙度等級(jí)范圍 

    我們按照《ISO2632/Ⅲ》的標(biāo)準(zhǔn)制成功砂型鑄造表面粗糙度比較樣塊，并已通過(guò)鑒定。表3為該樣塊的測(cè)試結(jié)果。它具有以下的特點(diǎn)：

表3 鑄造表面粗糙度樣塊測(cè)試結(jié)果 

    注：最后兩級(jí)為2個(gè)取樣長(zhǎng)度

    樣塊表面為砂型鑄鐵鑄造表面標(biāo)準(zhǔn)表面的復(fù)制陽(yáng)模，具有砂型鑄鐵鑄造表面的形貌，有良好的對(duì)比性。由于機(jī)械行業(yè)砂型鑄鐵鑄造表面粗糙的Ra值一般不大于100μm，因此每套樣塊按照ISO標(biāo)準(zhǔn)選用六個(gè)等級(jí)，其Ra值為3.2-100μm。

    樣塊重量輕，體積小，攜帶方便，便于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用。

    一個(gè)已知粗糙度值為Ra（或Rz）的鑄造樣塊表面，只有用來(lái)評(píng)定同一材質(zhì)和鑄造工藝的鑄造表面的粗糙度時(shí)才能獲得滿意的結(jié)果，否則可能帶來(lái)較大的評(píng)定誤差。筆者曾經(jīng)用A、B、C三種表面特征狀態(tài)不同的樣塊對(duì)砂型鑄鐵鑄造表面粗糙度作評(píng)定試驗(yàn)。參加評(píng)定的有鑄造技術(shù)人員、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝人員、鑄造和金屬切削加工檢驗(yàn)人員及計(jì)量人員等。樣塊A的母表面為砂粒表面；B為國(guó)外的鑄造表面粗糙度樣塊（未注明材質(zhì)和鑄造方法）；C為本廠按ISO2632/Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)研制的砂型鑄鐵鑄造表面粗糙度樣塊。評(píng)定結(jié)果表明：用樣塊A來(lái)比較評(píng)定時(shí)，評(píng)定結(jié)果平均偏低1.4級(jí)，即用它來(lái)評(píng)定砂型鑄鐵鑄造表面的粗糙度時(shí)，就有可能將粗糙度值不合格（太粗糙）的鑄件當(dāng)作合格品處理；用樣塊C來(lái)評(píng)定時(shí)，評(píng)定結(jié)果平均偏低0.1級(jí)，即用它來(lái)評(píng)定砂型鑄鐵鑄造表面粗糙時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生評(píng)定誤差。

    盡管三種樣塊相對(duì)應(yīng)等級(jí)與被測(cè)鑄造表面的粗糙度值（Ra≈12.5μm）基本相同（即剖面曲線峰谷的高度基本相同），但在單位長(zhǎng)度上峰谷分布的密度不一致，其中樣塊A峰谷分布最稠密，曲線輪廓的平均間距Sm=0.57mm；樣塊B峰谷分布最稀疏，Sm=2.12mm；樣塊C和被測(cè)鑄造表面基本相同，Sm值分別為1.08mm和1.15mm。試驗(yàn)分析表明，即使粗糙度值相同，但由于表面特征狀態(tài)不一致，給人們的感覺也不同，一般峰谷分布越稠密感覺越光滑?；谏鲜隼碛桑谑褂脴訅K來(lái)評(píng)定鑄造表面的粗糙度時(shí)，應(yīng)選用與該鑄件材質(zhì)及鑄造工藝相同或相近的樣塊。此外在評(píng)定粗糙度時(shí)，還應(yīng)注意使樣塊與被評(píng)定的鑄造表面兩者的光線照射條件相同，以避免由于光照條件的差異而帶來(lái)評(píng)定誤差。

    鑄造表面粗糙度的評(píng)定工作是我國(guó)鑄造生產(chǎn)中一項(xiàng)亟待解決的重要課題，希望通過(guò)本文的發(fā)表能引起進(jìn)一步的討論研究，以促進(jìn)鑄件表面質(zhì)量的提高。