V法鑄造缺陷爛砂的原因分析與控制措施

牛德良，汪大新

（合肥鑄鍛廠，安徽合肥 230601）

V法鑄造是一種真空密封造型鑄造工藝，其原理是在砂箱內(nèi)填充不含黏結(jié)劑的干砂作為型砂，型砂的外表面與內(nèi)腔表面都以塑料薄膜遮蔽（密封），用真空泵將鑄型中砂粒間隙內(nèi)的空氣抽出，使鑄型呈負(fù)壓（真空）狀態(tài)。由于型砂被薄膜所包覆，于是有一個(gè)與大氣壓的差壓加在其上。砂粒之間產(chǎn)生了摩擦力以保持鑄型形狀的穩(wěn)定[1]。

V法鑄造采用干砂造型，而干砂鑄型中沒(méi)有黏結(jié)劑，所以其對(duì)充型及凝固過(guò)程中液態(tài)金屬及鑄件的約束作用受干砂緊實(shí)度、負(fù)壓度、型腔結(jié)構(gòu)、金屬液引入位置、金屬液靜壓頭及澆注溫度、速度等因素的影響。當(dāng)某些因素不滿足要求時(shí)，就可能造成鑄型變化[2]。同其他鑄造方法一樣，V法鑄造也伴有夾砂、縮松、縮孔等鑄造缺陷的發(fā)生。但V法鑄造有一種缺陷鑄型坍塌或局部爛砂缺陷是其他鑄造方式中不常見的。爛砂是鑄型在澆注過(guò)程中型砂脫落導(dǎo)致鑄件缺肉的一種鑄造缺陷。下面就對(duì)爛砂或坍塌缺陷形成的機(jī)理及控制措施進(jìn)行分析。

1 V法鑄型的平衡條件分析[2-4]

V法鑄造鑄型型腔在充型過(guò)程中存在兩個(gè)區(qū)域。依次為液態(tài)金屬區(qū)、氣隙區(qū)。它們與干砂分別形成干砂—液態(tài)金屬界面、干砂—?dú)庀督缑?。在凝固期間只存在液態(tài)金屬區(qū)（或液固兩相區(qū)）相應(yīng)地只有干砂—液態(tài)金屬界面。干砂—液態(tài)金屬界面和干砂—?dú)庀督缑嬖诔湫图澳唐陂g是否穩(wěn)定決定了型壁是否產(chǎn)生移動(dòng)、鑄型是否坍塌。下面分析這兩種界面穩(wěn)定條件。

圖1 中在干砂—液態(tài)金屬界面上任一點(diǎn)A處同時(shí)受到液態(tài)金屬的壓力P1，砂型壓力P2的作用。要使該處干砂處于穩(wěn)定狀態(tài)必須保證P2≥P1，否則干砂將產(chǎn)生移動(dòng)，使型壁向后退，引起增厚、脹砂、坐箱等缺陷。

由流體力學(xué)知，P1的產(chǎn)生是由于液態(tài)金屬靜壓力υZ1和液態(tài)金屬頂部氣隙中的氣體壓力P3共同形成的；由粉體力學(xué)原理知，砂型的壓力因此充型過(guò)程中，干砂—液態(tài)金屬界面穩(wěn)定條件為

式中：Z2——A點(diǎn)距干砂頂面的高度；

Vn——干砂堆積密度；

圖1 V法鑄造充型過(guò)程示意圖

υ——液態(tài)金屬密度；

Z1——A點(diǎn)與金屬液頂面的距離。

滿足上式可有效的防止增厚、坐箱、脹砂等型壁移動(dòng)缺陷。

干砂——?dú)庀督缑娣€(wěn)定性條件：

式中：ρ——型砂密度；

g——重力加速度；

Po——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

式（1）、式（2）反映了幾種力間的平衡關(guān)系，這些力受諸多因素影響，其中尤以氣隙壓力P3的影響因素復(fù)雜，而且這些因素對(duì)各種力的影響具有交互作用。另外這兩種穩(wěn)定性條件對(duì)某一種力的要求不同，甚至相反。如P3越小，干砂-液態(tài)金屬界面越穩(wěn)定，但干砂-氣隙界面卻越不穩(wěn)定。

2 V法鑄造爛砂的控制措施

2.1 鑄型真空度（負(fù)壓度）的控制

V法鑄型由于采用干砂、含水量低、不加黏結(jié)劑，所以砂型的強(qiáng)度以及澆注過(guò)程中維持鑄型穩(wěn)定都完全依賴于真空度來(lái)維持。V法鑄造控制鑄型的真空度主要通過(guò)：a）防止工裝漏氣，工裝漏氣是導(dǎo)致個(gè)別砂型強(qiáng)度不足而坍塌的主要原因之一；b）系統(tǒng)真空度不足，這得從提高系統(tǒng)的抽氣量著手，提高抽氣速度，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證鑄型在造型和澆注中的強(qiáng)度，避免坍塌和爛砂缺陷。

2.2 合適的冒口設(shè)置

V法鑄造一般使用大氣貫通冒口，在型腔內(nèi)外，必須不間斷地保持一定的壓差。因此，在澆注過(guò)程中，當(dāng)金屬液充滿型腔前，為使未被金屬液填充的部分穩(wěn)定即干砂——?dú)庀督缑娴姆€(wěn)定。就必須保持該部分型腔始終與大氣相通，這就要慎重的考慮通氣冒口了。因?yàn)檫@樣是防止壓差過(guò)分波動(dòng)而造成爛砂或坍塌等缺陷發(fā)生的重要措施。同時(shí)，在V法鑄造中冒口也是防止氣孔缺陷發(fā)生的有效措施。原則上V法鑄造的冒口設(shè)置在鑄型型腔的最高處，這樣可以在整個(gè)澆注過(guò)程中使保持型腔與大氣相通。對(duì)鑄型中局部突起處，并且突起的高度低于鑄型最高處時(shí)，該部位易被澆注時(shí)上升的金屬液面堵截而隔斷與大氣的通道，從而造成爛砂的危險(xiǎn)，此時(shí)亦應(yīng)在該突起處的頂部設(shè)置通氣冒口。

2.3 V法中平板類鑄件防止?fàn)€砂的措施

平板類鑄件由于澆注時(shí)液面上升速度慢，上型受烘烤的時(shí)間長(zhǎng)，在V法薄膜燒失后，砂型的平衡受到破壞。在型砂自重的作用下，極易產(chǎn)生爛砂或坍塌。除提高真空度和澆注速度以外，一種有效的防止平板類鑄件澆注過(guò)程爛砂或坍塌的方法是使用型撐，以提高上型的平衡穩(wěn)定性。

2.4 澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件爛砂的影響

V法對(duì)澆注系統(tǒng)的要求要高于其他鑄造方法。因?yàn)閂法澆注速度快了易造成鐵液沖垮砂型，慢了易造成砂型的坍塌。因?yàn)閂法鑄造的鑄型強(qiáng)度較傳統(tǒng)鑄型低、抗沖擊性較差，所以要合理制定澆注工藝，在開設(shè)澆注系統(tǒng)時(shí)盡量選用半封閉式澆注系統(tǒng)，其澆道截面積比例為：F內(nèi)∶F模∶F直=1∶（1.5～2）∶（1～1.3）較為適宜[5]。合理的澆注速度是避免產(chǎn)生爛砂的關(guān)鍵。同時(shí)，冒口的斷面積與內(nèi)澆口的總面積要保持合適比例。

3 小 結(jié)

通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)，可有效的防止或減少V法鑄造發(fā)生爛砂或坍塌缺陷。對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)效益，減少?gòu)U品損失，具有重要作用。也一定能更好的發(fā)揮V法鑄造的優(yōu)勢(shì)。

［1］汪大新.V法密封鑄造生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2004（4）：32.

［2］袁龍蔚.流變力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1986.

［3］武曉峰.消失模鑄造充型與凝固期間型壁移動(dòng)機(jī)理的研究［J］.鑄造，2002（3）：162-166.

［4］解明國(guó).干砂粒度、粒度分布、緊實(shí)率和真空度對(duì)V法造型的影響［J］.鑄造，2004（12）：1053-1054.