消失模鑄造過程中型砂對負(fù)壓度的影響

■ 潘鳳英，楊爭光，扈廣麒

1. 概述

消失模鑄造技術(shù)具有低成本、低勞動(dòng)強(qiáng)度、高表面質(zhì)量及清潔的鑄造生產(chǎn)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是代表著21世紀(jì)鑄造發(fā)展方向的一項(xiàng)革命性的技術(shù)。由于其大幅簡化了造型工藝及設(shè)備，因此消失模鑄造技術(shù)的投資僅為普通砂型鑄造機(jī)械化生產(chǎn)投資的30%～70%。

但是，合理的負(fù)壓系統(tǒng)是消失模鑄造工藝取得成功的前提。消失模鑄件產(chǎn)生的粘砂、漲箱、塌箱等缺陷均與負(fù)壓系統(tǒng)有很大的關(guān)系，消失模鑄件的缺陷中，有60%的缺陷與負(fù)壓相關(guān)。由此可見，負(fù)壓系統(tǒng)在負(fù)壓鑄造技術(shù)中是至關(guān)重要的，因此如何設(shè)計(jì)出優(yōu)良的負(fù)壓系統(tǒng)，即成為成功應(yīng)用消失模鑄造技術(shù)的關(guān)鍵。

2. 負(fù)壓系統(tǒng)在負(fù)壓鑄造中的重要性

負(fù)壓系統(tǒng)在消失模鑄造過程中起如下作用：

（1）對振動(dòng)緊實(shí)的型砂有二次緊實(shí)作用，提高砂粒間的靜摩擦力。

（2）為負(fù)壓砂箱制造均衡的負(fù)壓場，使干砂在大氣壓力下定型。

（3）澆注時(shí)，將泡沫汽化過程產(chǎn)生的氣體吸走，保證澆注順利進(jìn)行。

在實(shí)踐生產(chǎn)中通常使用參數(shù)“負(fù)壓度”對負(fù)壓系統(tǒng)進(jìn)行評測。

負(fù)壓對鑄件質(zhì)量的影響：負(fù)壓度太小時(shí)，鑄件出現(xiàn)的缺陷有皺皮、炭黑、黏結(jié)、粘砂、增碳、氣孔、澆不足及冷隔等缺陷；負(fù)壓度過大時(shí)，鑄件出現(xiàn)的缺陷有白斑、白點(diǎn)、夾白、針刺、節(jié)瘤及粘砂等缺陷。經(jīng)過實(shí)踐生產(chǎn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，負(fù)壓度為-0.04~-0.06MPa較為合理。圖1是負(fù)壓度與鑄件缺陷的關(guān)系。

3. 型砂對負(fù)壓度的影響

負(fù)壓度主要取決于負(fù)壓系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)壓系統(tǒng)確定后，負(fù)壓度則主要受造型、澆注過程原輔材料的影響。本文主要圍繞型砂對負(fù)壓度的影響開展，而型砂參數(shù)中的型砂粒度、粒度分布、緊實(shí)率這三項(xiàng)指標(biāo)對負(fù)壓度有著顯著的影響。

（1）型砂粒度對負(fù)壓度的影響 為了驗(yàn)證型砂粒度對負(fù)壓度的影響，設(shè)計(jì)了表1中的試驗(yàn)方案進(jìn)行對比。試驗(yàn)的內(nèi)容是采用表1中的三種方案分別進(jìn)行澆注，觀察鑄型內(nèi)負(fù)壓度的變化。

從圖2不同澆注時(shí)間下型砂粒度與負(fù)壓度關(guān)系中可見，采用較大粒度（即砂粒度0.900mm）的型砂在開始澆注的瞬間，鑄型內(nèi)負(fù)壓度下降較快。這表明模樣消失后，型腔內(nèi)外壓差減少。大粒度型砂的透氣性優(yōu)于小粒度型砂的透氣性，消失模燃燒產(chǎn)生的大量氣體依靠大粒度的高透氣性型砂瞬間導(dǎo)出，可避免鑄型塌箱、嗆火等問題。

圖1 負(fù)壓度與鑄件缺陷關(guān)系

（2）型砂粒度分布對負(fù)壓度的影響 單一砂粒度固然容易控制，但在實(shí)踐生產(chǎn)中單一砂粒度型砂進(jìn)行負(fù)壓鑄造時(shí)問題也很突出。大粒度型砂透氣性好但表面質(zhì)量差，凹槽、窩角部位粘砂嚴(yán)重；小粒度型砂表面光潔但透氣性差，易塌箱，鑄件成品率低。因此，提出使用不同粒度配比的型砂，在滿足鑄件表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上保證了型砂的透氣性，使?jié)沧⑦^程中負(fù)壓度仍能滿足要求。為此安排了如表2所示的單一粒度和混合粒度型砂的試驗(yàn)方案。

按照表2方案進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了之前提出的“使用不同粒度配比的型砂”的理論推測是正確的，混合粒度的型砂澆注過程中的負(fù)壓度波動(dòng)在兩種單一粒度型砂范圍之間。不同澆注時(shí)間、不同種類型砂與負(fù)壓度的關(guān)系如圖3所示。

但是需要特別提出的是，如果型砂中小粒度的砂粒過多（微粉、微粒），將會嚴(yán)重影響負(fù)壓度。這是因?yàn)樵谡駝?dòng)緊實(shí)過程中小粒度砂粒大量附著在模樣表面，形成了以模樣表面為起點(diǎn)向外輻射的不均衡的型砂粒度梯度，澆注時(shí)負(fù)壓度也會受到嚴(yán)重影響，造成鑄型塌箱缺陷。

（3）型砂緊實(shí)率對負(fù)壓度的影響 鑄件型壁增厚值是衡量型砂緊實(shí)率的重要指標(biāo)，而振動(dòng)時(shí)間是型砂緊實(shí)率的重要影響因素。型砂緊實(shí)率又直接作用于負(fù)壓度?，F(xiàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案驗(yàn)證型砂緊實(shí)率與負(fù)壓度之間的關(guān)系，具體如表3、表4所示。

按照表3、表4的試驗(yàn)方案，生產(chǎn)試樣，打箱后對試樣進(jìn)行檢測，結(jié)論如下：

第一，鑄件型壁增厚值隨著振動(dòng)時(shí)間的增加而減小。這是因?yàn)橄ｈT造技術(shù)中型砂的抗壓強(qiáng)度取決于型砂的堆積密度和型砂顆粒之間的緊實(shí)力的大?。ㄘ?fù)壓度決定）。而型砂的堆積密度和型砂顆粒間的緊實(shí)力是由型砂顆粒層的填充結(jié)構(gòu)決定的，所謂顆粒層填充結(jié)構(gòu)是指粉體層內(nèi)顆粒的空間排列狀態(tài)，這種空間排列狀態(tài)受顆粒間相互作用力及充填條件等因素的影響。從圖4中可以看出通過增加振動(dòng)時(shí)間能有效提高充填密度，從而增強(qiáng)型砂的抗壓強(qiáng)度。

鑄件型壁增厚值隨著負(fù)壓度的增大而減小。這一方面是因?yàn)楫?dāng)負(fù)壓度較小時(shí)，砂型表面承壓增大，使金屬液對型壁的作用效果顯著；另一方面負(fù)壓度對型壁的緊實(shí)作用減弱，使型壁易于移動(dòng)，如圖5所示。

圖2 不同澆注時(shí)間下型砂粒度與負(fù)壓度的關(guān)系

圖3 不同澆注時(shí)間不同種類型砂與負(fù)壓度的關(guān)系

圖4 振動(dòng)時(shí)間與鑄件型壁增厚值的關(guān)系

表1 型砂粒度對負(fù)壓度影響的試驗(yàn)方案

表2 型砂粒度對負(fù)壓度試驗(yàn)方案

表3 型砂緊實(shí)度與鑄件型壁增厚值關(guān)系試驗(yàn)方案

表4 負(fù)壓度與鑄件型壁增厚值關(guān)系試驗(yàn)方案

第二，隨著振動(dòng)時(shí)間的增加，初始設(shè)定-0.06MPa負(fù)壓度在澆注過程中呈現(xiàn)波動(dòng)減小的趨勢，如圖6所示。

綜上所述，隨著型砂緊實(shí)度的增加，負(fù)壓度的波動(dòng)趨于平緩。

圖6 負(fù)壓度波動(dòng)與澆注時(shí)間的關(guān)系

圖5 負(fù)壓度與鑄件型壁增厚值的關(guān)系

4. 結(jié)語

（1）型砂粒度對負(fù)壓度有一定影響，采用較大粒度（即砂粒度20目）的型砂在開始澆注的瞬間鑄型負(fù)壓度下降較快，反之亦然。

（2）型砂粒度混合比例對負(fù)壓度有影響，混合粒度的型砂澆注過程中的負(fù)壓度波動(dòng)在兩種單一粒度型砂范圍之間。

（3）振動(dòng)時(shí)間對負(fù)壓度波動(dòng)有影響，隨著型砂緊實(shí)度的增加，負(fù)壓度的波動(dòng)趨于平緩。