V法铸造缺陷烂砂的原因分析与控制措施

2013-11-20牛德良汪大新

铸造设备与工艺 2013年2期

牛德良，汪大新

（合肥铸锻厂，安徽合肥 230601）

V法铸造是一种真空密封造型铸造工艺，其原理是在砂箱内填充不含黏结剂的干砂作为型砂，型砂的外表面与内腔表面都以塑料薄膜遮蔽（密封），用真空泵将铸型中砂粒间隙内的空气抽出，使铸型呈负压（真空）状态。由于型砂被薄膜所包覆，于是有一个与大气压的差压加在其上。砂粒之间产生了摩擦力以保持铸型形状的稳定[1]。

V法铸造采用干砂造型，而干砂铸型中没有黏结剂，所以其对充型及凝固过程中液态金属及铸件的约束作用受干砂紧实度、负压度、型腔结构、金属液引入位置、金属液静压头及浇注温度、速度等因素的影响。当某些因素不满足要求时，就可能造成铸型变化[2]。同其他铸造方法一样，V法铸造也伴有夹砂、缩松、缩孔等铸造缺陷的发生。但V法铸造有一种缺陷铸型坍塌或局部烂砂缺陷是其他铸造方式中不常见的。烂砂是铸型在浇注过程中型砂脱落导致铸件缺肉的一种铸造缺陷。下面就对烂砂或坍塌缺陷形成的机理及控制措施进行分析。

1 V法铸型的平衡条件分析[2-4]

V法铸造铸型型腔在充型过程中存在两个区域。依次为液态金属区、气隙区。它们与干砂分别形成干砂—液态金属界面、干砂—气隙界面。在凝固期间只存在液态金属区（或液固两相区）相应地只有干砂—液态金属界面。干砂—液态金属界面和干砂—气隙界面在充型及凝固期间是否稳定决定了型壁是否产生移动、铸型是否坍塌。下面分析这两种界面稳定条件。

图1 中在干砂—液态金属界面上任一点A处同时受到液态金属的压力P1，砂型压力P2的作用。要使该处干砂处于稳定状态必须保证P2≥P1，否则干砂将产生移动，使型壁向后退，引起增厚、胀砂、坐箱等缺陷。

由流体力学知，P1的产生是由于液态金属静压力υZ1和液态金属顶部气隙中的气体压力P3共同形成的；由粉体力学原理知，砂型的压力因此充型过程中，干砂—液态金属界面稳定条件为

式中：Z2——A点距干砂顶面的高度；

Vn——干砂堆积密度；

图1 V法铸造充型过程示意图

υ——液态金属密度；

Z1——A点与金属液顶面的距离。

满足上式可有效的防止增厚、坐箱、胀砂等型壁移动缺陷。

干砂——气隙界面稳定性条件：

式中：ρ——型砂密度；

g——重力加速度；

Po——标准大气压。

式（1）、式（2）反映了几种力间的平衡关系，这些力受诸多因素影响，其中尤以气隙压力P3的影响因素复杂，而且这些因素对各种力的影响具有交互作用。另外这两种稳定性条件对某一种力的要求不同，甚至相反。如P3越小，干砂-液态金属界面越稳定，但干砂-气隙界面却越不稳定。

2 V法铸造烂砂的控制措施

2.1 铸型真空度（负压度）的控制

V法铸型由于采用干砂、含水量低、不加黏结剂，所以砂型的强度以及浇注过程中维持铸型稳定都完全依赖于真空度来维持。V法铸造控制铸型的真空度主要通过：a）防止工装漏气，工装漏气是导致个别砂型强度不足而坍塌的主要原因之一；b）系统真空度不足，这得从提高系统的抽气量着手，提高抽气速度，增加系统的稳定性，保证铸型在造型和浇注中的强度，避免坍塌和烂砂缺陷。

2.2 合适的冒口设置

V法铸造一般使用大气贯通冒口，在型腔内外，必须不间断地保持一定的压差。因此，在浇注过程中，当金属液充满型腔前，为使未被金属液填充的部分稳定即干砂——气隙界面的稳定。就必须保持该部分型腔始终与大气相通，这就要慎重的考虑通气冒口了。因为这样是防止压差过分波动而造成烂砂或坍塌等缺陷发生的重要措施。同时，在V法铸造中冒口也是防止气孔缺陷发生的有效措施。原则上V法铸造的冒口设置在铸型型腔的最高处，这样可以在整个浇注过程中使保持型腔与大气相通。对铸型中局部突起处，并且突起的高度低于铸型最高处时，该部位易被浇注时上升的金属液面堵截而隔断与大气的通道，从而造成烂砂的危险，此时亦应在该突起处的顶部设置通气冒口。

2.3 V法中平板类铸件防止烂砂的措施

平板类铸件由于浇注时液面上升速度慢，上型受烘烤的时间长，在V法薄膜烧失后，砂型的平衡受到破坏。在型砂自重的作用下，极易产生烂砂或坍塌。除提高真空度和浇注速度以外，一种有效的防止平板类铸件浇注过程烂砂或坍塌的方法是使用型撑，以提高上型的平衡稳定性。

2.4 浇注系统对铸件烂砂的影响

V法对浇注系统的要求要高于其他铸造方法。因为V法浇注速度快了易造成铁液冲垮砂型，慢了易造成砂型的坍塌。因为V法铸造的铸型强度较传统铸型低、抗冲击性较差，所以要合理制定浇注工艺，在开设浇注系统时尽量选用半封闭式浇注系统，其浇道截面积比例为：F内∶F模∶F直=1∶（1.5～2）∶（1～1.3）较为适宜[5]。合理的浇注速度是避免产生烂砂的关键。同时，冒口的断面积与内浇口的总面积要保持合适比例。