V法铸造用型砂选择及砂温控制

huagong

摘要：通过对V法铸造用型砂的种类及化学成分、含泥量、粒度组成、角形因数、含水量等技术参数对铸造工艺、砂处理设备、真空设备和工艺装备设计的影响，以及对生产成本、产品质量、健康和环保控制等诸多方面的影响和分析， 依据V法薄膜、V法铸造涂料满足V法铸造而不断提高性能、功用的现状，结合企业实际情况，合理选择V发铸造用型砂，实现硅砂+不同功用V法铸造涂料生产不同材质铸件的科学、经济的V法铸造工艺；通过生产实际，以及对砂处理设备设计、铸件质量控制的影响，分析砂温控制的科学性和适宜性。
关键词： V法铸造  型砂  砂温控制
1. 前言

对于V法铸造企业，结合企业生产和产品特点、V法铸造特性及其主辅材料的功用，通过不同型砂对铸造工艺、砂处理设备、真空设备和工艺装备设计的影响，以及对生产成本、产品质量、健康和环保控制等诸多方面的影响，根据涂料不同骨料组配的特性，合理地选择V法铸造用型砂；分析砂温对砂处理设备设计和铸件质量控制的影响，从而科学和适宜地进行砂温控制。在进行生产线方案和布局设计、工艺设计、工装模具设计之前，应根据工厂实际和产品类型及质量要求，进行V法铸造用型砂和砂温控制方面的设计，实现V法铸造的经济、高效、环保、安全、可靠的生产。
2.  V法铸造用型砂的选择

企业在确定立项前，除了组织进行工艺技术、工艺装备、设备及生产线方案的设计和评审外，应结合企业实际和产品要求，科学、经济地进行相关主辅材料的选择，主要是型砂、芯砂、薄膜和涂料，这其中也包括冒口、芯撑和冷铁等。以前，我们比较关注的是V法铸造的三个关键元素，即真空、V法铸造用EVA塑料薄膜和V法涂料，而对于型砂，则没有给予太过关注，系统的相关论述也相对较少。
一般情况下，大家基本上都是沿袭普通砂型铸造工艺和传统，习惯性地依据产品材质选择不同类型的砂子作为型砂。即是选择硅砂作为V法铸造用型砂，对其技术要求基本上也是处于一种笼统、甚至模糊的认知状态，考核的项目及指标的依据也不够全面。特别是近年来，不少企业推出了一些新型的非石英砂和人造砂，一些企业纷纷跟从，也有不少企业不知所从。

自从引进日本V法铸造工艺以来，国内关于型砂的研究实践及研究总结较少，或者论述比较简单，不够深入，甚至出现断章取义地引述。事实上，日本方面关于V法铸造用型砂进行了相当系统、详细的研究和总结。鉴于上述这些情况，结合自己的生产实践和理论掌握程度，对于V法铸造用型砂的选择进行如下的分析。
2.1  铸造用型砂的类型和特性

2.1.1  铸造用型砂的分类

铸造用原砂按基本成分构成来分类的话，分为硅砂（石英砂）和特种砂（即非石英砂）。
目前，铸造用原砂以硅砂（石英砂）为主。这是由于硅砂资源丰富、价格相对低廉，其性能可以满足一般铸件的要求。对于特殊用途的铸件或铸件特殊需要，普通硅砂不能很好地满足铸件质量要求，则需要采用特种砂作为原砂进行铸造生产。
硅砂（石英砂）按其来源和加工方式的不同，可以分为天然硅砂和人工硅砂两大类。天然硅砂按成矿条件和特点，又可分为山砂、河砂、湖砂、海砂、风积砂，而湖砂、海砂又可细分为海（湖）滩砂、沉积砂、堆积砂等。
特种砂（即非石英砂）分为石灰石砂（石灰石、大理石、白云石类型）、锆砂（锆英石砂）、镁砂、橄榄石砂、铬铁矿砂、钛铁矿砂、刚玉砂、耐火熟料（铝矾土砂、焦宝石砂、煤矸石砂）、碳质砂（石墨和焦炭）、钛渣（铬渣、钒渣）砂等。
2.1.2  铸造用型砂的特性

2.1.2.1  硅砂（石英砂）的特性
硅砂（石英砂）来源广，价格便宜，能够满足一般铸件的要求。
硅砂的矿物成分和化学成分直接影响砂子的耐火度、热化学稳定性和复用性，对铸件表面粘砂情况影响很大。
硅砂（石英砂）为酸性砂，易与液态金属中的碱性金属氧化物生成低熔点的硅酸盐，致使铸件粘砂。硅砂热膨胀很大，常使铸件产生夹砂。由于热应力的作用，砂粒易破碎变细，致使砂子的复用性下降。对于大型钢铸件，特别是合金钢铸件，硅砂（石英砂）则不能完全满足其要求，须采用特种砂或局部采用特种砂来满足铸件质量要求。
2.1.2.2  特种砂的特性
特种砂大都具有耐火度高、导热性好、热膨胀系数小、热化学稳定性好、抗熔渣侵蚀能力强的特点，不同的特种砂则分别具有酸性、碱性和中性的特点，可以根据铸件对型砂的特性需要进行选择。但是，由于多是经过选矿或焙烧加工的产品，价格较贵，资源比较短缺。特种砂主要用于合金钢或容易粘砂的碳钢铸件，特别是凝固慢、清砂难、易粘砂这类铸件。以及用于要求铸件尺寸稳定、热应力小的部位，使用特种砂利于保证铸件尺寸精度和消除裂纹缺陷。
2.2  V法铸造用型砂特性及分析

V法铸造工艺缘于普通砂型铸造，但是又有别于普通砂型铸造。所以，V法铸造用型砂的选用也同样有别于普通砂型铸造，不宜照搬照用。必须结合铸件的材质、形状大小、结构、铸造工艺、工艺装备设计、真空系统、砂处理设备、产量、产品质量要求、生产成本、安全环保等诸多方面进行科学、经济的分析和选择。
根据世界各国多年来对V法用型砂的研究成果，结合自己的V法工艺设计和生产实践，以下关于型砂特性的论断和总结对于V法用型砂的选用至关重要，汇总至此。
a) 硅砂震动6秒后，型砂的紧实度已基本达到最大值，再震动也不再有大的变化。
b) 型砂振实过程中，砂子粒度越大，型腔扩张越小，但大颗粒砂子易粘砂。
c) 生产铸铁件，最好采用中等透气性的砂子，铸钢件选用透气性较高的砂子较好。在透气性低的情况下，铸铁件中易产生侵入性气孔，而在铸钢件则由于表面窝气而使铸件表面不平整。
d) 采用有棱角的造型材料比用圆颗粒造型材料的跨型强度更高。圆形颗粒在一起时会有较大空隙。所以次棱角形的颗粒通常会更好一些，尖角形的砂子在振动时会阻止运动。砂粒形状应该选择次棱角形或圆形，尖角的砂尽量不要使用。
e) 细粒度型砂可使铸件获得较高的表面光洁度，并能防止金属液在真空作用下渗入砂粒间隙，造成铸件机械粘砂或毛刺；和粗砂比较，细砂制成的砂型的透气性差，浇注时薄膜烧失后，漏气量小，利于保持砂型内外压差；细的砂子意味着颗粒表面积增大，让粘土和涂料附着困难。
f) V法造型使用细砂能够保证铸件的表面光洁度，粗砂子则易产生毛刺。随着铸件壁厚的增加，毛刺越多，要得到表面光洁的厚壁铸件，解决的办法是把砂子和细粉混合。
g) 在砂子筛号分布方面，距离大的两种粒度的砂子的混合料，具有最佳的效果，但混合砂充填时易发生“偏析”，影响铸件质量；硅砂颗粒的大小和分布状况对硅砂的烧结点、热导率以及混合料的透气性、强度都有一定的影响；砂子粒度的分布倾向于适当分散，三筛集中率不宜过高，“三筛集中”、合理镶嵌原理的“双峰级配”和“五筛分布”效果较好。
h) 铸件较厚部分的渗透性直接与AFS（平均细度）数值相关，砂子的AFS为100或者更大时，金属无法渗透，但当粒度小于100时，将会在铸件的大部分发生渗透。铸铁或者有色合金所用砂的AFS粒度应该超过100，大型钢件中要求AFS粒度最小为63。砂子的AFS数与浇注温度成反比，也就是说，浇注温度越高，砂子越粗糙。
i) 铸型强度方面，从铸型表面到铸型的几何中心的方向上，铸型的真空度逐步降低，而且真空度越低，降低的梯度越小。
j) V法铸型的抗压强度、填充密度与负压度有关，也与砂子的粒形和粒度有关；圆形砂填充能力较高，但抗压强度低；棱形砂抗压强度较高，填充能力低；砂子粒度具有某种程度的角形对V法造型是比较适宜的；粗细砂粒配成的混合料，填充密度最大；增大激振频率可在短时间内得到高的填充密度。
k) 生产灰铁件时，要注意铸型冷却能力大带来对铸件的激冷效应。采用V法造型工艺生产薄壁铸铁件的白口倾向比湿型的大，而对于壁厚较厚的铸铁件呈现相反的规律。
l) 含泥量大的型砂降低砂型的透气性；颗粒粗、分布集中的原砂制备的混合料透气性好；粗砂的耐火度较细砂高。
m) 不同热传导率的型砂，其负压铸型的冷却能力不同，按硅砂、碳化硅砂、锆砂、钢丸和硅砂混合料、钢丸的顺序依次增加；但是，铸件的宏观组织和机械性能不受铸型冷却能力的影响。
n) 经过多次浇注使用的旧砂（即再生砂），其高温热膨胀量比新砂小；硅砂的二氧化硅含量越高，硅砂的耐火度也越高，硅砂的高温热膨胀量也相应增大，价格也相应提高。
o) V法造型铸件冷却的后期阶段，铸件冷却缓慢的原因是由于向铸型壁的散热强度随着真空度的提高和砂子粒度的减小而降低。若型砂中含有粘结剂，散热强度就提高，而造型材料中的水分对散热强度影响较小。
p) 当使用较重的砂子造型砂时，注意重量的增长，它对震动和起模会有不利影响。
q) 使用橄榄石，应在实际生产中密切控制，因为它的灼减要比硅石高15%。
r) V法铸型的冷却速度慢，并且石英砂和锆砂生产的两种试棒的凝固速度没有差别。这是因为在V法铸型中，没有水分、粘接剂和空气循环，铸件的热量主要通过铸件的暴露表面或邻近位置的砂子传到空气中。对于铸铁，采用V法浇注薄壁铸件，不出现碳化物；然而，在生产率高的情况下，V法较低的冷却速度将致使生产过程变慢。对于铸钢，较慢的冷却速度利于补缩，但凝固时间延长，将增加偏析。
s) 树脂涂料较易附着在砂子颗粒上，一般来说较高的温度像铁和钢的温度会使涂料烧掉，但对熔点的像铝、青铜等就不会出现这种情况，因而有必要加入一些新的砂子。
2.3  V法铸造用型砂的选择

鉴于上述试验总结和研究结论，V法铸造涂料的技术水平和市场供货现状，并结合V法工艺设计和生产实践，对于V法铸造用型砂的选择，建议从以下几个方面进行认真的分析，并做出合适的选择。
2.3.1  型砂种类的选择
根据2.2中m)和r)关于“不同热传导率型砂的负压铸型的冷却能力不同”和“V法铸型的冷却速度慢，并且石英砂和锆砂铸型生产的两种试棒的凝固速度没有差别”观点，以及其它研究结论，无论是铸铁件、铸钢件和有色金属铸件，在铸件没有特殊要求和V法铸造涂料能够满足要求的情况下，均可采用硅砂作为V法铸造用型砂（高锰钢除外）。
V法造型就是要采用更经济的手段生产比其它工艺更好的铸件，如果仍旧依照普通砂型铸造用砂的习惯来进行V法铸造用型砂的选择，那么，V法涂料的作用则又是什么呢？我们完全可以依照普通砂型铸造用砂的习惯来进行V法铸造涂料骨料的选配，用V法铸造涂料来满足不同材质铸件对于特种型砂的需求。实际上，我们的铸造涂料企业通过不断的实验和研究，早已研发出适用于不同材质铸件的不同骨料或不同骨料配比的V法铸造用涂料，各V法铸造企业也都在运用。比如，适用于V法铸铁件的各种石墨涂料，适用于V法铸钢件的各种锆英粉涂料和铝系、镁系、铝硅系、碳硅系、铬镁系复合涂料等。涂料的品种和性能已发生了革命性的改进，而型砂的选用方面还没有随之改变，仍旧处于V法铸造用涂料品种和性能单一的思维状态。
如果我们大量采用市场短缺、价格昂贵的特种砂作为V法铸造用型砂进行V法铸造生产，那么，除了增加型砂部分的成本外，由于比重和重量的缘故，真空系统能力、砂子输送设备能力、砂处理能力、除尘能力等均需加大设计，V法系统设备的造价将大大提升，能耗也同时增加；造型设备的举升和震动负荷均大大提高，设备费用自然提升。同时，铸型重量的增大将降低其跨型强度，增大起模难度和塌箱几率。
为了防止粘砂，亦可在铸件厚壁和热节处摆放特种砂；铸件的缩孔和缩松可以通过浇注系统设计、冒口和冷铁合理运用进行预防。完全没有必要采用特种砂来解决上述铸造缺陷，况且，采用特种砂也不能解决上述缺陷。同时，型砂和芯砂的不一致，砂处理和造型的难度进一步加大。
综上所述，在借助于V法铸造用涂料和在铸件厚壁、热节处摆放特种砂及其它防止措施的前提下，优先采用铸造硅砂作为V法铸造用型砂。
2.3.2  型砂成分的选择
鉴于铸造硅砂作为V法铸造用型砂，其SiO2的含量将影响其耐火度、硬度、破碎率及复用性能。
硅砂的二氧化硅含量越高，硅砂的耐火度也越高，硅砂的高温热膨胀量也相应增大，高温热膨胀破碎几率也高，其价格也相应提高。但是，硅砂的二氧化硅含量越高，硬度也越大，型砂在真空作用下破碎几率和输送过程的摩擦破碎几率也将降低。
根据硅砂二氧化硅含量高低的性能差异和研究结果，按照GB/T 9442《铸造用硅砂》和GB/T 26659《铸造用再生硅砂》关于硅砂二氧化硅含量分级规定，铸钢件V法铸造用型砂的含硅量应选择93～98级；对于铸铁件，V法铸造用型砂的含硅量可以降低至90级；对于有色金属铸件，V法铸造用型砂的含硅量可以降低至80级。
2.3.3  型砂颗粒形状及角形因数的选择
不同粒形的砂子，其抗压强度、填充密度、跨型强度和透气性不同，复用性也不同。
次棱角形颗粒造型材料比用圆颗粒造型材料的跨型强度更高；圆形颗粒有较大空隙，透气性好，填充能力较高，但抗压强度低；尖角形的在振动时会阻止运动，且易于挤压和磨损破碎；砂粒的粒形应选择次棱角形或圆形，但次棱角形的颗粒通常会更好一些，对V法造型是比较适宜的。
所以，综合各项性能及环保除尘的要求，V法铸造用型砂的粒形应选择符合GB/T 9442的钝角形，其角形系数≤1.45。
2.3.4  型砂的含泥量分级选择
型砂的含泥量大将降低砂型的透气性，将影响铸件质量，但散热强度将提高。
综合产品质量和健康、环保的需要，V法铸造用型砂的含泥量应选择不大于0.5级。
2.3.5  型砂的含水量选择
型砂含水量的大小影响型砂对V法铸型填充能力和填充密度，以及抗压强度和铸型硬度。除此之外，还容易产生气孔。在考虑铸型和铸件质量要求的前提下，参考型砂的生产实际，V法铸造用型砂的含水量应按≤1.5进行控制。
2.3.6  型砂的平均细度及粒度组成选择
硅砂颗粒的大小和分布状况对硅砂的烧结点、热导率以及混合料的透气性、强度都有一定的影响。
粗砂的耐火度较细砂高些，但砂子粒度越大，振实过程中型腔扩张越小，粗砂子易产生毛刺和粘砂。在振实过程、起模之后至浇注结束过程中易产生涂层开裂，形成脉纹、突刺缺陷。
细粒度型砂可使铸件获得较高的表面光洁度，并能防止金属液在真空作用下渗入砂粒间隙，形成铸件机械粘砂或毛刺。同时，浇注时薄膜烧失后，漏气量小，利于保持砂型内外压差。但细砂制成的砂型透气性差，细砂子的颗粒表面积增大，让涂料附着困难，容易造成涂层脱落或剥离。
无论普通砂型铸造，还是V法铸造，生产铸铁件，最好采用中等透气性的砂子，铸钢件选用透气性较高的砂子则较好。在透气性低的情况下，铸铁件中易产生侵入性气孔，而在铸钢件则由于表面窝气而使铸件表面不平整。要得到表面光洁的厚壁铸件，解决的办法就是把粗砂和细砂混合搭配。
根据日本方面的研究结果，在砂子筛号分布方面，距离大的两种粒度的砂子的混合料，具有最佳的效果，但混合砂充填时易发生“偏析”，影响铸件质量；砂子粒度的分布倾向于适当分散，三筛集中率不宜过高，“三筛集中”、合理镶嵌原理的“双峰级配”、“五筛分布”效果较好。
日本方面的试验结果显示，55#、75#和100#砂的铸型填充密度差不多。日本方面采用单一砂的做法，与我们大部分企业的做法相同，只是稍细一点而已。
为此，对于中大型铸钢件，V法铸造用型砂采用粒度组成50/100、留量大于80%的硅砂；对于中小型铸钢件，V法铸造用型砂采用粒度组成50/140、留量大于85%的硅砂。
对于中大型铸铁或有色合金件，V法铸造用型砂采用粒度组成70/140、留量大于80%的硅砂；对于中小型铸铁或有色合金件，V法铸造用型砂采用粒度组成70/200、留量大于85%的硅砂。
3.  V法铸造用型砂的砂温控制

自V发铸造传入中国至今，无论生产何种材质铸件，对于砂温的控制，我们都是沿用日本方面提供的“不大于50℃”的参数来控制的，砂处理设备也是按照这个温度参数进行设计、制作的，尤其是砂温调节器或砂子冷却沸腾床等设备。到底这个砂温参数是否科学、可行呢？没有多少企业和工艺技术人员进行验证。
3.1  V法铸造用型砂砂温现行控制范围及存在问题

自2003年介入V法铸造工艺设计和生产实践后，关于砂温的参数控制，我也是和大家一样参照“不大于50℃”这个数据。在进行批量生产摇枕、侧架的过程中，发现在铸件的分型面附近和铸型上易产生涂料堆积的部位，尤其是铸件的分型面附近容易出现珍珠链状分布的夹杂性气孔（包含砂子、涂料和熔渣）。一时也查找不到相关资料记录，无法进行分析，并推理其成因，长时间得不到有效的解决。
在V法铸造摇枕、侧架的生产批量加大后，该类珍珠链状分布的夹杂性气孔消失了。通过查找、对比各项工艺参数的调整情况和操作质量的变化情况，经过反复的试验和形成机理分析，发现是随着用砂量的增加，冷却滚筒的砂处理能力不足，致使砂温上升至70度左右。在砂温冷却至50℃左右时，该类珍珠链状分布的夹杂性气孔将再次反复。湖北丹江口市的一家铸造公司也出现同样的情况，告知其提高砂温后，缺陷自然消除。
3.2  缺陷成因分析及V法铸造用型砂砂温控制范围

日本、德国、美国和加拿大关于V法铸造的前期试验和研究比较详细，其研究成果已为我们所用，但其中也存在个别论断片面，甚至矛盾的情况，我们需要加以验证，并且这些成果多集中于铸铁件。V法铸造工艺在中国推行了三十多年，工艺技术、主辅材料和生产装备方面均取得了长足的发展，但仍有不可预见的铸造难题出现，需要我们进行更多的基础性研究，掌握更多的自主性知识和知识产权。
鉴于上述砂温控制方面存在的问题和问题解除的条件，通过多次的试验验证，其成因应该是铸型特殊部位涂料堆积及干燥状态和浇注过程薄膜裂解气化不良综合所致。
造型过程中，负压底板和模型体结合处由于覆膜不彻底，容易形成圆弧形拐角（非棱角形），涂料涂刷时，该拐角部位又容易产生涂料堆积，铸型上其它类似拐角部位与此相同。涂料烘烤时，上平面易于干燥，而涂料堆积部位则比较困难，尤其是负压底板和模型体结合处的拐角部位，由于其处于最低处，涂料干燥就更困难。
浇注过程中，上述涂料没有干燥部位的薄膜则不能快速裂解气化，而是表现出一般薄膜受热收缩卷曲的特性，进而将涂料和砂粒一起卷裹。随着金属液在铸型的快速上升，没有完全裂解气化并裹挟着涂料和砂粒的薄膜停留在原始位置附近，进一步裂解气化，并被金属液包覆。由此被包覆的涂料和砂粒要释放气体，则产生皮下或表面气孔；金属液包覆砂粒和涂料中的骨料则形成夹砂，涂料中的其它低熔点辅料则形成夹渣。
鉴于上述成因分析，由于型砂砂温的提高，起模后至浇注前，较高温度的砂子一直处于对涂料堆积部位进行烘烤、干燥，这样一来，堆积的涂料被充分干燥，且薄膜一直处于接近软化状态，薄膜残余应力极小，薄膜受热时不易出现卷缩状态，上述缺陷就不再生成。
根据上述成因分析和生产实践验证，V法铸造型砂的砂温应当控制在60℃～80℃之间，不能低于50℃。这样一来，除了有效地解决了珍珠链状夹杂性气孔外，还能降低砂温调节设备负荷，节约能耗。
当然，除了合理控制砂温措施外，还要及时有效地清理涂料堆积，并合理布置气塞，保持覆膜良好。
7. 总结

对于V法铸造用型砂的选择，不能一味地沿用普通砂型铸造的参数和方法。鉴于V法铸造的真空、薄膜和涂层成型的特殊性，可以采用单一硅砂配合不同功用涂料的办法，满足不同材质铸件的铸造特性要求，优质、经济地进行铸件生产。
在V法铸造生产过程中，加大基础性研究，除了深入挖掘和掌握其技术原理外，还要研发新技术、新材料、新设备，全面推动V法铸造技术进步和发展。

kaka32

现在做的这个，没涉及砂温控制，
这个零件比较大就是，
是不是大件不用控制？