對于V法鑄造企業，結合企業生產和產品特點、V法鑄造特性及其主輔材料的功用，通過不同型砂對鑄造工藝、砂處理設備、真空設備和工藝裝備設計的影響，以及對生產成本、產品質量、健康和環保控制等諸多方面的影響，根據涂料不同骨料組配的特性，合理地選擇V法鑄造用型砂；分析砂溫對砂處理設備設計和鑄件質量控制的影響，從而科學和適宜地進行砂溫控制。在進行生產線方案和布局設計、工藝設計、工裝模具設計之前，應根據工廠實際和產品類型及質量要求，進行V法鑄造用型砂和砂溫控制方面的設計，實現V法鑄造的經濟、高效、環保、安全、可靠的生產。

 

V法鑄造用型砂的選擇

 

企業在確定立項前，除了組織進行工藝技術、工藝裝備、設備及生產線方案的設計和評審外，應結合企業實際和產品要求，科學、經濟地進行相關主輔材料的選擇，主要是型砂、芯砂、薄膜和涂料，這其中也包括冒口、芯撐和冷鐵等。以前，我們比較關注的是V法鑄造的三個關鍵元素，即真空、V法鑄造用EVA塑料薄膜和V法涂料，而對于型砂，則沒有給予太過關注，系統的相關論述也相對較少。

 

一般情況下，大家基本上都是沿襲普通砂型鑄造工藝和傳統，習慣性地依據產品材質選擇不同類型的砂子作為型砂。即是選擇硅砂作為V法鑄造用型砂，對其技術要求基本上也是處于一種籠統、甚至模糊的認知狀態，考核的項目及指標的依據也不夠全面。特別是近年來，不少企業推出了一些新型的非石英砂和人造砂，一些企業紛紛跟從，也有不少企業不知所從。

 

自從引進日本V法鑄造工藝以來，國內關于型砂的研究實踐及研究總結較少，或者論述比較簡單，不夠深入，甚至出現斷章取義地引述。事實上，日本方面關于V法鑄造用型砂進行了相當系統、詳細的研究和總結。鑒于上述這些情況，結合自己的生產實踐和理論掌握程度，對于V法鑄造用型砂的選擇進行如下的分析。

 

鑄造用型砂的分類

 

鑄造用原砂按基本成分構成來分類的話，分為硅砂（石英砂）和特種砂（即非石英砂）。

 

目前，鑄造用原砂以硅砂（石英砂）為主。這是由于硅砂資源豐富、價格相對低廉，其性能可以滿足一般鑄件的要求。對于特殊用途的鑄件或鑄件特殊需要，普通硅砂不能很好地滿足鑄件質量要求，則需要采用特種砂作為原砂進行鑄造生產。

 

硅砂（石英砂）按其來源和加工方式的不同，可以分為天然硅砂和人工硅砂兩大類。天然硅砂按成礦條件和特點，又可分為山砂、河砂、湖砂、海砂、風積砂，而湖砂、海砂又可細分為海（湖）灘砂、沉積砂、堆積砂等。

 

特種砂（即非石英砂）分為石灰石砂（石灰石、大理石、白云石類型）、鋯砂（鋯英石砂）、鎂砂、橄欖石砂、鉻鐵礦砂、鈦鐵礦砂、剛玉砂、耐火熟料（鋁礬土砂、焦寶石砂、煤矸石砂）、碳質砂（石墨和焦炭）、鈦渣（鉻渣、釩渣）砂等。

 

硅砂（石英砂）的特性

 

硅砂（石英砂）來源廣，價格便宜，能夠滿足一般鑄件的要求。

 

硅砂的礦物成分和化學成分直接影響砂子的耐火度、熱化學穩定性和復用性，對鑄件表面粘砂情況影響很大。

 

硅砂（石英砂）為酸性砂，易與液態金屬中的堿性金屬氧化物生成低熔點的硅酸鹽，致使鑄件粘砂。硅砂熱膨脹很大，常使鑄件產生夾砂。由于熱應力的作用，砂粒易破碎變細，致使砂子的復用性下降。對于大型鋼鑄件，特別是合金鋼鑄件，硅砂（石英砂）則不能完全滿足其要求，須采用特種砂或局部采用特種砂來滿足鑄件質量要求。

 

特種砂的特性

 

特種砂大都具有耐火度高、導熱性好、熱膨脹系數小、熱化學穩定性好、抗熔渣侵蝕能力強的特點，不同的特種砂則分別具有酸性、堿性和中性的特點，可以根據鑄件對型砂的特性需要進行選擇。但是，由于多是經過選礦或焙燒加工的產品，價格較貴，資源比較短缺。特種砂主要用于合金鋼或容易粘砂的碳鋼鑄件，特別是凝固慢、清砂難、易粘砂這類鑄件。以及用于要求鑄件尺寸穩定、熱應力小的部位，使用特種砂利于保證鑄件尺寸精度和消除裂紋缺陷。

 

V法鑄造用型砂特性及分析

 

V法鑄造工藝緣于普通砂型鑄造，但是又有別于普通砂型鑄造。所以，V法鑄造用型砂的選用也同樣有別于普通砂型鑄造，不宜照搬照用。必須結合鑄件的材質、形狀大小、結構、鑄造工藝、工藝裝備設計、真空系統、砂處理設備、產量、產品質量要求、生產成本、安全環保等諸多方面進行科學、經濟的分析和選擇。

 

根據世界各國多年來對V法用型砂的研究成果，結合自己的V法工藝設計和生產實踐，以下關于型砂特性的論斷和總結對于V法用型砂的選用至關重要，匯總至此。

 

1、硅砂震動6秒后，型砂的緊實度已基本達到最大值，再震動也不再有大的變化。

2、型砂振實過程中，砂子粒度越大，型腔擴張越小，但大顆粒砂子易粘砂。

3、生產鑄鐵件，最好采用中等透氣性的砂子，鑄鋼件選用透氣性較高的砂子較好。在透氣性低的情況下，鑄鐵件中易產生侵入性氣孔，而在鑄鋼件則由于表面窩氣而使鑄件表面不平整。

4、采用有棱角的造型材料比用圓顆粒造型材料的跨型強度更高。圓形顆粒在一起時會有較大空隙。所以次棱角形的顆粒通常會更好一些，尖角形的砂子在振動時會阻止運動。砂粒形狀應該選擇次棱角形或圓形，尖角的砂盡量不要使用。

5、細粒度型砂可使鑄件獲得較高的表面光潔度，并能防止金屬液在真空作用下滲入砂粒間隙，造成鑄件機械粘砂或毛刺；和粗砂比較，細砂制成的砂型的透氣性差，澆注時薄膜燒失后，漏氣量小，利于保持砂型內外壓差；細的砂子意味著顆粒表面積增大，讓粘土和涂料附著困難。

6、V法造型使用細砂能夠保證鑄件的表面光潔度，粗砂子則易產生毛刺。隨著鑄件壁厚的增加，毛刺越多，要得到表面光潔的厚壁鑄件，解決的辦法是把砂子和細粉混合。

7、在砂子篩號分布方面，距離大的兩種粒度的砂子的混合料，具有最佳的效果，但混合砂充填時易發生“偏析”，影響鑄件質量；硅砂顆粒的大小和分布狀況對硅砂的燒結點、熱導率以及混合料的透氣性、強度都有一定的影響；砂子粒度的分布傾向于適當分散，三篩集中率不宜過高，“三篩集中”、合理鑲嵌原理的“雙峰級配”和“五篩分布”效果較好。

8、鑄件較厚部分的滲透性直接與AFS（平均細度）數值相關，砂子的AFS為100或者更大時，金屬無法滲透，但當粒度小于100時，將會在鑄件的大部分發生滲透。鑄鐵或者有色合金所用砂的AFS粒度應該超過100，大型鋼件中要求AFS粒度最小為63。砂子的AFS數與澆注溫度成反比，也就是說，澆注溫度越高，砂子越粗糙。

9、鑄型強度方面，從鑄型表面到鑄型的幾何中心的方向上，鑄型的真空度逐步降低，而且真空度越低，降低的梯度越小。

10、V法鑄型的抗壓強度、填充密度與負壓度有關，也與砂子的粒形和粒度有關；圓形砂填充能力較高，但抗壓強度低；棱形砂抗壓強度較高，填充能力低；砂子粒度具有某種程度的角形對V法造型是比較適宜的；粗細砂粒配成的混合料，填充密度最大；增大激振頻率可在短時間內得到高的填充密度。

11、生產灰鐵件時，要注意鑄型冷卻能力大帶來對鑄件的激冷效應。采用V法造型工藝生產薄壁鑄鐵件的白口傾向比濕型的大，而對于壁厚較厚的鑄鐵件呈現相反的規律。

12、含泥量大的型砂降低砂型的透氣性；顆粒粗、分布集中的原砂制備的混合料透氣性好；粗砂的耐火度較細砂高。

13、不同熱傳導率的型砂，其負壓鑄型的冷卻能力不同，按硅砂、碳化硅砂、鋯砂、鋼丸和硅砂混合料、鋼丸的順序依次增加；但是，鑄件的宏觀組織和機械性能不受鑄型冷卻能力的影響。

14、 經過多次澆注使用的舊砂（即再生砂），其高溫熱膨脹量比新砂小；硅砂的二氧化硅含量越高，硅砂的耐火度也越高，硅砂的高溫熱膨脹量也相應增大，價格也相應提高。

15、V法造型鑄件冷卻的后期階段，鑄件冷卻緩慢的原因是由于向鑄型壁的散熱強度隨著真空度的提高和砂子粒度的減小而降低。若型砂中含有粘結劑，散熱強度就提高，而造型材料中的水分對散熱強度影響較小。

16、當使用較重的砂子造型砂時，注意重量的增長，它對震動和起模會有不利影響。

17、使用橄欖石，應在實際生產中密切控制，因為它的灼減要比硅石高15%。

18、V法鑄型的冷卻速度慢，并且石英砂和鋯砂生產的兩種試棒的凝固速度沒有差別。這是因為在V法鑄型中，沒有水分、粘接劑和空氣循環，鑄件的熱量主要通過鑄件的暴露表面或鄰近位置的砂子傳到空氣中。對于鑄鐵，采用V法澆注薄壁鑄件，不出現碳化物；然而，在生產率高的情況下，V法較低的冷卻速度將致使生產過程變慢。對于鑄鋼，較慢的冷卻速度利于補縮，但凝固時間延長，將增加偏析。

19、樹脂涂料較易附著在砂子顆粒上，一般來說較高的溫度像鐵和鋼的溫度會使涂料燒掉，但對熔點的像鋁、青銅等就不會出現這種情況，因而有必要加入一些新的砂子。

 

V法鑄造用型砂的選擇

 

鑒于上述試驗總結和研究結論，V法鑄造涂料的技術水平和市場供貨現狀，并結合V法工藝設計和生產實踐，對于V法鑄造用型砂的選擇，建議從以下幾個方面進行認真的分析，并做出合適的選擇。

 

型砂種類的選擇

 

根據2.2中m)和r)關于“不同熱傳導率型砂的負壓鑄型的冷卻能力不同”和“V法鑄型的冷卻速度慢，并且石英砂和鋯砂鑄型生產的兩種試棒的凝固速度沒有差別”觀點，以及其它研究結論，無論是鑄鐵件、鑄鋼件和有色金屬鑄件，在鑄件沒有特殊要求和V法鑄造涂料能夠滿足要求的情況下，均可采用硅砂作為V法鑄造用型砂（高錳鋼除外）。

 

V法造型就是要采用更經濟的手段生產比其它工藝更好的鑄件，如果仍舊依照普通砂型鑄造用砂的習慣來進行V法鑄造用型砂的選擇，那么，V法涂料的作用則又是什么呢？我們完全可以依照普通砂型鑄造用砂的習慣來進行V法鑄造涂料骨料的選配，用V法鑄造涂料來滿足不同材質鑄件對于特種型砂的需求。實際上，我們的鑄造涂料企業通過不斷的實驗和研究，早已研發出適用于不同材質鑄件的不同骨料或不同骨料配比的V法鑄造用涂料，各V法鑄造企業也都在運用。比如，適用于V法鑄鐵件的各種石墨涂料，適用于V法鑄鋼件的各種鋯英粉涂料和鋁系、鎂系、鋁硅系、碳硅系、鉻鎂系復合涂料等。涂料的品種和性能已發生了革命性的改進，而型砂的選用方面還沒有隨之改變，仍舊處于V法鑄造用涂料品種和性能單一的思維狀態。

 

如果我們大量采用市場短缺、價格昂貴的特種砂作為V法鑄造用型砂進行V法鑄造生產，那么，除了增加型砂部分的成本外，由于比重和重量的緣故，真空系統能力、砂子輸送設備能力、砂處理能力、除塵能力等均需加大設計，V法系統設備的造價將大大提升，能耗也同時增加；造型設備的舉升和震動負荷均大大提高，設備費用自然提升。同時，鑄型重量的增大將降低其跨型強度，增大起模難度和塌箱幾率。

 

為了防止粘砂，亦可在鑄件厚壁和熱節處擺放特種砂；鑄件的縮孔和縮松可以通過澆注系統設計、冒口和冷鐵合理運用進行預防。完全沒有必要采用特種砂來解決上述鑄造缺陷，況且，采用特種砂也不能解決上述缺陷。同時，型砂和芯砂的不一致，砂處理和造型的難度進一步加大。

 

綜上所述，在借助于V法鑄造用涂料和在鑄件厚壁、熱節處擺放特種砂及其它防止措施的前提下，優先采用鑄造硅砂作為V法鑄造用型砂。

 

型砂成分的選擇

 

鑒于鑄造硅砂作為V法鑄造用型砂，其SiO2的含量將影響其耐火度、硬度、破碎率及復用性能。

 

硅砂的二氧化硅含量越高，硅砂的耐火度也越高，硅砂的高溫熱膨脹量也相應增大，高溫熱膨脹破碎幾率也高，其價格也相應提高。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幾率和輸送過程的摩擦破碎幾率也將降低。

 

根據硅砂二氧化硅含量高低的性能差異和研究結果，按照GB/T 9442《鑄造用硅砂》和GB/T 26659《鑄造用再生硅砂》關于硅砂二氧化硅含量分級規定，鑄鋼件V法鑄造用型砂的含硅量應選擇93～98級；對于鑄鐵件，V法鑄造用型砂的含硅量可以降低至90級；對于有色金屬鑄件，V法鑄造用型砂的含硅量可以降低至80級。

 

型砂顆粒形狀及角形因數的選擇

 

不同粒形的砂子，其抗壓強度、填充密度、跨型強度和透氣性不同，復用性也不同。

次棱角形顆粒造型材料比用圓顆粒造型材料的跨型強度更高；圓形顆粒有較大空隙，透氣性好，填充能力較高，但抗壓強度低；尖角形的在振動時會阻止運動，且易于擠壓和磨損破碎；砂粒的粒形應選擇次棱角形或圓形，但次棱角形的顆粒通常會更好一些，對V法造型是比較適宜的。

 

所以，綜合各項性能及環保除塵的要求，V法鑄造用型砂的粒形應選擇符合GB/T 9442的鈍角形，其角形系數≤1.45。

 

型砂的含泥量分級選擇

 

型砂的含泥量大將降低砂型的透氣性，將影響鑄件質量，但散熱強度將提高。

綜合產品質量和健康、環保的需要，V法鑄造用型砂的含泥量應選擇不大于0.5級。

 

型砂的含水量選擇

 

型砂含水量的大小影響型砂對V法鑄型填充能力和填充密度，以及抗壓強度和鑄型硬度。除此之外，還容易產生氣孔。在考慮鑄型和鑄件質量要求的前提下，參考型砂的生產實際，V法鑄造用型砂的含水量應按≤1.5進行控制。

 

型砂的平均細度及粒度組成選擇

 

硅砂顆粒的大小和分布狀況對硅砂的燒結點、熱導率以及混合料的透氣性、強度都有一定的影響。

 

粗砂的耐火度較細砂高些，但砂子粒度越大，振實過程中型腔擴張越小，粗砂子易產生毛刺和粘砂。在振實過程、起模之后至澆注結束過程中易產生涂層開裂，形成脈紋、突刺缺陷。

 

細粒度型砂可使鑄件獲得較高的表面光潔度，并能防止金屬液在真空作用下滲入砂粒間隙，形成鑄件機械粘砂或毛刺。同時，澆注時薄膜燒失后，漏氣量小，利于保持砂型內外壓差。但細砂制成的砂型透氣性差，細砂子的顆粒表面積增大，讓涂料附著困難，容易造成涂層脫落或剝離。

 

無論普通砂型鑄造，還是V法鑄造，生產鑄鐵件，最好采用中等透氣性的砂子，鑄鋼件選用透氣性較高的砂子則較好。在透氣性低的情況下，鑄鐵件中易產生侵入性氣孔，而在鑄鋼件則由于表面窩氣而使鑄件表面不平整。要得到表面光潔的厚壁鑄件，解決的辦法就是把粗砂和細砂混合搭配。

 

根據日本方面的研究結果，在砂子篩號分布方面，距離大的兩種粒度的砂子的混合料，具有最佳的效果，但混合砂充填時易發生“偏析”，影響鑄件質量；砂子粒度的分布傾向于適當分散，三篩集中率不宜過高，“三篩集中”、合理鑲嵌原理的“雙峰級配”、“五篩分布”效果較好。

 

日本方面的試驗結果顯示，55#、75#和100#砂的鑄型填充密度差不多。日本方面采用單一砂的做法，與我們大部分企業的做法相同，只是稍細一點而已。

 

為此，對于中大型鑄鋼件，V法鑄造用型砂采用粒度組成50/100、留量大于80%的硅砂；對于中小型鑄鋼件，V法鑄造用型砂采用粒度組成50/140、留量大于85%的硅砂。

對于中大型鑄鐵或有色合金件，V法鑄造用型砂采用粒度組成70/140、留量大于80%的硅砂；對于中小型鑄鐵或有色合金件，V法鑄造用型砂采用粒度組成70/200、留量大于85%的硅砂。

 

V法鑄造用型砂的砂溫控制

 

自V發鑄造傳入中國至今，無論生產何種材質鑄件，對于砂溫的控制，我們都是沿用日本方面提供的“不大于50℃”的參數來控制的，砂處理設備也是按照這個溫度參數進行設計、制作的，尤其是砂溫調節器或砂子冷卻沸騰床等設備。到底這個砂溫參數是否科學、可行呢？沒有多少企業和工藝技術人員進行驗證。

 

V法鑄造用型砂砂溫現行控制范圍及存在問題

 

自2003年介入V法鑄造工藝設計和生產實踐后，關于砂溫的參數控制，我也是和大家一樣參照“不大于50℃”這個數據。在進行批量生產搖枕、側架的過程中，發現在鑄件的分型面附近和鑄型上易產生涂料堆積的部位，尤其是鑄件的分型面附近容易出現珍珠鏈狀分布的夾雜性氣孔（包含砂子、涂料和熔渣）。一時也查找不到相關資料記錄，無法進行分析，并推理其成因，長時間得不到有效的解決。

 

在V法鑄造搖枕、側架的生產批量加大后，該類珍珠鏈狀分布的夾雜性氣孔消失了。通過查找、對比各項工藝參數的調整情況和操作質量的變化情況，經過反復的試驗和形成機理分析，發現是隨著用砂量的增加，冷卻滾筒的砂處理能力不足，致使砂溫上升至70度左右。在砂溫冷卻至50℃左右時，該類珍珠鏈狀分布的夾雜性氣孔將再次反復。湖北丹江口市的一家鑄造公司也出現同樣的情況，告知其提高砂溫后，缺陷自然消除。

 

缺陷成因分析及V法鑄造用型砂砂溫控制范圍

 

日本、德國、美國和加拿大關于V法鑄造的前期試驗和研究比較詳細，其研究成果已為我們所用，但其中也存在個別論斷片面，甚至矛盾的情況，我們需要加以驗證，并且這些成果多集中于鑄鐵件。V法鑄造工藝在中國推行了三十多年，工藝技術、主輔材料和生產裝備方面均取得了長足的發展，但仍有不可預見的鑄造難題出現，需要我們進行更多的基礎性研究，掌握更多的自主性知識和知識產權。

 

鑒于上述砂溫控制方面存在的問題和問題解除的條件，通過多次的試驗驗證，其成因應該是鑄型特殊部位涂料堆積及干燥狀態和澆注過程薄膜裂解氣化不良綜合所致。

 

造型過程中，負壓底板和模型體結合處由于覆膜不徹底，容易形成圓弧形拐角（非棱角形），涂料涂刷時，該拐角部位又容易產生涂料堆積，鑄型上其它類似拐角部位與此相同。涂料烘烤時，上平面易于干燥，而涂料堆積部位則比較困難，尤其是負壓底板和模型體結合處的拐角部位，由于其處于最低處，涂料干燥就更困難。

 

澆注過程中，上述涂料沒有干燥部位的薄膜則不能快速裂解氣化，而是表現出一般薄膜受熱收縮卷曲的特性，進而將涂料和砂粒一起卷裹。隨著金屬液在鑄型的快速上升，沒有完全裂解氣化并裹挾著涂料和砂粒的薄膜停留在原始位置附近，進一步裂解氣化，并被金屬液包覆。由此被包覆的涂料和砂粒要釋放氣體，則產生皮下或表面氣孔；金屬液包覆砂粒和涂料中的骨料則形成夾砂，涂料中的其它低熔點輔料則形成夾渣。

 

鑒于上述成因分析，由于型砂砂溫的提高，起模后至澆注前，較高溫度的砂子一直處于對涂料堆積部位進行烘烤、干燥，這樣一來，堆積的涂料被充分干燥，且薄膜一直處于接近軟化狀態，薄膜殘余應力極小，薄膜受熱時不易出現卷縮狀態，上述缺陷就不再生成。

 

根據上述成因分析和生產實踐驗證，V法鑄造型砂的砂溫應當控制在60℃～80℃之間，不能低于50℃。這樣一來，除了有效地解決了珍珠鏈狀夾雜性氣孔外，還能降低砂溫調節設備負荷，節約能耗。

 

當然，除了合理控制砂溫措施外，還要及時有效地清理涂料堆積，并合理布置氣塞，保持覆膜良好。

 

總結

 

對于V法鑄造用型砂的選擇，不能一味地沿用普通砂型鑄造的參數和方法。鑒于V法鑄造的真空、薄膜和涂層成型的特殊性，可以采用單一硅砂配合不同功用涂料的辦法，滿足不同材質鑄件的鑄造特性要求，優質、經濟地進行鑄件生產。

 

在V法鑄造生產過程中，加大基礎性研究，除了深入挖掘和掌握其技術原理外，還要研發新技術、新材料、新設備，全面推動V法鑄造技術進步和發展。