v法鑄造和消失模鑄造用砂的認(rèn)識(shí)及砂處理設(shè)備的選擇

v法鑄造和消失模鑄造用砂的認(rèn)識(shí)及砂處理設(shè)備的選擇

隨著v法鑄造技術(shù)在中國的推廣應(yīng)用，越來越多的公司和技術(shù)人員意識(shí)到v法造像和消失模造林具有共同特點(diǎn)：使用干砂填充、振動(dòng)緊密、塑料固定砂盒、真空泵送、真空注入。因此V法和消失模鑄造擁有大同小異的鑄造設(shè)備。可不可以將V法鑄造和消失模鑄造工藝統(tǒng)一起來,同時(shí)采用甚至就放在一個(gè)車間進(jìn)行。這樣就可以共用砂處理設(shè)備,甚至包括砂箱,震實(shí)臺(tái),砂斗等設(shè)備,成為大家比較關(guān)心的話題。但是,目前對(duì)V法鑄造和消失模鑄造在用砂方面的認(rèn)識(shí),尤其在粒度粗細(xì),篩號(hào)分布方面,存在一定的差異。使得鑄造企業(yè)不得不將這兩項(xiàng)鑄造工藝分配在不同的車間進(jìn)行,以免各自用砂之間的干擾,對(duì)這兩項(xiàng)鑄造工藝也配套各自的砂處理設(shè)備。1比較v法和消失模法中的鑄造V法鑄造和消失模鑄造的比較見表1.2砂的現(xiàn)狀及對(duì)破壞的描述2.1v法鑄造用砂規(guī)范目前國內(nèi)采用V法鑄造技術(shù)生產(chǎn)鑄件的企業(yè)有450家左右,鑄件材質(zhì)涉及鑄鐵,鑄鋼及有色合金,甚至非金屬耐火材料行業(yè)。由于V法鑄造本身工藝技術(shù)特點(diǎn)的制約以及V法鑄造技術(shù)的研究和推廣不夠,目前采用V法鑄造工藝生產(chǎn)的鑄件類型相對(duì)不太廣泛,還是一些比較簡(jiǎn)單的中大型鑄件,工藝也比較單一,這就使得整個(gè)V法鑄造行業(yè)對(duì)砂的使用多樣性不強(qiáng)。大部分生產(chǎn)鑄鐵,普通鑄鋼以及有色合金的企業(yè),都以硅砂為主,而且往往都是就地取材。只有一些生產(chǎn)高錳鋼件的企業(yè)使用橄欖石砂或者寶珠砂,甚至為了節(jié)省成本,只用橄欖石砂和寶珠砂做面砂使用,也有個(gè)別企業(yè)使用鎂砂。考慮到薄膜和涂料的使用,以及真空的作用,目前V法用砂的目數(shù)則主要集中在50目~140目之間。國內(nèi)部分V法企業(yè)用砂情況如表2所示:在傳統(tǒng)鑄造用砂要求的基礎(chǔ)上,結(jié)合V法鑄造采用干砂成型,且整個(gè)工藝流程中伴隨著真空抽負(fù)壓的過程,以及絕大部分鑄件強(qiáng)調(diào)涂料的使用,目前行業(yè)內(nèi)及高校科研機(jī)構(gòu)包括國外V法技術(shù)的研究進(jìn)展,形成了一些V法造型用砂規(guī)范。1)跟傳統(tǒng)鑄造一樣,硅砂可以滿足大部分鑄件的V法鑄造用原砂要求,鑄鋼件要求SiO2含量不低于95%,鑄鐵件不低于90%,有色合金則不低于85%.在保證耐火度的前提下,并不提倡SiO2含量很高。因?yàn)镾iO2含量越高,因相變引起的突然膨脹越強(qiáng),容易夾砂且影響鑄件精度。對(duì)于高錳鋼鑄件,則需要使用特種砂如橄欖石砂,鎂砂,寶珠砂等以防止鑄件產(chǎn)生化學(xué)粘砂。甚至為了保證鑄件有較快的散熱速度以保證結(jié)晶質(zhì)量,一些企業(yè)也不惜使用比較昂貴的鉻鐵礦砂。2)雖然V法使用的是干砂,但是為了不影響到原砂的耐火度,必須控制原砂的含泥量在0.5%以內(nèi)。同時(shí),為了不至于澆注過程中砂型產(chǎn)生過多的氣體造成鑄件形成氣孔缺陷,也需要控制干砂的含水量在0.3%以內(nèi)。3)為了保證加砂震實(shí)后砂子達(dá)到最大緊實(shí)度以充分保證將來鑄型強(qiáng)度,砂子應(yīng)該具有很好的流動(dòng)性。因此最好是圓形或者次棱角形的砂子,角形系數(shù)不大于1.45,最好在1.1~1.3之間。因?yàn)檫^分圓整的砂粒在一起時(shí)會(huì)有較大空隙,而且砂粒之間是點(diǎn)接觸,摩擦力不夠而很容易滑動(dòng)造成塌型,而尖角形的砂子流動(dòng)性比較差,通常也含有較大的內(nèi)應(yīng)力,容易粉化。所以最好使用次棱角形的顆粒。4)V法鑄造伴隨著抽真空的作用,不存在透氣性不好的問題,通常強(qiáng)調(diào)使用比傳統(tǒng)鑄造細(xì)的多的砂子。鑄鐵用砂的AFS粒度應(yīng)該在100目左右,一些小件可超過100目;也就是可使用70/140目的砂子,或者100/200目.對(duì)有色合金可采用更細(xì)砂子,甚至可用底盤砂做面砂,這樣可防止金屬液滲透,充分保證鑄件的表面質(zhì)量。對(duì)于鑄鋼件,考慮到耐火度的要求,砂子粒度相比生產(chǎn)鑄鐵件而言稍微粗一些,使用50/100目居多。5)干砂在造型使用以及循環(huán)過程中難免有破碎和粉化,這在普通鑄造中常會(huì)惡化型砂的性能,降低透氣性,并需要消耗更多的黏結(jié)劑。但是對(duì)于V法鑄造這并不會(huì)帶來壞的影響,一方面不存在透氣性的危害,另一方面混在干砂中一定程度上可以更好的防止?jié)B透現(xiàn)象的發(fā)生。所以好多企業(yè)在砂處理過程中通過除塵設(shè)備收集的硅塵,完全投入砂庫繼續(xù)使用。在國外,對(duì)于V法用干砂,強(qiáng)調(diào)最好砂粒分布在70目,100目,140目或者200目的三個(gè)或者四個(gè)篩號(hào)上,而且有3%~7%細(xì)砂是270目或底盤砂,認(rèn)為細(xì)砂粒能阻止金屬液滲透,當(dāng)然這與V法起初鑄鐵件生產(chǎn)的大背景有關(guān)。6)如果鑄型不使用涂料的話,砂子相對(duì)細(xì)些;使用涂料的話可以相對(duì)粗些;另外,即便是同一種材質(zhì),砂子的粗細(xì)與澆注溫度成反比,也就是說,澆注溫度越高,砂子越粗糙。2.2干砂的選擇和使用國內(nèi)目前已有超過1000家企業(yè)在采用消失模鑄造技術(shù)生產(chǎn)鑄件,鑄件材質(zhì)類型也比較廣泛,除了一些對(duì)增碳比較敏感的材質(zhì)如不銹鋼等受到制約外,鑄件的多樣性和工藝的多樣性相對(duì)較強(qiáng)。使用的砂子種類也比較多。不過仍以硅砂為主體,另外,寶珠砂在近幾年得到廣泛應(yīng)用,并且使用效果較好,得到了廣大消失模鑄件生產(chǎn)企業(yè)的認(rèn)可。由于泡沫摸樣表面涂料層厚度通常在1mm以上,再加上泡沫摸樣的熱解產(chǎn)物需要及時(shí)排出,因此消失模鑄造用砂普遍較粗,主要在20目~50目之間。國內(nèi)一些消失模企業(yè)的用砂情況如表3所示。消失模鑄造同V法鑄造一樣,同樣使用干砂。因此也同樣具有使用干砂的一些優(yōu)勢(shì)。但是消失模鑄造干砂中埋有泡沫模樣,而且通常模樣表面刷有較厚的涂料,另外適合做一些比較復(fù)雜的中小件,長(zhǎng)期以來逐漸形成了如下用砂規(guī)范[11~13]。1)對(duì)于原砂種類的選擇,同傳統(tǒng)鑄造和V法鑄造一樣,主要考慮鑄造材質(zhì)的類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。大部分仍然選擇硅砂。只是根據(jù)鑄造材質(zhì)澆注溫度的不同選擇SiO2含量。2)為了保證原砂有足夠的流動(dòng)性來填充泡沫模樣的復(fù)雜深腔部位,再加上較厚的涂料層具有一定的機(jī)械強(qiáng)度來防止塌箱,因此消失模鑄造要求原砂的圓整性要足夠好。寶珠砂由于比較圓整,流動(dòng)性,填充性好,而且呈中性且耐火度很高,因此也比較適合消失模鑄造。3)消失模鑄造澆注期間將伴隨著泡沫模樣的裂解和燃燒,產(chǎn)生大量的氣體或液態(tài)熱解產(chǎn)物。因此砂子必須具有足夠的透氣性以防阻礙殘留物的溢出。這一方面需要砂子粒度較粗,另一方面,原砂的粒度分布應(yīng)該較為集中。目前,消失模廣泛使用20目~50目的砂子,而且單篩砂更受歡迎。另外,砂子的含泥量過大或者混入大量的粉塵都會(huì)降低型砂的透氣性,因此要控制原砂的含泥量在1%以下,并且在干砂循環(huán)處理中要注意除塵工作。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐,20目~50目的原砂如果粉塵控制合適,透氣性不存在問題。實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn),砂子粉塵過多時(shí),造型過程中很容易產(chǎn)生型砂偏析,造成型砂體系局部粉塵過多,從而使得整個(gè)鑄型透氣性不均勻,強(qiáng)度也會(huì)有所差異。4)灼燒堿量在V法鑄造中并不作為砂子的檢測(cè)指標(biāo),因?yàn)楹苌儆惺裁礆埩粑锢塾?jì)在砂子的表面。但是消失模不一樣,大量的液態(tài)熱解產(chǎn)物滲入型砂中累積在干砂的表面,當(dāng)灼燒堿量超過0.25%~0.5%就會(huì)降低型砂的流動(dòng)性,進(jìn)而影響到型砂的緊實(shí)度。5)干砂中的水分會(huì)帶來諸如氣孔等許多鑄造缺陷,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)在澆注期間引起型腔氣壓波動(dòng)造成塌箱。因此需要嚴(yán)格控制型砂含水量在1%以下。3砂子與砂子的關(guān)系不難看出,目前針對(duì)V法鑄造和消失模鑄造用砂的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的主要區(qū)別在于以下兩個(gè)方面。1)消失模鑄造所用的砂子相對(duì)較粗,目數(shù)集中在20目~50目之間;而V法則更傾向于用比較細(xì)的砂子,并且以70目~200目之間認(rèn)為較好且用的較多。2)從目數(shù)集中度而言,消失模傾向于篩號(hào)越少越好。甚至現(xiàn)在有一部分企業(yè)已經(jīng)開始使用單篩砂,尤其是使用寶珠砂的企業(yè)。而V法鑄造則對(duì)篩號(hào)的多少無明確要求。甚至認(rèn)為篩號(hào)范圍越寬,越有利于鑄件表面質(zhì)量。對(duì)于消失模鑄造用砂的要求和認(rèn)識(shí),目前似乎已經(jīng)達(dá)成共識(shí),如上文所述。并且根據(jù)多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),這種認(rèn)識(shí)在生產(chǎn)中并沒有遇到尖銳的挑戰(zhàn)和矛盾。而關(guān)于V法鑄造用砂,在國內(nèi)的應(yīng)用情況還是比較混亂。甚至認(rèn)識(shí)大相徑庭,而出現(xiàn)問題的地方正是砂子目數(shù)與篩號(hào)分布。因此,有必要對(duì)V法用砂的認(rèn)識(shí)展開討論。砂子目數(shù)的認(rèn)識(shí),在V法鑄造中最為混亂。真空的存在一方面降低了對(duì)砂子目數(shù)集中度的要求,另一方面也確實(shí)為細(xì)砂適合使用的觀點(diǎn)提供了充足的理由。再加上國外的一些資料中強(qiáng)調(diào)的關(guān)于細(xì)砂的使用,致使目前甚至有人認(rèn)為砂子粗細(xì),以及如何級(jí)配對(duì)于V法都已經(jīng)不重要了。曾有一位日本專家說過:如果鑄造過程中出現(xiàn)了問題,就檢查一下細(xì)砂的含量。這句話誤導(dǎo)了一部分人。它的前提一方面是砂子SiO2含量足夠,另一方面在造型過程中不會(huì)發(fā)生偏析,追求的是粗砂與細(xì)砂的完美配合,主要目的是防止金屬液的滲透。而絕大多數(shù)人都以為砂子的目數(shù)及其分布在V法鑄造中無關(guān)重要,這是片面的看法。砂子過細(xì),容易粉化,相對(duì)也更容易燒結(jié),另外在砂循環(huán)過程中很容易揚(yáng)塵,這會(huì)加重砂處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。而且目前國內(nèi)有一部分V法鑄造企業(yè)不具備砂處理系統(tǒng),或者砂處理系統(tǒng)不具備除塵設(shè)施,那么使用細(xì)砂造成的揚(yáng)塵將會(huì)對(duì)整個(gè)車間帶來很大的粉塵污染,嚴(yán)重危害工人身體健康?？紤]到上述因素,砂子還是不應(yīng)該過細(xì),畢竟有涂料層的存在保證鑄件表面質(zhì)量以及防止金屬液的滲透。因此,從這個(gè)角度分析,V法鑄造砂子不應(yīng)太細(xì)。砂子的多篩性一定程度上提高砂子的緊實(shí)度,因此有必要結(jié)合國外用砂的情況以及國內(nèi)企業(yè)實(shí)踐來進(jìn)一步摸索V法用砂究竟用幾篩砂以及如何級(jí)配才能達(dá)到最佳的緊實(shí)度和效果。國外不少文獻(xiàn)中,將V法造型用砂稱作是造型時(shí)的填充物。仔細(xì)分析一下,一方面,V法對(duì)涂料的強(qiáng)調(diào)使用確實(shí)已經(jīng)避免了砂子和金屬的直接接觸。砂子與金屬液之間僅僅存在熱作用,這種熱作用顯然涂料層是不能阻擋的。從這個(gè)概念上講,砂子對(duì)于鑄件的影響,已經(jīng)被涂料屏蔽了很大一部分。換句話說,它只是作為一種填充物來支撐涂料層的完整存在以及強(qiáng)度。綜上而言,只要砂子能夠有足夠的耐火度不要燒結(jié),并且能夠支撐涂料層不要開裂,完全可以滿足要求。耐火度,取決于砂子自身,針對(duì)不同的鑄件選擇不同耐火度的砂子,這和傳統(tǒng)鑄造都一樣。而這個(gè)起到涂料層支撐的問題,和砂子目數(shù)有關(guān)。砂子對(duì)涂料層的支撐都是點(diǎn)支撐。砂子過粗,這種點(diǎn)與點(diǎn)之間距離過大,涂層一受力,很容易裂。這個(gè)臨界距離是多大呢?實(shí)際上就是涂層的厚度。涂料層與砂子的關(guān)系如圖1所示。只有砂子間隙大于涂層厚度時(shí),才有可能引起涂層開裂。而我們V法涂層的厚度通常在0.5mm~1mm,而50目~200目的砂子震實(shí)后的間隙遠(yuǎn)不到0.5mm.再加上外界金屬液對(duì)它也是均勻的外力作用,因此,從這個(gè)角度分析,現(xiàn)在鑄造用砂目數(shù)大小對(duì)涂料層的支撐作用不存在問題。這也在一定程度上為V法使用比原來稍微粗一點(diǎn)的砂子提供了依據(jù)。山東某浴盆生產(chǎn)企業(yè)采用當(dāng)?shù)?2/30目的硅砂生產(chǎn)鑄鐵浴盆,如此粗的砂子同樣做出了比較好的鑄件。由上述分析可知,V法鑄造和消失模鑄造用砂長(zhǎng)期以來存在的砂子目數(shù)粗細(xì),以及篩號(hào)分布方面的差異并不是不可逾越的。而且原先的認(rèn)識(shí)與現(xiàn)在生產(chǎn)實(shí)踐客觀存在的一些差異和矛盾也進(jìn)一步說明,這兩種鑄造工藝在認(rèn)識(shí)上存在的差異在實(shí)踐中并不是那么明顯。另外,消失模鑄造用砂在粒度方面細(xì)一些,由原來的20目~50目,細(xì)到70目,而V法鑄造用砂粗一些,由原來的70目~200目,粗到50目,甚至40目,砂子粒度方面的統(tǒng)一將不再是難題。而現(xiàn)在正有一部分企業(yè)已經(jīng)在生產(chǎn)中驗(yàn)證了這一點(diǎn)。至于篩號(hào)分布上的差異,在實(shí)踐中幾乎沒有表現(xiàn)。無論消失模企業(yè),還是V法鑄造企業(yè),大部分都使用三篩砂,而且生產(chǎn)狀況也較為良好,尚且沒有發(fā)現(xiàn)砂子粗細(xì)搭配不當(dāng)帶來的生產(chǎn)問題。4目前，v法和消失模法之間的干砂分離成功4.1u2004零件類型2010年5月,鄭州某鑄造企業(yè)自制簡(jiǎn)易生產(chǎn)線。并在該線上同時(shí)生產(chǎn)消失模和V法鑄件,生產(chǎn)情況如圖2所示。鑄件類型如表4所示。無論是消失模鑄件,還是V法鑄件,這條簡(jiǎn)易生產(chǎn)線都使用40/70目寶珠砂,通過同一條簡(jiǎn)單的自制砂處理線進(jìn)行砂處理。目前,該線運(yùn)轉(zhuǎn)正常,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。而且使用的寶珠砂粉化,揚(yáng)塵都比較少,車間環(huán)境較好。在此基礎(chǔ)上,公司正在對(duì)此線進(jìn)行進(jìn)一步的改造,以提高生產(chǎn)量。4.2消失模和v法兩工t法生產(chǎn)線在我國中小企業(yè)生產(chǎn)煙臺(tái)某公司在自身從事消失模鑄造生產(chǎn)和V法鑄造實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上,投產(chǎn)建設(shè)V法鑄造和消失模鑄造混合生產(chǎn)線。共用50/70目硅砂和砂處理線。消失模和V法各兩工位穿梭式造型線。如圖3,4所示。該公司擬定在該線生產(chǎn)的產(chǎn)品如表5所示。4.3砂子處理方案的確定以上兩種共用砂的方案,砂子種類的選擇沒有尖銳的矛盾,因此,二者的統(tǒng)一就僅僅局限在了粒度及其分布上。但是,假如消失模和V法兩種工藝各自面對(duì)的材質(zhì)不一致呢,比如一個(gè)是鑄鐵,一個(gè)是鑄鋼,甚至是一些特殊的材質(zhì)如高錳鋼,又該如何統(tǒng)一呢?顯然,材質(zhì)不一樣,對(duì)砂子種類,主組分含量,粒度等要求均不一樣。當(dāng)然,可以按照要求最高的材質(zhì)來配備砂子,這樣就不至于購置兩種或者兩種以上的砂子。這種思路砂子通用性強(qiáng),管理,使用等方面都比較方便。而且不會(huì)給砂處理設(shè)備添加別的麻煩。有人提出,能不能實(shí)現(xiàn)不同的砂子,同一條砂處理設(shè)備?此種方案目前尚未收集到企業(yè)已經(jīng)采用的信息。分析認(rèn)為主要存在以下方面的問題。1)不同的砂子,使用同一條砂處理線,只能分階段進(jìn)行砂處理,以免砂子混合。這無疑增加額外的工作量,使用不太方便。2)不同的砂子,物性參數(shù)不一樣。比重,目數(shù),這將直接關(guān)系到砂處理系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備如沸騰冷卻床的配置參數(shù)。尤其像風(fēng)量大小,鼓風(fēng)壓力大小,都以砂子比重作為重要依據(jù)。一旦配置不合理,要么砂子在冷卻床中難以運(yùn)行,要么形成很紊亂的沸騰狀態(tài),加重設(shè)備的除塵負(fù)擔(dān)并加劇其磨損。不同種類的砂子,比重差距還是相當(dāng)明顯的。3)不同種類的砂子,在管理,使用等方面也不太方便。當(dāng)然,砂處理設(shè)備的形式多種多樣,并不見得這種方案在所有的砂處理設(shè)備中都受到制約。另外,不少企業(yè)為了社節(jié)省成本,對(duì)于有些對(duì)砂子要求較高的鑄造材質(zhì),如合金