1 前言
我厂采用真空消失模铸造工艺，大中型铸件在安装孔、格子孔以及内角处经常出现粘砂及烧结现象，特别是在厚度>70mm以上的铸钢件较严重，但铸件表面很少有粘结、烧结现象。认为孔眼处型砂紧实度不够，抽负压时：孔眼处有局部形成空洞，涂料层在高温金属液热作用以及浇注静、动压力头作用下，涂料层破裂造成金属液进入孔眼内而形成粘砂烧结。根据经验介绍，采用高铝砂、镁橄榄石砂等混制的树脂砂预埋孔眼，有时粘砂、烧结现象反而更为严重。烧结的孔眼为砂与金属的混合物，常规清理非常困难，需要用电焊、碳弧气刨、气割等手段慢慢修出，对产品的质量、生产效率影响较大，特别对高锰钢铸件质量影响大，因为高锰钢受热碳化物容易析出，材料冲击韧性下降，使用造成铸件产生裂纹、断裂等早期失效。
2粘砂及烧结原因分析
铸件形成过程实质上是金属液与铸型型腔表面壳层相互作用的过程，它们之间是彼此联系并互为条件的。
相互作用十分复杂，主要有热作用、机械作用、物理——化学作用，其中热作用是其它两作用的基础，影响着机械作用和物理——化学作用的程序。
2.1 型芯与铸件金属的热作用
型芯与金属液相互作用最重要特征是铸件与型芯之间的热交换。
T=T初f(X口R口α材口α金口τ)
式中：T——型壁内某层的温度：
T初——液体金属初温，可取凝固终温；
X——该砂层离型腔表面的距离；
R——铸件厚度；
α材——型砂的物理性质，如导温系数等；
α金——铸件金属的物理性质：
τ——加热时间，取决于金属冷却的时间。
液态金属初温高，热容量大，铸件壁厚大，离型腔表面距离近，加热时间长，型砂导温系数高，则该砂层被加热的温度就高。
型芯中的温度场按第四类边界条件计算。
分析表明，仅当Foi≥1时，即当壁厚较小而加热时间很长时，数列之第二项对计算结果才产生一定影响，所以在许多实际情况中只限于使用第一项。从上式中可知，当铸件与铸型接触的持续时间短时(<1h)，温度的传递与铸件的壁厚(<400～500mm)无关。
假定衬板在铸件厚度R=120mm，安装孔尺寸54×54mm2方形，预埋树脂砂。砂型导温系数α2=1.0×10-6m2／s，计算浇注温度1560℃，时间20min时，砂芯中部温度场。
资料介绍，树脂砂受热时在500℃左右树脂热分解，树脂膜被烧蚀，树脂砂粘结力降低，强度开始逐渐下降，砂粒间空隙增大。失掉强度后砂粒有可能在压力下自由移动，如同无粘结性原砂，对重金属过滤的毛细管抗力变弱，金属的渗透作用加剧。另一方面，铸件是通过与砂接触的面以及边角效应向外散热冷却，加上消失模负压工艺作用，铸件表层很快凝固成壳。但实验证明，被金属包围的型芯，当其直径或厚度较小时，由于砂芯很快被加热到铸件温度，不能再起冷却作用，对于铸钢件，与型芯接触的这部分铸件表面不能纳入铸件的散热表面。
2.2型芯与铸件金属的机械作用
2.2.1型芯受金属液的浮力作用
P浮=V2·γ2一Vl·γl
式中P浮——砂芯受到的浮力，N：
V2——砂芯的体积，cm3；
γ2——砂芯重度，kg／cm3；
V1——砂芯被金属液包围部分体积，cm3；
γ1——金属重度，kg／cm3。
当型芯整体或局部刚度不足时，在金属液浮力和抬力作用下会引起显著变形。严重时涂料层破裂，型芯渗入金属液，造成型芯烧结现象。
2.2.2型芯受金属收缩作用
型芯完全被铸件包围，受热后体积膨胀受到限制，另一方面树脂砂型芯，由于加热时形成坚硬的焦炭骨架，溃散性差。在外加载荷(铸件收缩应力)条件下，型芯内孔边角处，由于边角效应，型芯热量较高，加之涂料层厚度有可能较厚，因应力集中易形成裂纹，使金属液渗入型芯内，造成型芯烧结现象。
2.3型芯与铸件金属的物理——化学作用
金属液与铸型在高温下相互间产生多种复杂的物理——化学作用，如金属液渗入型壁砂粒的孔隙内，金属氧化与铸型材料形成新的化合物等。
2.3.1润湿角
型芯与铸件金属要产生作用，首先看金属能不能对其产生润湿为前提的。
润湿角的大小主要决定于金属液和造型材料的性质，但接触气氛的性能也有很大的影响。如工业纯铁在不同接触气氛中的润湿角见表1，从表l中可看出，在氧化气氛中石英砂比镁砂容易发生机械粘砂。
金属成分对润湿性也有影响，如工业纯铁中氧和锰的含量增加，能使润湿性大为提高。故钢水脱氧不完全或含锰13％的高锰钢容易发生机械粘砂。由于铁水含碳量较高，含氧量较低，又不易被氧关，故铸铁件机械粘砂的倾向比钢小。
2.3.2型芯与铸件金属的物理作
型砂蓄热系数、导热率等对金属处于液态时金属的渗入也有影响。蓄热系数高，金属凝固快，渗入深度小；导热率高，金属凝固快，渗入深度小。某些非金属材料导温系数、吸热系数见表2。
砂型的导热率还受砂型空隙率的影响，空隙 率高时型砂导热率低，提高砂型的紧实率可提高砂型的紧实率可提高导热率。可减少减轻粘砂烧结。
因为热量在树脂砂中的传递速度比金属渗透速度低2-3个数量级，而砂壳的形成只需要几分钟的时问。因此在大型铸件时，型砂的松孔特性对粘砂的形成起决定性作用，热活性起从属作用。采用细粒填充砂是预防粘砂的有效方法。
2.3.3型芯与铸件金属的化学作用
化学粘砂是由于金属液和型砂在高温作用下发生化学反应而产生的。产生化学粘砂的先决条件是金属氧化。影响化学粘砂的因素主要是金属氧化物的数量以及与型砂之间的作用程度。但在非石英砂的条件，不形成低熔点化合物，对砂粒滴湿作用小。氧化物层的厚度影响铸件与粘砂层的连接，氧化层的厚度达到或超过某个临界厚度(约100μ m)时，粘砂层就容易消除，反之不易。
2.4小结
砂型铸造的涂料向铸型内渗入一定的深度，与型砂颗料紧密接触。真空消失模铸造涂层与型砂之间是点接触，涂层外部是无粘结剂的干砂。由于真空消失模铸造工艺形成原理的特殊性如真空、干砂造型等，相比消失模的涂层更容易被液态金属的压力所挤压而破裂，一旦破裂，液态金属比普通砂型更容易渗入型砂中，即使孔眼采用树脂砂预埋，砂料与涂层松散接触，涂料层一旦开裂，金属渗透缺陷比普通砂型铸造更为严重。
铸件上由型芯形成的内腔表面，由于金属凝固收缩时产生的压力，比外表面更容易形成粘砂。
浇注温度越高，铸件壁厚越大，则金属液在铸型表面保持的时间，金属液的流动性越好，因而渗入孔隙的金属越多。与此同时，金属液温度较高时，铸型被剧烈加热，渗入孔隙内的金属也不易冷凝，因而渗入的深度也大。反之，如果浇注温度低，铸件壁薄，则机械粘砂的程度小，或者不发生机械粘砂。因此，铸件的厚壁部分或转角等热节部分比较容易产生粘砂。
3预防
烧结是粘砂的特例，是更加严重的粘砂现象。预防烧结可注意以下几方面。
1)加强脱氧，降低浇注温度，以减少金属氧化物形成，或加剧金属氧化达到增加氧化铁层厚度的以减小化学粘砂。
2)保持足够负压时间，并减少搬运砂箱，防止产生过早搬动震动使型芯表层破裂，在铸件没有完全凝固时，金属液渗入型芯内，形成型芯烧结现象。
3)加强型砂冷却速度，使铸件表面形成较厚的凝固层，以抵抗外力作用。
4)提高涂料强度、抗激热开裂的性能。
5)更换润湿角更大的原砂，并提高砂粒细度，减少孔隙，配合型砂振实工艺，提高砂型强度。
4结语
粘砂烧结主要为高温金属液与型芯热作用伴随机械作用的结果，物理化学作用次之。松孔特性对粘砂的形成起决定性作用，热活性起从属作用。金属材料的成分、脱氧程度，型砂的润湿性、导热系数等因素对粘砂及烧结都有影响。可通过提高涂料抗激热开裂性能，型砂的导热系数，增加铸型强度等措施解决。