淺談消失模鑄造鑄鋼件常見缺陷及防治措施

高成勛，劉偉明

（四川省崇州市鑫晟機械制造廠，四川崇州市 611230）

淺談消失模鑄造鑄鋼件常見缺陷及防治措施

高成勛，劉偉明

（四川省崇州市鑫晟機械制造廠，四川崇州市 611230）

分析消失模鑄造鑄鋼件生產(chǎn)中易出現(xiàn)的鑄造缺陷產(chǎn)生的原因，結(jié)合實踐經(jīng)驗，總結(jié)缺陷防止措施。關(guān)鍵詞：消失模鑄造；鑄鋼件；鑄造缺陷

消失模鑄造自1956年由美國人發(fā)明以來,到上世紀(jì)80年代已發(fā)展到相當(dāng)?shù)囊?guī)模,并已成功地應(yīng)用于生產(chǎn)。從單件小批量大件生產(chǎn)發(fā)展到大批量小件流水線生產(chǎn),從簡單非加工件生產(chǎn)到復(fù)雜加工件的生產(chǎn)，以美國、意大利、德國、日本等國工業(yè)化生產(chǎn)較具代表性。到上世紀(jì)90年代,汽車鑄件采用消失模鑄造方法已逐步發(fā)展起來。到目前為止,我國已有1000余家工廠采用消失模鑄造工藝，但多數(shù)是規(guī)模較小的單件小批量鑄件生產(chǎn)。國內(nèi)目前消失模鑄造技術(shù)還處在技術(shù)成熟階段，鑄造特點和規(guī)律還有待深入認(rèn)識，尤其是金屬液的充型特性、涂料性質(zhì)、模樣的熱解特性等的理論研究還未完全掌握，導(dǎo)致鑄件容易產(chǎn)生一些難以克服的缺陷，如澆注時塌箱，鑄件增碳、夾砂和粘砂，鑄件變形，澆注后涂料難以從鑄件脫落等等。2009年有幾家鑄鋼廠采用我公司消失模鑄造設(shè)備生產(chǎn)碳鋼鑄件，經(jīng)過雙方的共同努力解決了試生產(chǎn)初期鑄件增碳、氣孔、夾渣和反噴等缺陷，使生產(chǎn)得到正常運行，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提高。本文就消失模鑄造在鑄鋼件生產(chǎn)上的應(yīng)用所出現(xiàn)的常見缺陷進(jìn)行探討，以供同行參考。

1 增碳缺陷

消失模鑄鋼件容易產(chǎn)生增碳缺陷（如圖1），目前我國還沒有很好的方法能徹底解決該缺陷。產(chǎn)生增碳缺陷的主要原因：泡沫模樣材料主要是由碳和氫組成，在高溫鋼液下急劇分解，產(chǎn)生氫氣和游離碳，由于氫與氧的親和能力較碳強，高溫分解的氫先與模樣縫隙間的氧氣結(jié)合為水蒸汽排出，而分解出的大量游離碳?xì)埩粼阼T型中，與鋼液的表面浸腐，從而產(chǎn)生鑄件表面滲碳、增碳現(xiàn)象。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)及試驗發(fā)現(xiàn)增碳存在一定的規(guī)律性，即增碳主要出現(xiàn)在鑄件表面，心部幾乎不增碳；內(nèi)澆口附近不增碳，而離內(nèi)澆口越遠(yuǎn)增碳越嚴(yán)重。針對增碳的機理，采取如下措施，可基本控制鑄件含碳量在工藝要求范圍內(nèi)。

（1）選用優(yōu)質(zhì)泡沫塑料 泡沫塑料的質(zhì)量優(yōu)劣直接影響澆注過程中模樣氣化速度及裂解產(chǎn)物形態(tài)。高質(zhì)量的泡沫塑料含碳量低，分子量大，在保證泡沫模樣強度下密度低，兩者兼顧，選用發(fā)氣少、含碳低的原始珠粒是消失模生產(chǎn)鑄鋼件的首選材料，也是目前解決鑄鋼增碳問題的最有效途徑。

（2）選擇合理的澆注工藝 消失模鑄造澆注工藝的設(shè)計要能加速模料的氣化，減少及錯開分解產(chǎn)物中液相和固相與鋼液的接觸和反應(yīng)時間，減少或避免鑄鋼件滲碳。主要包括控制澆注溫度和澆注速度，良好的涂層透氣性及干砂鑄型透氣性，合適的型壁負(fù)壓度，防滲碳涂料的使用等等。

（3）利用離內(nèi)澆口越遠(yuǎn)增碳越嚴(yán)重的特點，在離內(nèi)澆口最遠(yuǎn)端或在鑄件的最高點設(shè)置冒口，使先進(jìn)入鑄型型腔的增碳污染嚴(yán)重的鋼液進(jìn)入冒口內(nèi)，鑄件本體獲得較純凈的鋼液。

2 氣孔缺陷

根據(jù)產(chǎn)生的原因，將消失模鑄造鑄鋼件產(chǎn)生的氣孔分為以下四類：

（1）泡沫模樣裂解產(chǎn)物卷入金屬液中產(chǎn)生的氣孔

澆注充型過程中產(chǎn)生紊流，或氣化過程中，部分模樣被金屬液體包圍并裂解，產(chǎn)生的氣體不能從金屬液中排出，就會形成氣孔。這種氣孔大而多，并且內(nèi)表面有碳黑。防止措施:改進(jìn)工藝，使鋼液平穩(wěn)充型，不出現(xiàn)紊流；提高澆注溫度，提高負(fù)壓度（如果產(chǎn)生紊流引起氣孔，降低負(fù)壓度）；提高涂層和型砂透氣性。

（2）泡沫模樣、涂料干燥不佳引起的氣孔

泡沫模樣、涂層干燥不良或泡沫模樣內(nèi)發(fā)泡劑含量過高時，澆注時會產(chǎn)生大量氣體而引起氣孔。防止措施:充分干燥泡沫模樣（按模料發(fā)泡制模工藝特性操作）；涂層必須干透，嚴(yán)格控制發(fā)泡劑添加量。

（3）模樣粘合劑過多引起氣孔

模樣粘結(jié)劑發(fā)起量大，過多使用，氣化慢，易使氣體卷入鋼液形成氣孔。

防止措施:選用低發(fā)氣的模型粘結(jié)劑；在保證粘牢前提下，用粘膠量越少越好。

（4）澆注時卷入空氣形成氣孔

澆注時直澆道不充滿，易卷入空氣，這些氣體若不能及時排出，易引起氣孔。防止措施:通過設(shè)計合理澆注系統(tǒng)，充型時金屬液流動平穩(wěn)，不卷氣；采用封閉式澆注系統(tǒng)澆注時，保持澆口杯內(nèi)有一定量的金屬液，以保證直澆道處于充滿狀態(tài)；采用空心的直澆道模，減少發(fā)氣量，有利于防止產(chǎn)生氣孔。

（5）鋼液熔煉質(zhì)量問題引起的氣孔

碳鋼熔煉過程中含有氣體，需要進(jìn)行預(yù)脫氧處理和終脫氧處理，如果脫氧不充分就會在鋼液內(nèi)殘留氧氣，形成氣孔。防止措施：熔煉過程中，嚴(yán)格遵循熔煉工藝，澆注前進(jìn)行脫氧處理，凈化鋼液。氣孔缺陷如圖2所示。

3 夾渣缺陷

夾渣缺陷是指干砂粒、涂料及其他夾雜物在澆注過程中隨著鐵液進(jìn)入鑄件而形成的缺陷。在機加工后的鑄件表面上，可看到白色或黑灰色的夾雜物斑點，單個或成片分布,白色為石英砂顆粒，黑灰色為渣、涂料、泡沫模樣熱解后殘留物和其他夾雜（圖3）。夾渣缺陷是消失模鑄造生產(chǎn)中較為常見的一種缺陷。消失模鑄件冷卻出箱后，根據(jù)鑄件及澆注系統(tǒng)表面狀況，即可以判定有沒有進(jìn)砂和夾渣缺陷。經(jīng)過生產(chǎn)實踐中長期觀察，如果澆口杯、直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道和澆口表面或連接處以及鑄件表面粘砂嚴(yán)重或有裂紋狀粘砂存在，則從澆口杯、直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道至鑄件，所有部位都有可能造成進(jìn)砂，特別是直澆道封閉不嚴(yán)密等因素是造成進(jìn)砂和夾渣缺陷的最主要原因。工藝參數(shù)的選擇，如澆注系統(tǒng)凈壓頭大小、澆注溫度高低、負(fù)壓度大小、干砂粒度以及模樣運輸過程及裝箱操作情況等因素，都對鑄件夾渣和進(jìn)砂缺陷有很大影響?？朔A渣缺陷是一個系統(tǒng)工程，只有在這些環(huán)節(jié)采取系統(tǒng)的措施、精心操作，才能把鑄件的夾渣缺陷減少和基本消除，獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。夾渣缺陷是消失模鑄造生產(chǎn)的一大難題，有以下幾點防止措施。

（1）選用綜合性能良好的涂料

所選用的鑄鋼涂料除了一般要求的性能外，還要求具有高強度，高耐火度，良好爆熱抗裂性、涂掛性、懸浮性、不流淌性等一系列性能。防止夾渣缺陷首先要求涂料具有高的強度和耐火性能。要求涂掛于白模表面的涂料層在烘干和運輸過程中不開裂，即涂料應(yīng)具有足夠的室溫強度；澆注過程中，在高溫金屬的長時間沖刷作用下涂料層不脫落、不開裂，就有良好的高溫強度。在鋼液進(jìn)入鑄型時直澆口封閉嚴(yán)密，鑄件和澆注系統(tǒng)表面的涂料層不脫落、不開裂是防止夾渣缺陷的首要條件

（2）規(guī)范裝箱操作

裝箱時，模樣組放置于砂箱底砂上時應(yīng)平穩(wěn)，不允許懸空放置時即開始撒砂震動造型，以避免震裂涂料層。不要正對模樣猛烈加砂，應(yīng)先采用柔性加砂，防止料層破裂，要嚴(yán)密封閉直澆口以免進(jìn)砂。整個裝箱、造型操作過程要非常仔細(xì)小心，一定要保證澆注前模樣組涂料層沒有任何脫落、開裂和裂紋，澆注前應(yīng)再次確認(rèn)澆口杯無浮砂、塵土和雜物。

（3）合理設(shè)定澆注壓頭、溫度和時間

澆注時壓頭越高對澆注系統(tǒng)和鑄型的沖刷越大，沖壞涂料造成進(jìn)砂的可能性也越大，對不同大小的鑄件壓頭要有所不同。要選擇容量合適的澆包，澆包要盡可能降低澆注高度，包嘴盡量靠近澆口杯，應(yīng)避免用大包澆小件。澆注溫度越高，就越容易產(chǎn)生粘砂夾渣等缺陷，對涂料性能要求就越高，因此應(yīng)選擇合適的澆注溫度。

（4）合理確定負(fù)壓大小

消失模鑄造的澆注過程一般都是在真空條件下進(jìn)行的，負(fù)壓的作用是緊實干砂、加快排氣、提高充型能力。負(fù)壓度的大小對鑄件質(zhì)量有很大影響，過大的負(fù)壓度使金屬液流經(jīng)開裂、裂紋處時吸入干砂和夾雜物的可能性增加，也使鑄件的粘砂缺陷增加。負(fù)壓度過大，充型速度過快，增加了金屬對澆道和鑄型的沖刷強度，易使涂料脫落進(jìn)入金屬，也容易沖壞涂料層造成進(jìn)砂。對于鑄鋼件，合適的負(fù)壓度一般0.045～0.055MPa。

（5）設(shè)置擋渣、撇渣和集渣冒口

澆注系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)考慮設(shè)置擋渣、撇渣功能，同時鑄件上設(shè)置集渣冒口有助于改善進(jìn)砂和夾渣缺陷。

（6）采用鋼液凈化技術(shù)

鋼液熔煉必須注意凈化問題，這是消失模鑄造的關(guān)鍵技術(shù)之一。包括從鋼液熔煉、過熱、脫氧直至澆入鑄型的全過程均要考慮凈化問題。

4 反噴

澆注過程中，由于模樣熱分解發(fā)出氣體量過大，又不能及時排除，使得型腔內(nèi)氣壓急劇上升，易引起噴火或噴金屬液，導(dǎo)致鑄件報廢。防止方法有:

（1）EPS模樣密度控制在 0.018～0.022g/cm3，模樣要干燥，上涂料后要干燥，減少水分含量和發(fā)氣量。

（2）選用透氣性好的涂料，調(diào)整好涂層厚度（0.5～1.0mm為宜）以便模樣裂解后氣體及時逸出。

（3）控制干砂透氣性和粒度，切忌不同粒度干砂混用，降低透氣性。砂箱設(shè)計要科學(xué)、合理、適用?？刂曝?fù)壓度（真空泵吸氣），使模樣在真空缺氧條件下發(fā)生氣化，而很少燃燒，降低發(fā)氣量。

（4）控制澆注溫度和澆注速度，以鋼液的熱量來保證模樣氣化，同時在模樣大量生產(chǎn)氣體時控制澆注速度，以免澆注速度過快，促使裂解氣體大量迸發(fā)。

（5）設(shè)計合理的澆注系統(tǒng)，保證金屬液平穩(wěn)、平衡、迅速地充滿鑄型模樣，以保證模樣裂解氣體逸出型腔之外而被排出去。

5 小結(jié)

消失模鑄鋼在我國消失模鑄造行業(yè)中處于初期開發(fā)階段，且具有較大發(fā)展空間，只要采取有效的生產(chǎn)控制管理，并嚴(yán)格控制好鑄件的熔煉過程，盡量降低和消除澆注過程增碳的工藝條件，針對存在的問題，結(jié)合實際生產(chǎn)條件，嚴(yán)格控制工藝中的每道工序，防止鑄造缺陷的產(chǎn)生，即可生產(chǎn)出完全合格鑄鋼件產(chǎn)品。

Brief Discussion About Corresponding Prevention Measures from Defects in Steel Castings with Full Mold Casting

GAO ChenXun,LIU WeiMing
（Sichuan Chongzhou City Xing Cheng Machinery Manufacturer,Chongzhou 611230,Sichuan China）

Causes for foundry defects easy produced in steel castings with full mold casting have been analysed with summary of provention measures from such defects,combined with practical experience.

Full mold casting；Steel castings；Foundry defect

TG249.6;

A；

1006－9658（2011）03－3

2010－12－02

2010－181

高成勛（1968-），男，工程師，主要從事熔模鑄造﹑樹脂砂鑄造﹑鐵型覆砂鑄造﹑消失模鑄造﹑V法鑄造的工藝設(shè)計和技術(shù)服務(wù)以及生產(chǎn)線的制造安裝調(diào)試