實際生產中的消失模鑄造缺陷

李 旋，李增民，李立新

（河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊 050018）

消失模鑄造具有設計自由度大、鑄件尺寸精度高、鑄件成本低及易于實現(xiàn)清潔生產等優(yōu)點，被認為是“21世紀的鑄造方法”及“鑄造的綠色工程”，受到廣泛重視[1-3]。但是在消失模鑄造生產過程中，經常會出現(xiàn)一些缺陷。常見的消失模鑄造缺陷有：鑄鐵件表面積碳，鑄鋼件增碳，反噴、氣孔，尺寸超差、變形，塌箱、潰型，粘砂、節(jié)瘤、針刺，冷隔、皺皮、澆不足，渣孔、砂孔、縮孔、凹陷及網紋，內部夾雜物，縮松、組織不均等[4]。

1 黑色金屬常見缺陷

1.1 增碳缺陷

應用消失模鑄造生產鑄鋼件時最容易出現(xiàn)的就是增碳缺陷，該缺陷主要存在于鑄件的表面，并且離內澆道越遠的地方出現(xiàn)的增碳缺陷越嚴重。增碳缺陷出現(xiàn)的主要原因是：泡沫材料主要由碳和氫組成，在高溫鋼液下急劇分解，產生大量的氫氣和游離的碳，由于氫和氧的親和能力比碳強，在高溫下分解的氫先與模樣縫隙中的氧氣結合成為水蒸氣而排出，而分解出的大量游離碳會殘留在鑄型中，與鋼液的表面浸腐，從而產生了鑄件表面滲碳、增碳現(xiàn)象[5]。

為防止增碳現(xiàn)象出現(xiàn)，常采用以下措施：

1）從增碳機理上可以知道泡沫原材料的性質是影響該缺陷的主要因素，因此選用優(yōu)質的泡沫原材料是解決這類缺陷最直接有效的方法。由于優(yōu)質的泡沫在澆注過程中發(fā)氣量小、氣化速度較快、裂解產物也比較細小，所以應優(yōu)先選用低碳的優(yōu)質的泡沫塑料。例如，采用具有均勻的閉孔結構，導熱系數(shù)低，絕熱性能好的酚醛保溫泡沫塑料，該塑料的性能與聚氨酯相當，優(yōu)于聚苯乙烯泡沫，成本低廉，僅為聚氨酯的2/3.

2）為了加快模樣的氣化速度，應該改進工藝方案。選擇合理的澆注工藝，從而減少裂解產物與鋼液的接觸時間，進而避免鑄件滲碳，在具體操作過程中可以控制澆注溫度以及澆注速度，采用防止?jié)B碳的并且透氣性比較好的涂料等等。目前在實際生產中大多采用以鉻鐵礦粉、棕剛玉粉和鋁礬土為骨料的涂料，該涂料既能有效地減少增碳缺陷又能滿足涂料必須的常溫以及高溫強度要求。

3）由于離內澆道越遠的位置增碳越嚴重，所以從這個角度出發(fā)，在遠離內澆口的地方增設冒口，讓增碳嚴重的金屬液優(yōu)先進入冒口，這樣鑄件本身的鋼液就比較干凈，通過增設冒口最終減少鑄件的增碳。

1.2 夾砂缺陷

夾砂缺陷是消失模鑄造經常遇到的，往往在開箱以后發(fā)現(xiàn)，鑄件的表面或內部夾持著一層很難清理的砂子，這就是夾砂缺陷。在不抽負壓的情況下澆注后，砂子經常出現(xiàn)在鑄件的底部或者側面、熱節(jié)處以及型砂不易緊實的地方；在抽負壓下澆注，鑄件表面也可能有砂子，特別是在鑄件的拐角位置。

解決夾砂的關鍵在于提高澆注系統(tǒng)的涂層強度以及耐火度[6-8]。澆注系統(tǒng)涂層強度以及耐火度主要是通過選擇耐火度高的骨料，配料時增加無機黏結劑含量以及增加涂層厚度來實現(xiàn)的，從實際的生產出發(fā)，工廠主要采用的是增加涂層的厚度來提高涂層強度和耐火度[9]。避免了砂子進入鑄型中。

某公司在產品模樣上刷涂四遍涂料使得涂層的厚度在2 mm以上，結果發(fā)現(xiàn)，鑄件的夾砂缺陷由3.5%降至1.4%，從而通過增加涂層厚度使得串聯(lián)副箱的夾砂缺陷得到了控制。

在操作過程中由于工作不認真也有可能造成夾砂，例如，如果澆口杯薄膜上留有砂子而沒有被吹掉時，就會在鑄件上留有夾砂缺陷；刷涂料如果不仔細，模樣部分位置有露白，尤其在加工位置有露白時，最終澆注后的鑄件就會夾有一層砂子在上面，從而造成了鑄件報廢，導致巨大的經濟損失，因此，要求操作工在工作過程中一定要仔細，刷完涂料的模樣要認真檢查，如果發(fā)現(xiàn)有露白部位要立即補刷好，并且重新烘干，從而降低因操作引起的廢品率。

2 鋁合金常見缺陷及防止措施

2.1 孔洞缺陷

目前，鋁、鎂有色合金的消失模鑄造還存在一些問題，尤其是鋁合金消失模鑄件的孔洞缺陷嚴重，其大大增加了鑄件的廢品率[10]?？锥慈毕葜饕嗅樋住⒖s孔、縮松。

鋁合金消失模鑄造產生的針孔主要是氫氣孔。對于消失模鑄造，氫主要來源于泡沫的裂解產物，因為泡沫原材料主要由碳、氫兩種元素構成，在澆注過程中氣化模在高溫金屬液的作用下發(fā)生復雜的熱相變反應，裂解程度的逐漸增大，低分子聚合物逐步完全裂解分解出氫，隨著模樣溫度的升高，裂解程度就會加劇，因而氫氣的體積增大倍數(shù)就會更高；還有少量的氫是大氣、涂料、金屬材料等所含的水分在高溫下的分解得到的，具體反應為：H2O=2 H++O2-，2 Al3++3 O2-=Al2O3水除了分解出氫還分解出氧，氧極易與鋁液發(fā)生氧化反應而得到高熔點的氧化鋁，該氧化反應大又反過來促進了水分的高溫分解，所以得到的氫也會越來越多，此時大量的氫會向金屬液中溶解，當超過金屬液的溶解度時，氫就會以氣泡的形式析出，如果氫的析出速度太慢來不及浮到金屬液表面就會形成針孔，因此，防止針孔具體措施有：采用低密度模料，模樣的密度控制在0.016 g/cm3～0.025 g/cm3范圍內；提高涂料層的透氣性；控制泡沫模樣水分、發(fā)泡劑的含量；確保模樣干透，涂料涂層干透等[11]。

鑄件在凝固過程中，鋁合金會發(fā)生液態(tài)收縮以及凝固收縮，在鑄件最后凝固的地方如果得不到足夠金屬液的補充就會出現(xiàn)空洞，這就是縮孔；在鑄件內部的某些區(qū)域有分散的細小的縮孔這就是縮松。與普通的砂型鑄造相比，對于同樣尺寸的冒口消失模鑄造冒口不及砂型鑄造冒口的補縮能力高，這是由于進入冒口的金屬液的溫度比較低，冒口內的壓力也比較的小，所以在鑄件的熱節(jié)處極易引起縮孔、縮松缺陷。防止措施：適當?shù)奶岣邼沧囟?，從而提高進入冒口的金屬液溫度；增加補縮冒口的體積，選擇表面積小，散熱慢的物體制作冒口；采用各種工藝措施，保證金屬液在充型過程中能夠順序凝固，在遠離冒口的地方先凝固，在靠近冒口的地方以及冒口處最后凝固，從而使得縮孔、縮松缺陷集中在冒口處，進而使得鑄件的組織致密。

2.2 冷隔、澆不足

鋁合金消失模鑄造在實際生產中容易出現(xiàn)冷隔、澆不足現(xiàn)象，之所以造成這些現(xiàn)象是因為鋁液在澆注過程中的流動性差、熱量低，澆注系統(tǒng)設計不合理等，該缺陷在外形復雜的薄壁鋁合金鑄件中尤為常見，因此解決該缺陷的主要途徑就是提高鋁液的流動性。但是，同砂型和金屬型鑄造相比，鋁合金消失模鑄造采用的是干砂充填，使用的是保溫涂料，為了使泡沫模液化和氣化并保證金屬液充填，不得不大幅度地提高澆注溫度，否則就會造成薄壁、復雜件產生冷隔、澆不足[12]。

另外，如果泡沫模樣的密度大，在澆注過程中吸熱就多，泡沫的發(fā)氣量就大，而較大的發(fā)氣量就會給澆注過程產生很大的阻力，從而就會出現(xiàn)澆不足現(xiàn)象。

3 結論

1）消失模鑄造生產黑色金屬鑄件時最容易出現(xiàn)增碳、夾渣缺陷。實際生產中在遠離內澆口的地方增設冒口，選用優(yōu)質的泡沫原材料以及合理的澆注工藝可解決增碳缺陷；解決夾砂缺陷時主要是采用提高澆注系統(tǒng)的涂層強度以及耐火度等途徑。

2）消失模鑄造生產有色金屬鑄件時最容易出現(xiàn)的是孔洞以及冷隔、澆不足缺陷。通過嚴格控制成型過程中氣體的產生，同時注意鑄型的排氣可防止孔洞產生；而解決縮孔、縮松要注意澆口、冒口位置與大小的設計；解決冷隔、澆不足問題主要從提高金屬液流動性的角度出發(fā)。

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