中、低碳消失模鑄鋼件表面增碳規(guī)律初探

段平昌，劉 浩

（1.中建材集團(tuán)凱盛重工有限公司，安徽淮南 232058；2.安徽中興華漢機(jī)械有限公司，安徽淮南 232100）

被鑄造行業(yè)權(quán)威人士稱為“21世紀(jì)的綠色鑄造技術(shù)”的消失模鑄造技術(shù)，是一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展前景的鑄造新技術(shù)新工藝。其鑄件表面光潔、尺寸精確、生產(chǎn)工藝簡單，因在負(fù)壓下澆注成形而組織致密，無傳統(tǒng)鑄件的分型面痕跡和飛邊。但其也有不足之處，其中，消失模鑄鋼件的表面增碳問題就一直困擾著廣大消失模鑄造工程技術(shù)人員，成為業(yè)內(nèi)專家不斷探索研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題[1～4]。由于低碳鑄鋼件的表面增碳，致使鑄件的斷面收縮率和伸長率降低，塑性、韌性和焊接性能變差，硬度增加，給鑄件機(jī)械加工帶來困難，造成廢品率上升[5]，這些都嚴(yán)重制約了消失模鑄造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。所以認(rèn)識和了解消失模鑄鋼件表面增碳的原因和規(guī)律，探討消失模鑄鋼件表面增碳的影響因素，進(jìn)而在實(shí)際生產(chǎn)中有的放矢地加以控制，不斷提高消失模鑄鋼件的產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)效益，這是我們必須要面對和解決的問題。

1 化學(xué)成分分析方法、實(shí)驗(yàn)材料和鑄造成形工藝

本文進(jìn)行化學(xué)成分分析采用的方法為非水滴定法和氣體容量法兩種方法加以對照，取樣方法為用鋼水拍取薄片和從鑄件的不同部位表面鉆取鉆屑。試驗(yàn)材料為汽車、工程機(jī)械、煤礦機(jī)械和破碎機(jī)械用消失模鑄鋼件及中頻感應(yīng)電爐熔煉的鋼水，材質(zhì)為w（C）<0.65%的鑄造碳鋼和低合金鋼，其中有形狀較復(fù)雜和壁厚較大的鑄件，也有形狀相對簡單的板類和筒狀鑄件。所用模樣材料為聚苯乙烯（EPS），模樣密度為 18 kg·m-3～20 kg·m-3，模樣由預(yù)發(fā)的EPS泡沫塑料顆粒用自動(dòng)成型機(jī)成型和用EPS塑料板材切割后組合粘接成型，模樣經(jīng)涂覆涂料、烘干后，埋入干砂中造型，在負(fù)壓下用高溫鋼水快速澆注成鑄件。

2 中、低碳消失模鑄鋼件不同部位的表面增碳情況探析

對w（C）<0.65%的不同材質(zhì)消失模鑄鋼件不同部位的表面增碳情況進(jìn)行檢測的結(jié)果見表1，因試驗(yàn)采用非水滴定法和氣體容量法分別對同一試樣加以對照測定的碳值幾乎相同，故表1中未將對照數(shù)據(jù)一一列出。表1中w鋼（C）是指已加合金調(diào)整成分即將澆注的鋼水中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。w件（C）為鑄件中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表1中一些鑄件的EPS泡沫模大于35 mm的厚壁部分采用了空心結(jié)構(gòu)。

表1 不同材質(zhì)消失模鑄鋼件的表面增碳情況

從鑄件實(shí)體取樣位置、鋼水和鑄件不同部位表面的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果可以看出：

1）不同鑄件的表面增碳情況不同，同一鑄件的不同部位增碳情況也不同，存在著增碳不均勻性。

2）同一鑄件鋼水充型末端（距澆口位置最遠(yuǎn)端）的增碳幅度顯著高于澆口處的增碳幅度，二者相差較大。鑄件表面含碳量從澆口處→距澆口中遠(yuǎn)處→距澆口最遠(yuǎn)端逐步遞增。

3）鋼水碳含量越低，鑄件表面增碳幅度越大；鋼水碳含量越高，鑄件表面增碳幅度越小。

4）形狀較復(fù)雜和壁厚尺寸較大的鑄件的表面增碳幅度較大，不均勻性增強(qiáng)。

5）形狀簡單或壁厚尺寸較小的鑄件表面增碳幅度較小，且不同部位的增碳幅度變化不大。

3 消失模鑄鋼件的表面增碳原因、影響因素及控制措施

消失模鑄鋼件之所以會(huì)產(chǎn)生表面增碳現(xiàn)象，是因?yàn)橄ｈT造采用的模樣材料是EPS泡沫塑料。隨著高溫鋼水從澆口進(jìn)入鑄型，EPS泡沫模在高溫鋼水的作用下發(fā)生裂解、分解，產(chǎn)生大量氣體和液相的碳?xì)浠衔锛安糠钟坞x態(tài)的碳，形成碳源。這些不斷增多的泡沫模熱解產(chǎn)物被鋼水從澆口處向距澆口最遠(yuǎn)端逐步前推，并且未氣化的泡沫模熱解產(chǎn)物也在被擠向鑄型時(shí)積聚附著在涂料層內(nèi)壁，與鑄件緊貼在一起。在整個(gè)澆注過程中，進(jìn)入型內(nèi)的鋼水始終與泡沫模熱解產(chǎn)物“親密”接觸，一部分碳便向鋼水中擴(kuò)散，從而造成了鑄件表面增碳。進(jìn)入型內(nèi)的鋼水同泡沫模熱解產(chǎn)物接觸作用時(shí)間越長，接觸面積越大；泡沫模熱解產(chǎn)物越多，濃度越大，增碳就越嚴(yán)重。這就解釋了為什么鑄件在鋼水充型末端和鋼水匯流處的表面增碳幅度較大；沿鋼水充填方向，越遠(yuǎn)離澆口，表面增碳越顯著；越接近澆口，表面增碳幅度越小。所以，對于不同鑄件，澆口位置的選擇十分重要，它決定了鋼水的引入位置和泡沫模熱解產(chǎn)物的流向，也就是說，它可以決定鑄件的某些部位的含碳量和增碳幅度。

在消失模鑄造中，涂料層是泡沫模熱解產(chǎn)物排出鑄型的必過之關(guān)，因此，鑄件的結(jié)構(gòu)對表面增碳的幅度和均勻性影響很大。象板類鑄件那樣形狀簡單的鑄件，因?yàn)殇撍子诔湫?，泡沫模熱解產(chǎn)物易于排出，與鋼水接觸作用時(shí)間短，泡沫模熱解產(chǎn)物在鑄型不同部位的排出速度也相近，所以整個(gè)鑄件表面增碳幅度差異不大；而形狀較復(fù)雜的鑄件，因其在不同部位的進(jìn)型鋼水的流動(dòng)速度有差別，進(jìn)型鋼水與泡沫模熱解產(chǎn)物的接觸面積也有差別，故而造成鑄件表面增碳很不均勻；外形尺寸較大的厚壁鑄件，因其所用模樣材料的質(zhì)量較大，則泡沫模熱解產(chǎn)物相應(yīng)增多，進(jìn)型鋼水與泡沫模熱解產(chǎn)物的接觸面積也相應(yīng)增大，加之厚大鑄件的凝固速度較慢，鋼水與熱解產(chǎn)物接觸作用時(shí)間相應(yīng)增長，所以鑄件的表面增碳幅度也較大且不均勻。另外，鑄件的比表面積越大，對于泡沫模熱解產(chǎn)物順利通過涂料層排出鑄型越有利，能不同程度地降低增碳幅度。由此可見，鑄件的形狀越簡單，壁厚越小，比表面積越大，其表面增碳幅度越小，均勻性也越好。

對于低碳消失模鑄鋼件，因澆注鋼水的碳含量很低，而EPS泡沫模熱解產(chǎn)物的碳含量卻很高，二者存在巨大的碳濃度梯度差。鋼水的碳含量越低，碳濃度差就越大，其增碳傾向就越強(qiáng)烈，所以低碳消失模鑄鋼件的相對表面增碳更加嚴(yán)重。而當(dāng)鋼水碳含量增加時(shí)，二者間的碳濃度差減小，碳的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)條件不足，向鋼水中擴(kuò)散變得困難，故相對增碳幅度變小。有資料報(bào)道，當(dāng)碳含量超過0.45%時(shí)，增碳幅度很小。

基于以上種種因素，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，作者認(rèn)為可采取以下措施控制鑄件表面增碳：

3.3.4 硫酸核糖霉素硫酸鹽含量與酸堿度結(jié)果相關(guān)性分析 將所測19批次樣品的pH值與硫酸鹽含量（HPLC-ELSD法）進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果為y=-4.364 6x+52.579 4（r=0.94，其中 y 為硫酸鹽含量（%），x 為 pH 值，6.0≤x≤8.0）。結(jié)果表明，硫酸鹽含量與酸堿度結(jié)果呈顯著負(fù)相關(guān)，硫酸鹽含量在17.66%～26.39%范圍內(nèi)和溶液酸堿度存在線性關(guān)系，此時(shí)分子式中對應(yīng)的硫酸數(shù)量n值的范圍為1.0～1.7?？梢娝釅A度可以達(dá)到控制硫酸鹽含量的目的，《中國藥典》標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的設(shè)置有一定合理性。

1）中頻爐熔煉鑄鋼，應(yīng)對不同碳含量的碳鋼及合金鋼廢鋼嚴(yán)格分類管理使用，以保證熔煉配料的材質(zhì)成分符合工藝技術(shù)要求。

2）對于特定的鑄件，在保證泡沫模強(qiáng)度的前提下，應(yīng)選用密度和碳含量較小的模樣材料，如共聚材料，以控制泡沫模熱解產(chǎn)物的含碳量[6]。

3）要設(shè)法阻止泡沫模熱解產(chǎn)物固態(tài)游離碳的形成；可向預(yù)發(fā)前的EPS珠粒中添加適量氧化劑，在高溫下能實(shí)現(xiàn)泡沫模熱解產(chǎn)物的去碳，有效降低鑄件的增碳幅度，甚至不增碳[7-8]。

4）增強(qiáng)涂料和造型干砂的透氣性，適當(dāng)?shù)卦龃笳婵斩?，可加速泡沫模熱解產(chǎn)物排出鑄型。當(dāng)型砂粒度在20目/40目時(shí)，澆注時(shí)真空度應(yīng)以0.04 MPa～0.05 MPa為宜。

5）對于厚壁鑄件，在保證泡沫模強(qiáng)度的前提下，將模樣的厚壁部分設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，減小泡沫模的質(zhì)量，控制泡沫模熱解產(chǎn)物的增多。

6）應(yīng)選用碳含量低的泡沫模粘接膠，并控制粘接時(shí)的用膠量，粘接面要盡量少且平整光滑。

7）對于不同的鑄件，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)，選擇正確的澆注工藝，適當(dāng)?shù)靥岣邼沧囟?，可有效地抑制鑄件的增碳幅度。對于低碳消失模鑄鋼件，可選用底注方式，在易增碳部位安放一個(gè)小集渣冒口，使泡沫模熱解產(chǎn)物上浮進(jìn)入集渣冒口中。對于高大的鑄件，應(yīng)盡量采用分散多層澆道設(shè)計(jì)，避免澆道過于集中。

4 結(jié) 語

在實(shí)際生產(chǎn)中，造成消失模鑄鋼件表面增碳的影響因素往往很多，不可能靠單獨(dú)的調(diào)整某一種因素和參數(shù)就能解決問題，而是要把上述措施綜合起來考慮，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，反復(fù)摸索制定出最佳方案，以最大程度地減少中、低碳消失模鑄鋼件的表面增碳。隨著消失模鑄造技術(shù)的不斷發(fā)展，相信人們對于消失模鑄鋼件的表面增碳規(guī)律會(huì)有更加深入地認(rèn)識，最終會(huì)徹底消除消失模鑄鋼件的表面增碳現(xiàn)象，為消失模鑄造技術(shù)拓展出更大的發(fā)展空間。

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