影響消失模球墨鑄鐵件組織的主要因素

程俊偉，王世杰，楊永錄，常 征

隨著先進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)的發(fā)展，一方面對新產(chǎn)品的開發(fā)周期和質(zhì)量要求越來越高，另一方面對關(guān)鍵產(chǎn)品向輕型化、精確化及環(huán)保方向發(fā)展的要求日益迫切。消失模鑄造作為低排放精確成型生產(chǎn)技術(shù)，鑄件加工余量小，尺寸精度高，鑄件重量輕、生產(chǎn)成本低；另外，消失模生產(chǎn)原砂可重復(fù)利用，通過除塵和過濾大大降低了廢氣的排放，為清潔生產(chǎn)提供了新的技術(shù)路徑。但在實(shí)際生產(chǎn)中，消失模所用原砂、白模等因素不同程度對球墨鑄鐵件的組織產(chǎn)生一定的影響。

1 消失模模樣材料及真空度的影響

消失模鑄造過程中，大量采用白模成型，外掛厚度1mm左右的涂料，在一定真空度的條件下澆注。白模材料、模樣內(nèi)外表面使用的涂料、澆注時砂箱內(nèi)真空度的大小都會對球墨鑄鐵件組織產(chǎn)生影響。因此消失模鑄造對球鐵組織的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于潮模砂（粘土砂）鑄造，尤其是對球鐵石墨形態(tài)有明顯的不良影響。

消失模白模一般采用聚苯乙烯和共聚料，在使用中澆注的鐵液與白模接觸，一般發(fā)生以下兩種反應(yīng)[1]。生產(chǎn)消失模球墨鑄鐵件中，共聚料多于聚苯乙烯的使用，這是由于共聚料與鐵液反應(yīng)后釋放較少的碳渣。

EPMMA C5H8O2→3C+2CO↑+4H2↑

由于球墨鑄鐵件碳當(dāng)量高，EPS裂解的碳量高（9C），會使球鐵鐵液含碳量高，增加了球墨鑄鐵件出現(xiàn)石墨漂浮缺陷的風(fēng)險，因此球墨鑄鐵件白模材料多用共聚料代替EPS，即便如此，生產(chǎn)中還會時常出現(xiàn)球化不良的缺陷，致使鑄件力學(xué)性能降低或報廢。美國鑄造師協(xié)會在鑄件缺陷分析一書[2]中指出：鑄鐵在熔煉與澆注過程中，金屬液中如果溶解有氫氣，就具備了產(chǎn)生反白口的條件。換言之，在熔煉和澆注中遇到過多的氫氣，就容易出現(xiàn)鐵液過冷傾向。而消失模鑄造中裂解出大量的氫氣，如果不能及時依靠負(fù)壓作用抽出型外，氫氣就非常容易進(jìn)入鐵液，形成反白口傾向，不利于石墨球的析出。所以說涂料的透氣性、澆注后真空度大小直接影響著裂解氫氣與鐵液接觸時間的長短，也決定鐵液析出石墨球的多少。白模模樣的材料和密度大小決定著裂解出氫氣的多少，密度大的白模強(qiáng)度高，但裂解出氫氣越多。白模表面使用透氣性好的涂料，氫氣脫離的速度比較快。真空泵的大小與質(zhì)量的優(yōu)劣以及砂箱密封程度，決定了澆注后真空度的變化與大小。澆注后真空度變小不利于氫氣脫離，增加了氫氣與鐵液的接觸時間，增大了氫氣對鐵液的影響。因此穩(wěn)定澆注后真空度數(shù)值較高，能減少氫氣對鐵液的不良影響。

在生產(chǎn)車間對相同的鑄件分別進(jìn)行了消失模、消失模與酚醛樹脂砂組織對比實(shí)驗(yàn)。采用同一包球化鐵液先澆注消失模鑄件，后澆注酚醛樹脂砂鑄件，消失模鑄件球化級別多為3級，其次4級，部分2級。水玻璃紗和樹脂砂鑄件球化級別均為2級。通過大量的對比試驗(yàn)表明：消失模球墨鑄鐵件與水玻璃砂和樹脂砂球墨鑄鐵件相比，球化級別平均低1～2級，如圖1、2所示。

圖1 樹脂砂球墨鑄鐵件石墨形態(tài)

圖2 消失模球墨鑄鐵件石墨形態(tài)

2 消失模用原砂的影響

與消失模灰鑄鐵件生產(chǎn)工藝相比，消失模生產(chǎn)球墨鑄鐵件多了爐前球化處理過程，消耗了更多的鐵液熱量，溫度出現(xiàn)不同程度地降低，因此消失模球墨鑄鐵件需要更高的出爐溫度。1580℃以上高溫熔煉，使鐵液冶金質(zhì)量變差，加上模樣裂解出來的氫氣，以及涂料透氣性和澆注后真空度的影響，會增大氫氣與鐵液接觸作用的時間，石墨球析出的數(shù)量減少。較高的鐵液澆注溫度，型砂被烘熱后，處于較高的溫度，從而延遲了鐵液的凝固時間，石墨球發(fā)生畸變。模樣裂解出的碳富集或擴(kuò)散至鐵液中，使原本高碳當(dāng)量的鐵液，非常容易出現(xiàn)石墨漂浮現(xiàn)象，石墨球出現(xiàn)開花狀或串聯(lián)狀畸變，造成球化級別的降低。圖3為畸變的石墨形態(tài)圖。

為了解決造型原砂過熱質(zhì)量問題，除了采用砂冷卻系統(tǒng)之外，有些廠家，選用寶珠砂代替硅砂。這種粒度圓整的人造砂以三氧化二鋁為主要成分，透氣性好，熱傳導(dǎo)性良好，耐火度高，不易粉碎。

圖3 消失?；兪螒B(tài)

消失模造型用砂，沒有任何添加物，在負(fù)壓的作用下具有很高的強(qiáng)度，尤其是殼體件的內(nèi)部，與鑄件外部一樣是高強(qiáng)度干砂。澆注后不具備粘土砂內(nèi)部砂芯的退讓性，凝固時產(chǎn)生應(yīng)力，對于結(jié)構(gòu)中存在應(yīng)力集中的殼體件，容易出現(xiàn)裂紋缺陷[3]。

3 冶金質(zhì)量和澆注溫度的影響

目前，鑄鐵件消失模鑄造出爐溫度大多集中在1550～1610℃，有的企業(yè)高達(dá)1650℃，鐵液處于過熱狀態(tài)，超出了鐵液過熱一般許可的溫度，鐵液的冶金質(zhì)量變差，激冷能力增大，白口傾向也急劇增大。

針對消失模球墨鑄鐵件出現(xiàn)的球化不良缺陷，有生產(chǎn)企業(yè)依靠增加球化劑的加入量保證消失模球墨鑄鐵件的球化率和力學(xué)性能，爐前球化劑加入量達(dá)到鐵液重量的2.0%、2.4%，是治表不治本的技術(shù)措施，其結(jié)果是出現(xiàn)夾渣、石墨漂浮、加工性差、滲漏等一系列質(zhì)量問題，而且還會造成生產(chǎn)成本的增加。引起這些問題的原因是消失模鑄造過程中，球化處理大量使用球化劑，使鐵液中大量的稀土殘余量增加了石墨漂浮的傾向。由于球鐵鐵液具有較大的張力，大量細(xì)小的稀土氧化物和硫化物與鐵液比重接近，在沒有外力作用的條件下不能浮出，增加了夾渣夾雜的風(fēng)險，惡化了鑄件的加工性。

改善消失模球墨鑄鐵件的組織性能，通過澆注系統(tǒng)的改進(jìn)，增加每次澆注鑄件的重量，減少每包鐵液的澆注時間，可適當(dāng)降低出爐溫度、改善鐵液冶金質(zhì)量、強(qiáng)化爐前和澆注孕育，使用長效孕育劑或硫氧孕育劑，關(guān)鍵是選擇優(yōu)質(zhì)、反應(yīng)平穩(wěn)的球化劑，嚴(yán)格控制爐內(nèi)硫量。此外選用適當(dāng)?shù)恼婵毡?，保證真空度的穩(wěn)定，防止?jié)沧㈣F液后真空度降低，選用共聚料和透氣性好的涂料，能夠減少或消除消失模生產(chǎn)中各種工藝因素對球鐵鐵液的影響。

4 結(jié)論

消失模球墨鑄鐵件生產(chǎn)中，原砂、白模、涂料、真空度、冶金質(zhì)量、澆注溫度等因素，在一定條件下，對球墨鑄鐵件的石墨形態(tài)產(chǎn)生較大影響，改變了鐵液的凝固特征，降低了鑄件的球化率。改善鐵液冶金質(zhì)量、強(qiáng)化爐前和澆注孕育、加強(qiáng)對球鐵處理過程、消失模澆注過程工藝參數(shù)的監(jiān)測與控制，是可以減少或消除消失模原材料等各種藝因素的不良影響。

[1]劉俞銘.消失模鑄造新工藝新技術(shù)與生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例及鑄件缺陷防止和有色合金消失模鑄造關(guān)鍵技術(shù)使用手冊[M].北京:北方工業(yè)出版社,2011:32-35.

[2] 美國鑄造師協(xié)會.鑄件缺陷分析[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1982:55-57.

[3] 程俊偉.高強(qiáng)度殼體鑄鐵件裂紋的成因分析與對策[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2005(02):53-57.