消失模鑄鋼件裂紋問題分析

莊大山

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

因工作需要，有幸參與到一條全新的消失模鑄鋼生產(chǎn)線的籌備工作，后期作為北煤機(jī)鑄造方面常駐鑄造分廠主要的技術(shù)力量主持參與了新鑄造的投產(chǎn)試運(yùn)行，經(jīng)過歷時(shí)半年多的摸索與實(shí)踐，新鑄造基本走上正軌，雖然仍存在這樣那樣的問題，但前景依然是光明的。本文是將鑄件裂紋的出現(xiàn)原因，解決裂紋問題的實(shí)踐思路以及最終的解決方案寫出來與大家共同探討共同進(jìn)步。

消失模鑄造是把涂有耐火材料層的泡沫模型放入砂箱，模型四周用干砂或自硬砂充填緊實(shí)，澆筑時(shí)高溫金屬液使泡沫熱解“消失”，并占據(jù)模型所退出的空間，而最終獲得鑄件的鑄造方法[1]。相較于傳統(tǒng)鑄造，消失模鑄造具有鑄件精度較高、設(shè)計(jì)靈活、生產(chǎn)環(huán)境好、運(yùn)營成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但是沒有哪種工藝是完美的，現(xiàn)階段依然存在著各類缺陷，影響鑄件質(zhì)量。

保證消失模鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵就是避免各類鑄造缺陷的出現(xiàn)，新投產(chǎn)的消失模鑄鋼生產(chǎn)線不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種各樣的質(zhì)量問題。往往鑄件的質(zhì)量問題是多種因素綜合影響的，單單就一個(gè)問題討論意義不大，必須輔以工藝條件多變量綜合分析。

鑄件調(diào)質(zhì)裂紋的成因初步分析大致為增碳、夾渣與氣孔。

鑄鋼件化學(xué)成分是決定材料性能的關(guān)鍵，其中碳含量的多少對性能影響最直接。消失模的模型多數(shù)是易燃的聚乙烯泡沫，在鋼水充型取代泡沫時(shí)，氣化不完全的泡沫殘留在鑄件當(dāng)中，使碳含量增高，導(dǎo)致增碳。

增碳會(huì)導(dǎo)致鑄件化學(xué)成分脫格。具體表現(xiàn)為：鑄件硬度高，加工困難；鑄件內(nèi)外部化學(xué)成分不均勻，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增大，鑄件調(diào)質(zhì)處理易出現(xiàn)裂紋。

業(yè)界普遍認(rèn)為消失模生產(chǎn)工藝不適合鑄鋼尤其是低碳鋼。試生產(chǎn)初期，以ZG27SiMn（含碳量0.24～0.32%）為實(shí)驗(yàn)樣本[2]，對比分析出鋼時(shí)鋼水的化學(xué)成分與鑄件本體取樣的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，研究增碳規(guī)律。通過改變生產(chǎn)工藝減少鑄件中夾渣氣孔的出現(xiàn)幾率，并將此項(xiàng)變量綜合到鑄件增碳研究中綜合分析。

解決增碳從兩方面著手：從源頭控制，減少進(jìn)入鋼水的碳，增加排出的碳。

第一階段實(shí)驗(yàn)：

采用不同密度的泡沫作為模型，對比找出源頭項(xiàng)對增碳的影響幅度。

條件：鑄鋼件暗冒口封閉澆鑄[3]。模型為各類密度的泡沫板材8-18kg/m3，澆鑄真空50，出鋼時(shí)含碳量控制在中下線0.24～0.27?；?yàn)出鋼時(shí)的碳含量，對比成品件本體取樣的碳含量。

第一批鑄件：模型泡沫密度18kg/m3，2015 年11 月25 日A，B，C 三爐ZG27SiMn 的C 含量分別為0.24%，0.25%，0.22% 。成品件本體取樣，打磨平整，光譜分析由表面至芯部5 個(gè)點(diǎn)，記為a,b,c,d,e,點(diǎn)間距5 到10mm。如下表：

表1 第一批三爐ZG27SiMn，成品件本體取樣化驗(yàn)碳元素含量%

結(jié)論：增碳嚴(yán)重，鑄件成分完全脫格。在鑄件中碳含量由芯部到表面呈遞增趨勢，芯部增碳輕微，表面嚴(yán)重增碳。鋼水液取代泡沫沖型過程中，鑄件表面的鋼水在負(fù)壓條件下先凝固，未完全氣化的泡沫碳化殘留在鑄件中，越接近表面情況越明顯。甚至于在鑄件表面有光亮碳缺陷的出現(xiàn)。

第二批鑄件：模型泡沫密度14kg/m3，2015 年11 月30 日A，B，C 三爐，出鋼前化驗(yàn)碳含量分別為0.23%,0.24%,0.22%。其它試驗(yàn)方法同第一批次。數(shù)據(jù)如下：

表2 第二批三爐ZG27SiMn，成品件本體取樣化驗(yàn)碳元素含量%

結(jié)論：增碳現(xiàn)象依然明顯，碳含量依然遠(yuǎn)高于合格成分，且鑄件表面仍有光亮碳皺皮現(xiàn)象。對比第一次，通過降低泡沫密度的方法能有效降低增碳，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

第三批鑄件：模型泡沫密度8～10kg/m3,2015 年12 月5 日A，B，C 三爐，出鋼前化驗(yàn)碳含量分別為0.22%,0.24%,0.23%。試驗(yàn)方法同前兩次。數(shù)據(jù)如下：

表3 第三批三爐ZG27SiMn，成品件本體取樣化驗(yàn)碳元素含量%

結(jié)論：總體碳含量符合ZG27SiMn 要求，表面碳含量趨近于材料上限，芯部成分良好，含碳量依然從芯部到表面呈遞增狀，且幅度較大，成分不均勻。

分析三批次實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：通過降低模型密度的方法能有效的減少增碳幅度。

但是模型密度不是越低越好的，低密度泡沫強(qiáng)度低，易變形，增加模型組型、涂料刷涂難度。并且低密度泡沫之間的空隙較多，涂料容易進(jìn)入泡沫中，影響鑄件的表面質(zhì)量。甚至一部分涂料在鋼水的沖刷過程中夾雜于鑄件內(nèi)部形成內(nèi)部缺陷。

將三批次的鑄件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理發(fā)現(xiàn)，各批次均有不同數(shù)量的鑄件存在裂紋現(xiàn)象，第一、第二批次最為嚴(yán)重，個(gè)別鑄件出現(xiàn)斷裂、掉角等嚴(yán)重缺陷。將問題鑄件由裂紋處切開，通過分析裂紋狀態(tài)，斷口形狀確定：表面網(wǎng)狀裂紋，內(nèi)部無明顯缺陷的鑄件為增碳引發(fā)應(yīng)力不均勻，導(dǎo)致鑄件裂紋出現(xiàn)。表面大裂紋，內(nèi)部組織成蜂窩狀，為夾渣、氣孔缺陷引起。暗冒口澆鑄工藝不僅增碳嚴(yán)重，而且嚴(yán)重阻礙氣體排出，鋼渣的上浮，影響鑄件質(zhì)量[4]。

第二階段實(shí)驗(yàn)：

根據(jù)前段實(shí)驗(yàn)分析，擬定下一步方案：加快白模中碳的排出，減少夾渣對鑄件裂紋的影響。工藝要求，出鋼前打渣，鋼水包內(nèi)二次打渣爭取處理干凈。鋼水包表面覆蓋耐火石棉，起集渣、保溫的作用，澆鑄過程中專人擋渣。

條件：模型為14～16kg/m3密度泡沫，開放式明冒口澆注（包括實(shí)型澆鑄與空殼澆注）。

第四批鑄件：明冒口實(shí)型澆鑄。2015 年12 月11 日A，B，C三爐。鋼水配碳依然走下限。出鋼前化驗(yàn)碳含量分別為0.23%,0.23%,0.25%。試驗(yàn)方法同上。數(shù)據(jù)如下：

結(jié)論：碳含量的趨勢依然是由芯部到表面逐漸增高。但幅度較小。最大增碳量在0.04%左右。所有樣塊成分均合格。

第四批鑄件：明冒口空殼澆注[5]2015 年12 月20 日A，B，C三爐。要求配碳按照中線配。出鋼前化驗(yàn)碳含量分別為0.28%,0.27%,0.25%。試驗(yàn)方法同上。數(shù)據(jù)如下：

表5 第五批三爐ZG27SiMn，成品件本體取樣化驗(yàn)碳元素含量%

結(jié)論：碳含量均勻分布，微量的碳含量波動(dòng)與泡沫的燒凈程度有關(guān)。增碳現(xiàn)象得到解決，所有樣塊均合格

第二階段鑄件退火后切削加工容易，硬度合格。隨后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理均未發(fā)生鑄件裂紋現(xiàn)象，且硬度值處于合理范圍，破壞若干鑄件均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷。

結(jié)論與討論：

明冒口空殼澆注能有效的解決鑄件裂紋問題。

新鑄造分廠鑄件裂紋的產(chǎn)生歸結(jié)到兩方面：成分與夾渣氣孔缺陷。鑄造缺陷存在的原因從來不是單方面的，要解決問題必須有大局觀，綜合研究多個(gè)變量，辯證的思考問題。

對比兩階段共五批次15 爐ZG27SiMn 鑄件可得出結(jié)論。白模是鑄件增碳的根本來源，克服鑄件增碳因從兩方面著手，減少進(jìn)入鑄件的碳?xì)埩簦捎妹芏群细竦呐菽谱髂Ｐ?。?yōu)化鑄件澆鑄過程中碳的排出，采用明冒口設(shè)計(jì)工藝，有利于集渣、排氣?？諝茶T作為最優(yōu)的工藝方案能從根本上解決低碳鋼的消失模增碳問題，解決了鑄件成分不均勻?qū)е碌牧鸭y。明冒口相較暗冒口更有利于氣體的排出和鋼水中雜質(zhì)的上浮，降低了鑄件內(nèi)部夾渣氣孔等缺陷的存在，解決了由鑄件夾渣氣孔缺陷引起的裂紋。

但是空殼澆鑄在實(shí)驗(yàn)過程中有其局限性。需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

（1）空殼澆鑄對消失模涂料要求比較嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)過程中有鑄件表面存在網(wǎng)狀紋路粘砂現(xiàn)象，原因?yàn)橥苛蠈釉谀Ｐ蜔者^程中出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致鋼水外鉆，增加后期清理難度。所以涂料層必須有足夠的強(qiáng)度，保證燒空過程不開裂。這就要求涂料層厚度較傳統(tǒng)消失模要厚，且涂料層必須完全烘干。然而太厚的涂料又不利于鑄件表面氣體的排出，研究尋找一款合適的涂料至關(guān)重要[6]。

（2）干砂造型還必須要有合適的負(fù)壓，型殼燒空以后，涂料層支撐型腔的作用趨近于零，塌箱與否的關(guān)鍵就是足夠的負(fù)壓，對真空設(shè)備要求較高。澆鑄完成以后合理的保壓時(shí)間也是影響鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵。保壓時(shí)間短鑄件不能完全凝固導(dǎo)致變形，時(shí)間太長則不利于鑄件內(nèi)部應(yīng)力的釋放。工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到真空條件下氣體的流通渠道，不同壁厚鑄件的合理保壓時(shí)間，對工藝設(shè)計(jì)要求較高。

（3）燒模人員與澆鑄人員及生產(chǎn)線操作員必須默契配合。這幾個(gè)環(huán)節(jié)任何一個(gè)出問題都將導(dǎo)致塌箱，鑄件報(bào)廢。

（4）明冒口保溫作用有限，補(bǔ)縮能力較差，雖然本廠采用頂部澆鑄工藝，澆鑄完成后加蓋保溫覆蓋劑，盡量保證冒口最后冷卻增加其補(bǔ)縮能力，杜絕縮松縮孔等極易引起鑄件開裂的因素。冒口相對較大，鑄件出品率依然相對較低。

（5）澆鑄中合理的避渣手段同樣也是極為關(guān)鍵的。這就需要綜合考慮電爐冶煉，鋼水包材料，保溫集渣手段，澆鑄擋渣手段等一系列的問題。