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消失模铸钢件碳缺陷的研究现状及展望

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专题综述 1996年7月30日收稿。消失模铸钢件碳缺陷的研究现状及展望华中理工大学(武汉430074) 王忠柯　黄乃瑜 【提要】回顾了消失模铸造铸钢件增碳的研究情况;简述了浇注过程中铸钢件的增碳机理;指出了减轻铸钢件增碳的工艺控制措施;最后,简要展望了该课题的研究前景及其所具有的重要意义。

关键词:消失模铸造　铸钢件　增碳

近10多年来,消失模铸造(简称EPC)因其在工艺上和经济上的独特优越性,已被越来越多的人们竞相采用为生产近净形化铸件的方法。从理论上讲,EPC法适用于任何材质的铸件,除铸铝件和大部分铸铁件外,也在象高合金钢、耐热钢、耐磨钢等尺寸精度要求高、不需要加工的铸件上都取得了成功。如德国KW公司用EPC法生产大型挖掘机齿轮、坦克履带和水泥滚筒中的隔开链条(含30%Cr)等〔1〕;轻小型铸钢件,如除雪机齿尖等,尺寸公差可由原来的±2mm减小到±0.03mm,且消除了湿砂型铸造时的砂眼、飞翅等缺陷〔2〕。但是,在实际生产中,铸钢件都存在增碳问题,尤其是低碳钢铸件。铸件表面增碳后,使得铸件硬度增加,给铸件机械加工带来困难,并且使铸件的焊接性能变差〔3〕。再者,铸件中的气含量增多,其力学性能因增碳而改变。研究表明,在铸件凝固过程中,碳的极限传质系数为1时,金属中的碳含量增加17%～28%,抗拉强度极限增高5%～15%,而相对应的伸长率和冲击韧性却降低〔4〕。对高合金钢,碳化对腐蚀应力和吸氢行为会产生根本性的影响,并且导致针孔〔5,6〕。到目前为止,铸钢件增碳规律仍未得到深刻的揭示,增碳的机理及其解决措施,还没有完整的系统性研究和报道,至今仍为铸钢件增碳的世界性难题,从而极大地限制了消失模技术在铸钢件生产中的应用。因此,对这一问题的研究现状进行系统性的分析研究,并从中找出解决问题的技术路线是十分必要的。 一、铸钢件增碳程度的国内外研究概况 从国外文献报道看,不同条件下铸件发生表面增碳、体积增碳、局部增碳以及不增碳和脱碳等不同情况,其结果与钢液的原始成分、含碳量、浇注工艺及铸型条件等因素有关。前苏联专家的大量研究认为,用EPS模样生产铸钢件时,表面增碳量可达0.10%～0.15%,局部严重时出现所谓“黑斑”现象〔7〕,渗碳深度达数毫米(譬如,在生产20Cr和45Cr时,可达1.8～2.8mm〔8〕)。增加钢中的初始含碳量,铸型和钢中碳的浓度梯度下降,碳的扩散变的困难,当碳含量达1.5%～2.0%时,表面几乎不增碳〔9〕。若工艺上采用负压,抽气管负压控制在

490.333Pa、抽气速度≥10m/s时,铸件表面不存在渗碳层,反而产生脱碳。如生产铬钢,脱碳深达0.2～0.4mm〔8〕。

消失模铸造铸钢件体积增碳,一般的理解是铸件整个断面都存在增碳现象,并认为起体积增碳作用的是合金元素。合金钢铸件中,由于碳化物形成元素(Cr、Mo、V等)都阻碍C、H产物在钢液前沿中的扩散,因而在钢液体积内的增碳与增氢过程被遏制了;而当钢中不存在碳化物形成元素时,铸件在整个体积内发生增碳。如用气化模浇注08MnCuNiV钢时,钢中的碳量增加了0.06%〔10〕。对于碳钢铸件,体积增碳有别

于合金钢铸件,只有在金属液以湍流形式充满型腔时才能发生。此时,钢液中很容易卷入EPS分解物,造成局部的包容式(体积)增碳,并且也为该处气孔的形成创造了条件。低速浇注大中型铸件时,钢的成分是增碳的主要因素;而浇注小件时,总是以高的浇注速度进行,因而体积增碳不可避免。已得出,碳化物形成元素含量小于10%的低合金钢,浇注速度为6cm/s时,除合金钢外都发生体积增碳〔3〕。又如,巴尔

哈斯克的采矿-冶金联合工厂,采用密度为0.02g/cm

3

的EPS板材,浇注35钢的轮缘和轮毂以及100СГЛ钢的炉衬板铸件,分析结果发现,35钢铸件的体积增碳约0.04%～0.06%,而100СГЛ铸钢件没有体积增碳〔11〕。

西方学者认为,用EPS模生产低碳钢铸件时,模

·44· 《铸造》1996.11 样中的碳溶入液态金属中,铸件表面碳量增加0.1%～0.3%,使之高于许多低碳钢、高强度钢和耐蚀低碳不锈钢的碳含量〔12,13〕,但未提及所谓容积(体积)增碳现象。增碳层厚度,工艺上以采用负压浇注高合金不锈钢为例,微观金相观察,在试样表层下3.18mm的深度,发现最好部位增碳为0.09%,最差处增碳0.23%〔14〕,未发现脱碳现象。美国密苏里大学罗拉分校对铸件增碳的研究结果指出,模样碳化通常发生在钢液凝固前的数分钟内,增碳程度取决于EPS混合物和铸件间的接触时间,并依赖于EPS中的C量和铸件壁厚。例如,铸件中初始含碳量0.1%,EPS混合物中含碳量为0.3%时,如果要求铸件最终含碳不超过0.2%,增碳层厚度小于1.5mm,则最佳铸件壁厚应为4cm〔15,16〕。国内研究结果认为,除工艺因素外,因模样材料产地的不同(即质量有差别),铸件的增碳差别较大。如相同条件下浇注ZG450条形试样,韩国产密度为0.026g/cm3的EPS,试样增碳厚达0.80mm;美国产密度为0.028g/cm3的EPS,试样增碳厚度仅为0.53mm〔17〕。工艺上因涂料层性质及负压的不同,铸件表面的增碳程度也有较大差别。有人试验浇注密度为0.02g/cm3EPS的ZG250阶梯试样,当涂层厚度为2.0mm时,最高增碳量达0.37%;当涂层厚度为0.5mm时,渗碳深度为1.3mm,最大增碳量为0.06%。在涂层厚1mm、透气率为302时,负压度由-27kPa提高到-53kPa,试样的最高增碳量由0.117%降为0.03%〔18〕。在实际生产中,据锦西化工机械厂的早期报道,不锈钢铸件的表面增碳量可控制在0.02%～0.04%范围内,增碳层厚度不超过0.5mm〔19〕;宝鸡石油机械厂在负压0.04MPa下浇注ZG35CrMo,铸件表面存在0.38mm厚的脱碳层,与早期前苏联人对铬钢的试验结果类同。综上所述,增碳与EPS模样密度、铸件壁厚、钢液成分、浇注参数(温度和速度)、涂层性状及负压等条件有关,可以定性地了解到这些因素的作用效果。但是,迄今为止的文献报道对铸件增碳的不均匀性缺乏报道。实际上,铸件的增碳存在很大的不均匀性,不同铸件的增碳量不同,即使同一铸件其不同部位的增碳量也是不同的,并且和内浇道开设位置、浇注时金属液的流向有很大关系。泛指铸钢件增碳大小是不科学的,只有得出不同条件下铸件不同部位增碳量的分布规律,才能对工厂的生产有实际的指导意义。 二、铸钢件的增碳机理EPC工艺与其它铸造工艺的最大区别是留在铸型内的模样气化分解,浇注过程中EPS模样的热分解特性及其热分解产物和铸件的增碳直接相关。笼统地说,铸件增碳的机理是碳向流动的钢液以及凝固着的铸件中的扩散。由浇注过程中EPS热分解特性可知,钢液与涂层界面间的液态残余物和凝聚的蒸汽相,要在金属液充型过程中及其结束后的时间内继续气化、分解和碳化,一方面通过涂层向周围砂子中扩散,另一方面又向凝固中的金属液中扩散,形成碳富集层。如图,表明了金属液的充型和EPS的热解消失过程〔21〕。

图　金属液的充型及EPS模的消失过程示意图1.固体EPS模样　2.液态EPS及其分解产物　3.气体　4.砂子5.涂料层　6.凝固的金属　7.液态金属　8.金属液流前沿的光亮碳

前苏联的研究,把碳的传质分为三个阶段,即碳传送到相界面、越过分界面和在金属内扩散,并得出进入铸件中的碳量的基本传质方程为:W=KEF(C-C0)f式中　W——进入铸件中的碳量 F——模样分解产物-蒸汽气体混合物与金属的接触面积 C-C0——碳的浓度差而对充型过程中钢液镜面面积上的碳扩散,假定碳浓度在金属流股断面上是均匀的,可用不稳定扩散方程求解,即LC/Lf=(D+Xα) d2C/dX2

式中　D——置换分子扩散系数 Xα——扩散的稳流性(程度)并且认为高合金钢和碳钢的增碳机理,在定量和定性上都不尽相同。高合金钢不存在体积(容积)增碳和增氢,主要是表面增碳,其原因是合金元素对增碳的影响。碳化物形成元素Cr、Mo、V、Mn等增加碳在铁中的溶解度,但由于键合成Me-C类型的复合物,其扩散迁移速率小,一般为稳定的碳化物网状体,抑制

·45· 《铸造》1996.11 了金属液流端部的碳扩散,从而使体积增碳和增氢过程受到抑制。进一步研究还指出,碳化物形成元素抑制钢的增碳是在碳由铸件表面向深处扩散时表现出来的。碳钢和低合金钢不仅存在表面增碳,而且在紊流充型时产生体积(容积)增碳〔3,9,10〕。铸钢件体积增碳主要发生在钢液充型过程中,这是与铸件表面增碳的主要区别。铸件截面越大钢液充型速度越慢,钢液与间隙内自由碳接触时间越长,或者钢液以湍流形式充满型腔时,都将加剧铸件的体积(容积)增碳。表面增碳发生最强烈的阶段,是金属液与固液态共存阶段,固相线以下发生轻微。西方学者把碳向铸件中扩散归因为下列4个因素〔15,16〕:○a铸件温度,○bEPS混合物中碳含量,○c熔融金属中初始碳含量,○dEPS混合物与铸件间的接触时间和反应时间。并且认为,碳扩散的控制方程如下:碳向熔融金属中的扩散为:LC/Lt=D1(L2C/LX2)在凝固的铸件中为:LC/Lt=L〔D1(LC/LX)〕/LX显然,较高的熔融金属温度增大了碳原子扩散的动力,促进了碳原了在金属原子空隙处的移动。金属与EPS混合物之间碳的浓度差增强了碳原子向金属中的扩散,接触时间长,从EPS混合物扩散入金属中的碳就多。随铸件温度的下降,EPS混合物扩散入砂型中的速率降低,相类似的,铸件中碳的扩散也随时间而下降,因为扩散系数依赖于铸件温度。据资料〔22〕介绍,碳在液态、液-固和固相线以下的钢中,扩散系数分别为(6～8)×10-9m2/s、0.4×10-9m2/s和5×10-14m2/s,可见,自由碳在钢液和凝固界面上的扩散活力远大于在固态钢中的扩散能力,所以,铸件表面增碳随钢液凝固后温度下降而减弱。正如Ю.巴捷巴诺夫等人所述〔9〕,增碳层的深度和碳在其中的分布,决定于铸件的结晶速度,而结晶速度又首先取决于铸型的热活度b2系数,b2值越大,结晶速度越大,因而增碳层就越薄。铸件的表面增碳,通常发生在浇注后的数分钟之内。在铸件凝固冷却过程中,表面有增碳又有脱碳,实际上与负压的运用与否无关;增碳、脱碳都是氧化反应,主要是基体铁的氧化和碳的氧化,二者同时发生在铸件表面上,并且相互关联。当碳的氧化速度超出铁的氧化速度时,就会在铸件表面形成明显的脱碳现象,反之不仅不会存在脱碳层,相反要存在增碳层。上述文献中对铸件的增碳机理不仅有定性阐述,而且有定量的数学描述,但是,都没有以浇注工艺和铸型条件为基础,提出铸钢件增碳的动力学和热力学条件。只有基于此,提出工艺参数来控制浇注过程中模样的热分解和金属液的充型,才能对实际生产提出更有效的指导措施,避免或减轻不同条件下不同铸钢件的增碳。 三、减轻或消除铸钢件增碳的途径

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消失模铸造缺陷及解决措施

消失模铸造缺陷及解决措施

铸造缺陷及解决措施：1、砂眼（或白灰）：是铸件的致命缺陷，重则报废。

要做到：①、浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道与铸件封闭结合严密。

如不严密，在负压的作用下就会吸入砂子，所以装箱者一定要精心操作，把好各关口。

任何一个薄弱环节或疏忽都会造成此类缺陷。

②浇注系统多刷一遍涂料以增强其强度。

③涂料的强度、透气性、刚度、耐火度、暴热抗烈性也很重要，因为在运输、装填砂、震动时都会出现破坏、变形、开裂、脱落。

④震实时，开始幅度要小，待填满砂时再振幅大些。

⑤浇口杯无浮砂、尘土等杂物。

⑥浇注时，浇包嘴尽量靠近浇口杯，以免压力头过大。

⑦负压过大，使金属液流经开裂、裂纹处时，吸入干砂和杂物可能性加大，粘砂严重。

⑧过快的充型速度使冲刷力加大。

2、气孔：①浇注温度低，充型前沿金属液不能使泡沫充分分解汽化，未分解的残留物质来不及浮集到上面及冒口中，汽化分解生成的气体及残留物不能及时排出铸型而凝固在铸件中，另外，摸样分解不充分，液相残留物会堵塞涂料层，使热解气体排出受阻，腔内形成反压力，充型流动性下降，凝固快。

②涂料透气性差或负压不足，砂子透气性差，不能及时排除型腔内的气体及残留物，在充型压力下形成气孔。

③浇注速度慢，浇口杯未充满，暴露直浇道卷入空气，吸入杂质，形成携裹气孔和渣孔。

④浇杯容量小，金属液形成涡流，侵入空气生成气孔。

⑤浇口杯及浇注系统之间的连接处密封不好，尤其是直浇道和浇口杯。

在负压作用下很容易形成夹砂及气孔。

⑥型砂粒度太细，粉尘含量高，透气性差，负压管道内部堵塞，造成负压度失真，使型腔周围的负压值远低于指示负压，汽化物不能及时排出涂料层而形成气孔或皱皮。

⑦合理的浇注工艺和负压度。

消失模浇注工艺是以充满封闭直浇道为原则，不能忽快忽慢、紊流、断流，更不允许暴露直浇道。

浇注速度，尤其是在行车提升停顿瞬间力求平衡，不断流。

进入尾期慢慢收包，使渣、气、及汽化残留物有充分时间浮集到浇冒口中。

负压度过大，加剧金属液渗透粘砂，并造成附壁效应，不利于液相泡沫被涂层吸附，生成很多气孔。

消失模铸造铸钢件的增碳与防止

消失模铸造铸钢件的增碳与防止

消失模铸造铸钢件的增碳与防止用消失模铸造工艺生产铸钢件其表面或内部的碳含量会增高，比铸件含碳量的要求要高，称为增碳或渗碳缺陷，往往对ZG25（含碳量<0.25%的低碳钢中）渗碳为多，ZG45～ZG60（含碳量>0.25～0.60%中碳钢时）渗碳为少，ZG60以上（含碳量>0.60%高碳钢时）渗碳就很少。

表面渗碳层深度0.1～3㎜之间，渗碳量为0.01～0.1%不等。

整体渗碳渗碳量0.01～0.05%之间不等。

表面渗碳往往很不均匀，从而使表面硬度产生差异，甚至基体组织也不同，随着增碳量的增多，表面扩大，随之珠光体也增加，使铸件加工性能、力学性能变差，影响铸件的表面质量，甚至使用性能。

形成原因：浇注过程中，泡沫塑料模在高温钢液的作用下发生分解、裂解其产物又与钢液作用，同时在涂料和干型砂的作用下是一个复杂的物理化学冶金反应过程从而形成渗碳（增碳）。

在铸钢件的高温浇注温度>1550℃作用下，泡沫塑料模快速地从固态向液态、气态转变，同时伴随着聚合物的裂解，从大分子向小分子直至裂解为游离碳。

在裂解气化过程中，在消失模浇注负压的作用下，裂解产物不断通过涂料层排出，但裂解为有利坦的部分以及部分焦状物与液态泡沫由于不符合通过涂料层的条件，滞留在涂料层内侧，在浇注与冷凝过程中与钢液、铸件接触，当钢液含碳量较低时，分解产物中的碳将扩散至铸件中造成渗碳。

防止措施：ａ、选择优质的泡沫塑料泡沫塑料的质量优劣直接影响着浇注过程中模样的气化速度及裂解产物的形态。

高质量的泡沫塑料要求含碳量低、分子量大、在保证泡沫型强度下模样密度低等。

ｂ、选择合理的浇注工艺浇注工艺的设计要能加速模料的气化，减少及错开分解产物中液相和固相与钢液的接触和反应时间，可减少或降低和避免铸钢件渗碳。

这包括适宜的浇注温度和浇注速度、良好的涂层透气性与肝砂铸型透气性、合适的型壁负压度、使用方渗碳涂料等。

ｃ、采用精塑模复合铸造工艺对于低碳钢，对渗碳特别敏感的铸钢件、不锈钢件、合金钢件，可采用将泡沫塑料模、溶模铸造和负压铸造相结合的一种精密复合铸造法。

消失模铸造存在的问题

消失模铸造存在的问题

消失模铸造存在的问题/对策2009-3-25 23:15:00消失模铸造工艺及产品以其外观质量好，尺寸精度较高，工人劳动强度低以及作业环境好等优点在我国铸造行业中得到了很好运用，特别是近年来，国内有关厂家及科技人员不断在原材料和工艺设备上进行研制开发，使该工艺基本实现国产化，更进一步推动了消失模铸造工艺，技术的发展。

消失模铸造又名实型铸造或气化模铸造，直观来讲即：将泡沫塑料模型埋入干砂后抽真空注入铁液形成铸件，当然要很好运用此工艺技术生产出优良产品，还应很好的撑控下列问题。

一、砍消失模铸造成形原理的研究1．干砂消失模铸造成形的基本条件2．泡塑模型的热解特性3．干砂消失模铸造型砂充填及紧实特性4．干砂消失模铸造型液体金属的充型置换特性5．干砂消失模铸造铸件凝固特性6．干砂消失铸造铸件冷却特性及其对铸铁组织性能和残余应力的影响二、干砂消失模铸造共健技术的开发1．消失模铸造发泡模具设计及制造技术（1）发泡模具的作用、要求及制造流程（2）泡塑模型（块）设计（3）发泡模具设计（模具种类、模块数量、模块分型面；结构设计；模腔设计、通气孔、加料口、出模机构、定位。

）（4）泡模具加工（5）模具的装配调整（6）发泡模具试模（7）发泡模具有的快速制造2．消失模铸泡塑模型制造技术（1）模型原材料性能及选择（2）予发泡技术（3）熟化技术（4）模具成型技术3．涂料及涂料要求及基本组成（1）消失模铸造用涂料要求及基本组成（2）模型涂刷方法（3）涂层烘干4．微振造型技术（1）消失模铸造对干砂造型的要求（2）造型关键设备及工装——振动台及砂箱（3）造型工艺参数5．负压浇注技术（1）浇注的技术要求（2）真空系统的开发（3）负压浇注工艺参数三、消失模铸造原辅材料1．泡塑模型原材料——可发性树脂珠粒（1）消失模铸造对模型原材料的要求（2）可发性树脂的结构及性能（3）国内供应的树脂珠粒的品种规格2．模型粘结胶的材料3．模型表面修补剂4，商品涂料的选用5．型砂四、干砂消失侯铸造设备及车间设计开发了整套消失模铸造设备，并有专门供应厂商（1）制模设备——予发机及成型机（2）模型粘结机（3）涂料及涂层制备设备（4）造型设备——各种振实，加砂装置（5）落砂设备——各种翻箱，落砂装置（6）砂处理设备——型砂筛分、冷却装置、型砂输送设备（7）负压浇注设备（8）环保设备——除尘系统设备，浇注尾气净化装置五、工艺水平最小重量0．"2kg最大重量500kg最小壁厚3．"5mm最小孔眼Φ8尺寸精度OBCT8重量精度GBCT8表面粗糙度Ral 2．"5μm加工留量2－smm六、干砂消失模铸件铸造缺陷分析1．对干砂消失模铸件的铸造缺陷进行全面分析四大类十四种铸造缺陷特征、产生原因、影响因素及防止措施等进行了阐述。

我国消失模铸造设备的现状及发展趋势

我国消失模铸造设备的现状及发展趋势

我国消失模铸造设备的现状及发展趋势我国消失模铸造设备的现状及发展趋势摘要：分析了我国消失模铸造产业现状，以及消失模铸造设备的技术现状，对消失模铸造设备需求进行了分析，同时对消失模铸造装备及技术水平进行了分析，讨论了关键设备的技术进展及发展趋势。

关键词：消失模铸造产业；设备；设备需求；技术水平；技术进展；发展趋势1我国消失模铸造产业现状到2009年底，全国消失模铸件产量接近80万t，排名世界第一。

其中规模以上生产企业200～250家，年产超过万吨的企业达到11家，年产超过5 000t达到30～50家。

消失模铸件产量的增加，对消失模铸造设备的需求提出更高的要求。

目前，全国消失模铸造企业所用设备绝大多数为国产设备，少数几家采用引进国外生产线。

在采用国产设备的消失模铸造企业中，大部分中小企业设备简陋，单机生产，不配套，不完善。

如采用人工切割泡沫板材制作模样，单个或两个振动台，使用天车运输砂箱，旧砂采用摊凉，砂处理过程几乎全靠人工。

大约有30～50家生产企业具有较完备的成套消失模铸造生产线，但机械化、自动化水平较低，生产过程控制不稳定，时常造成铸件质量的波动。

目前有3～5家企业采用比较先进的消失模铸造生产线，装备技术水平较高，生产过程控制较为稳定。

而采用国外引进整套生产线的目前正常运转的只有2～3家。

纵观我国消失模铸造生产，其产量和企业数量均占世界第一位，但发展极为不均衡，装备水平普遍较低，铸件品质普遍较低，废品率普遍较高。

其原因分析如下：（1）铸件生产企业规模小，技术水平、装备水平低，技术人员缺乏；（2）我国消失模铸造装备水平普遍较低，关键设备和关键工艺控制不稳定，设备故障率较高，不配套；（3）关键设备自动化水平低，人为因素较多；（4）缺乏消失模铸造关键设备研发力度，设备生产企业技术水平良莠不齐，设备制造企业对消失模铸造原理和生产工艺研究不深入，对铸造企业产生误导；（5）铸造企业对设备性能、特点缺乏了解，对设备维护不力，造成设备操作过程中参数变动，而调整不及时；（6）技术人员和操作人员技术素质不高。