实际生产中的消失模铸造缺陷

2014-01-21李增民李立新

铸造设备与工艺 2014年3期

李旋，李增民，李立新

（河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 050018）

消失模铸造具有设计自由度大、铸件尺寸精度高、铸件成本低及易于实现清洁生产等优点，被认为是“21世纪的铸造方法”及“铸造的绿色工程”，受到广泛重视[1-3]。但是在消失模铸造生产过程中，经常会出现一些缺陷。常见的消失模铸造缺陷有：铸铁件表面积碳，铸钢件增碳，反喷、气孔，尺寸超差、变形，塌箱、溃型，粘砂、节瘤、针刺，冷隔、皱皮、浇不足，渣孔、砂孔、缩孔、凹陷及网纹，内部夹杂物，缩松、组织不均等[4]。

1 黑色金属常见缺陷

1.1 增碳缺陷

应用消失模铸造生产铸钢件时最容易出现的就是增碳缺陷，该缺陷主要存在于铸件的表面，并且离内浇道越远的地方出现的增碳缺陷越严重。增碳缺陷出现的主要原因是：泡沫材料主要由碳和氢组成，在高温钢液下急剧分解，产生大量的氢气和游离的碳，由于氢和氧的亲和能力比碳强，在高温下分解的氢先与模样缝隙中的氧气结合成为水蒸气而排出，而分解出的大量游离碳会残留在铸型中，与钢液的表面浸腐，从而产生了铸件表面渗碳、增碳现象[5]。

为防止增碳现象出现，常采用以下措施：

1）从增碳机理上可以知道泡沫原材料的性质是影响该缺陷的主要因素，因此选用优质的泡沫原材料是解决这类缺陷最直接有效的方法。由于优质的泡沫在浇注过程中发气量小、气化速度较快、裂解产物也比较细小，所以应优先选用低碳的优质的泡沫塑料。例如，采用具有均匀的闭孔结构，导热系数低，绝热性能好的酚醛保温泡沫塑料，该塑料的性能与聚氨酯相当，优于聚苯乙烯泡沫，成本低廉，仅为聚氨酯的2/3.

2）为了加快模样的气化速度，应该改进工艺方案。选择合理的浇注工艺，从而减少裂解产物与钢液的接触时间，进而避免铸件渗碳，在具体操作过程中可以控制浇注温度以及浇注速度，采用防止渗碳的并且透气性比较好的涂料等等。目前在实际生产中大多采用以铬铁矿粉、棕刚玉粉和铝矾土为骨料的涂料，该涂料既能有效地减少增碳缺陷又能满足涂料必须的常温以及高温强度要求。

3）由于离内浇道越远的位置增碳越严重，所以从这个角度出发，在远离内浇口的地方增设冒口，让增碳严重的金属液优先进入冒口，这样铸件本身的钢液就比较干净，通过增设冒口最终减少铸件的增碳。

1.2 夹砂缺陷

夹砂缺陷是消失模铸造经常遇到的，往往在开箱以后发现，铸件的表面或内部夹持着一层很难清理的砂子，这就是夹砂缺陷。在不抽负压的情况下浇注后，砂子经常出现在铸件的底部或者侧面、热节处以及型砂不易紧实的地方；在抽负压下浇注，铸件表面也可能有砂子，特别是在铸件的拐角位置。

解决夹砂的关键在于提高浇注系统的涂层强度以及耐火度[6-8]。浇注系统涂层强度以及耐火度主要是通过选择耐火度高的骨料，配料时增加无机黏结剂含量以及增加涂层厚度来实现的，从实际的生产出发，工厂主要采用的是增加涂层的厚度来提高涂层强度和耐火度[9]。避免了砂子进入铸型中。

某公司在产品模样上刷涂四遍涂料使得涂层的厚度在2 mm以上，结果发现，铸件的夹砂缺陷由3.5%降至1.4%，从而通过增加涂层厚度使得串联副箱的夹砂缺陷得到了控制。

在操作过程中由于工作不认真也有可能造成夹砂，例如，如果浇口杯薄膜上留有砂子而没有被吹掉时，就会在铸件上留有夹砂缺陷；刷涂料如果不仔细，模样部分位置有露白，尤其在加工位置有露白时，最终浇注后的铸件就会夹有一层砂子在上面，从而造成了铸件报废，导致巨大的经济损失，因此，要求操作工在工作过程中一定要仔细，刷完涂料的模样要认真检查，如果发现有露白部位要立即补刷好，并且重新烘干，从而降低因操作引起的废品率。

2 铝合金常见缺陷及防止措施

2.1 孔洞缺陷

目前，铝、镁有色合金的消失模铸造还存在一些问题，尤其是铝合金消失模铸件的孔洞缺陷严重，其大大增加了铸件的废品率[10]。孔洞缺陷主要有针孔、缩孔、缩松。

铝合金消失模铸造产生的针孔主要是氢气孔。对于消失模铸造，氢主要来源于泡沫的裂解产物，因为泡沫原材料主要由碳、氢两种元素构成，在浇注过程中气化模在高温金属液的作用下发生复杂的热相变反应，裂解程度的逐渐增大，低分子聚合物逐步完全裂解分解出氢，随着模样温度的升高，裂解程度就会加剧，因而氢气的体积增大倍数就会更高；还有少量的氢是大气、涂料、金属材料等所含的水分在高温下的分解得到的，具体反应为：H2O=2 H++O2-，2 Al3++3 O2-=Al2O3水除了分解出氢还分解出氧，氧极易与铝液发生氧化反应而得到高熔点的氧化铝，该氧化反应大又反过来促进了水分的高温分解，所以得到的氢也会越来越多，此时大量的氢会向金属液中溶解，当超过金属液的溶解度时，氢就会以气泡的形式析出，如果氢的析出速度太慢来不及浮到金属液表面就会形成针孔，因此，防止针孔具体措施有：采用低密度模料，模样的密度控制在0.016 g/cm3～0.025 g/cm3范围内；提高涂料层的透气性；控制泡沫模样水分、发泡剂的含量；确保模样干透，涂料涂层干透等[11]。

铸件在凝固过程中，铝合金会发生液态收缩以及凝固收缩，在铸件最后凝固的地方如果得不到足够金属液的补充就会出现空洞，这就是缩孔；在铸件内部的某些区域有分散的细小的缩孔这就是缩松。与普通的砂型铸造相比，对于同样尺寸的冒口消失模铸造冒口不及砂型铸造冒口的补缩能力高，这是由于进入冒口的金属液的温度比较低，冒口内的压力也比较的小，所以在铸件的热节处极易引起缩孔、缩松缺陷。防止措施：适当的提高浇注温度，从而提高进入冒口的金属液温度；增加补缩冒口的体积，选择表面积小，散热慢的物体制作冒口；采用各种工艺措施，保证金属液在充型过程中能够顺序凝固，在远离冒口的地方先凝固，在靠近冒口的地方以及冒口处最后凝固，从而使得缩孔、缩松缺陷集中在冒口处，进而使得铸件的组织致密。

2.2 冷隔、浇不足

铝合金消失模铸造在实际生产中容易出现冷隔、浇不足现象，之所以造成这些现象是因为铝液在浇注过程中的流动性差、热量低，浇注系统设计不合理等，该缺陷在外形复杂的薄壁铝合金铸件中尤为常见，因此解决该缺陷的主要途径就是提高铝液的流动性。但是，同砂型和金属型铸造相比，铝合金消失模铸造采用的是干砂充填，使用的是保温涂料，为了使泡沫模液化和气化并保证金属液充填，不得不大幅度地提高浇注温度，否则就会造成薄壁、复杂件产生冷隔、浇不足[12]。

另外，如果泡沫模样的密度大，在浇注过程中吸热就多，泡沫的发气量就大，而较大的发气量就会给浇注过程产生很大的阻力，从而就会出现浇不足现象。