淺析消失模鑄鋼件氣孔缺陷及解決措施

曾祥泉

消失模鑄造是一種近無(wú)切削加工鑄造工藝，具有鑄件精度高、設(shè)計(jì)靈活、無(wú)砂芯、生產(chǎn)環(huán)境清潔、投資和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展十分迅速，各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

消失模鑄造技術(shù)在鑄鋁、鑄銅、鑄鐵等材料上得到較好的應(yīng)用，但在鑄鋼生產(chǎn)的應(yīng)用上則相對(duì)滯后。雖然在高錳鋼、耐磨鋼等鋼種上也有成功應(yīng)用的報(bào)道，但在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于鑄件在澆注充型過(guò)程中，金屬液的流動(dòng)前沿是熱解的消失模產(chǎn)物（氣體和液體），會(huì)與金屬液發(fā)生反應(yīng)并影響到金屬液質(zhì)量，如果熱解產(chǎn)物不能順利排出，就容易引起氣孔、增碳、增氫等缺陷，使該技術(shù)的應(yīng)用受到一定的限制。消失模鑄鋼件的常見(jiàn)缺陷就是氣孔，因此對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的防止措施，為消失模鑄造技術(shù)更好地應(yīng)用于鑄鋼件的生產(chǎn)提供指導(dǎo)是十分必要的。

一、產(chǎn)品現(xiàn)狀及氣孔成因

我廠生產(chǎn)的鑄鋼件迷宮環(huán)（見(jiàn)圖1），材質(zhì)為ZG270-500，質(zhì)量為35kg。

生產(chǎn)條件：每箱10件、聚苯乙烯泡塑料的密度為0.022g/cm3，采用水基涂料，烘干室溫度為45℃左右，烘干時(shí)間為48h，冒口用AB膠粘接，垂直放置，直澆道45mm×45mm，橫澆道40mm×25mm，內(nèi)澆道為20mm×15mm。底注，負(fù)壓度為0.05MPa，澆注溫度為1550℃，澆注時(shí)間為13～17s，澆注3min后停止抽真空，30min后落砂。機(jī)加工后在補(bǔ)縮冒口處發(fā)現(xiàn)大量分散性氣孔，出現(xiàn)在鑄件內(nèi)部和鑄件表面上（見(jiàn)圖1），最大的直徑達(dá)3mm，深度達(dá)4mm，不合格品率達(dá)60%。我們對(duì)氣孔缺陷進(jìn)行系統(tǒng)的整理和分析，認(rèn)為形成的氣孔主要是侵入性氣孔和析出性氣孔，并對(duì)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了較深入的探討。

圖1

氣孔的形成來(lái)源于氣體。消失模鑄造鑄鋼迷宮環(huán)上的氣孔主要是由泡沫汽化產(chǎn)生的氣體侵入金屬液析出而形成的侵入性氣孔，以及鋼液中帶入的析出性氣孔。

1.侵入性氣孔的成因

侵入性氣孔是消失模鑄鋼件氣孔產(chǎn)生的主要形式，其 形成原因有以下幾方面。

（1）澆注過(guò)程中，澆注時(shí)間過(guò)短，充型過(guò)快，泡沫塑料模樣不能被迅速汽化，裂解的液態(tài)產(chǎn)物進(jìn)入金屬液中，鑄件凝固后，氣體不能被排出，而在鑄件中形成氣孔。

（2）泡沫塑料模樣的發(fā)氣量隨澆注溫度的升高而急劇增大，圖2為澆注時(shí)氣體壓力隨澆注時(shí)間的變化，可以看出，澆注的瞬間氣體壓力急劇升高，由于鑄鋼澆注溫度較高，澆注時(shí)瞬間發(fā)氣量很大，氣體不能被及時(shí)排出，特別是鋼液在紊流狀態(tài)時(shí)將氣體卷入其中，形成氣孔。

（3）粘接泡沫塑料模樣用粘結(jié)劑使用不當(dāng)是形成侵入性氣孔的重要原因。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，鑄鋼件在泡沫塑料模樣粘接處往往產(chǎn)生大量的氣孔。如果用插接或鋼釘連接泡沫塑料模樣，該處就不會(huì)產(chǎn)生氣孔。這是由于連接處使用了較多的粘結(jié)劑，無(wú)論用851強(qiáng)力膠還是AB膠，其密度是泡沫塑料的幾倍甚至幾十倍，其汽化速度遠(yuǎn)比泡沫塑料慢且汽化溫度高，當(dāng)膠還沒(méi)有汽化時(shí)金屬液上升而將膠裹住，在隨后的冷卻過(guò)程中不斷汽化，從而在鑄件中形成氣孔。

（4）水分也是形成鑄鋼件氣孔的因素之一，澆注時(shí)水分的來(lái)源主要有以下幾方面：一是涂料沒(méi)有徹底烘干，或是由于水基涂料中含有CMC、聚乙烯醇、白乳膠、淀粉等有機(jī)粘結(jié)劑，如果掛有涂料的模樣烘干后不能及時(shí)澆注，就會(huì)吸收空氣中的水分。另外，涂料的膨潤(rùn)土等懸浮劑多含有結(jié)構(gòu)水和結(jié)合水，由于模樣烘干溫度一般只有40℃左右，其結(jié)構(gòu)水和結(jié)合水一般仍存留于涂料中，這部分水分在高溫鋼液的作用下汽化；二是泡沫塑料模樣由于干燥不充分，泡沫粒珠中仍殘留較多的水蒸氣；三是來(lái)自型砂中的水分。

2.析出性氣孔的成因

析出性氣孔是指在熔煉過(guò)程中金屬液吸氣，在金屬凝固過(guò)程中，多金屬中析出而形成氣孔。當(dāng)金屬液吸入水蒸氣時(shí)，在高溫金屬液的熱作用下，水裂解產(chǎn)生氫氣，氫氣溶解后裂解成氫原子，這些原因在金屬液的凝固過(guò)程中重新聚合，生成氫氣，無(wú)法排出，就形成了析出性氣孔缺陷。這種氣孔特點(diǎn)：氣壁比較光滑，有金屬光澤，氣孔比較小但數(shù)目較多。

二、解決鑄鋼件氣孔的措施

由以上分析可知，澆注過(guò)程中，澆注時(shí)間過(guò)短，充型過(guò)快，泡沫塑料模樣不能被迅速汽化，粘接泡沫塑料模樣用粘結(jié)劑使用不當(dāng)，是造成鑄鋼件氣孔的主要原因。另外，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，還有模樣、涂料及澆注等方面的因素。

1.減少泡沫塑料模樣的發(fā)氣量，降低發(fā)氣速度

（1）在保證模樣強(qiáng)度、剛度的前提下，盡量減少模樣的密度，從而減少發(fā)氣量；將直澆道、冒口及厚大部位做成空心泡沫塑料模樣（目前我公司采用的泡沫塑料密度為0.017～0.020g/cm3）。

（2）減少澆注系統(tǒng)的尺寸，內(nèi)澆道由原來(lái)的20mm×15mm改成15mm×15mm，使?jié)沧r(shí)間增加到20s左右。降低澆注速度從而降低聚苯乙烯的發(fā)氣速度，使產(chǎn)生的氣體通過(guò)涂料層得以及時(shí)排出而不進(jìn)入鋼液。模樣充足的汽化時(shí)間也使其汽化率提高，減少了聚集在鋼液與涂料層界面的液態(tài)殘留物，避免在輪緣的側(cè)面形成氣孔。

圖2

2.使用發(fā)氣量低的粘結(jié)劑

粘結(jié)劑用量越少越好，最好冒口與產(chǎn)品整體一次成形，或使用插接或鋼釘連接，或粘結(jié)劑與鋼釘聯(lián)合使用。

3.保證涂料質(zhì)量

（1）選用高溫透氣性好的涂料，增加涂層的透氣性和潤(rùn)濕性，降低氣隙空腔的氣壓，以保證金屬液平穩(wěn)充型。在干砂消失模鑄造中，由于使用干砂造型，干砂透氣性遠(yuǎn)高于涂料的透氣性，涂料的透氣性主要取決于涂料透氣性的大小。當(dāng)涂料透氣性較小時(shí)，涂料的透氣性遠(yuǎn)小于模樣的熱解速度，合金液流前的氣隙中的壓力很高，合液態(tài)金屬流動(dòng)前沿很不穩(wěn)定，造成卷氣與吸氣。

（2）涂料掛涂要均勻，具有高的高溫強(qiáng)度，以減少涂層厚度，一般控制在0.5～1mm即可。

（3）涂層應(yīng)充分烘干，烘干的模樣應(yīng)及時(shí)澆注，避免受潮。

我們通過(guò)上述三種措施對(duì)原有的涂料進(jìn)行了改進(jìn)：硅砂的粒度由原來(lái)的0.071mm（200目）改成0.080mm（180目）；乳膠由原來(lái)的25kg改成了20kg；纖維素由原來(lái)的4kg改為5kg。改進(jìn)后的涂料增強(qiáng)了高溫強(qiáng)度與透氣性，且不易開(kāi)裂。

4.設(shè)置集渣與排氣冒口

聚苯乙烯泡沫塑料模樣的氣體分解產(chǎn)物都要通過(guò)涂層逸出型腔，由于金屬液充型速度很快，液態(tài)熱解產(chǎn)物來(lái)不及充分裂解汽化，使液態(tài)產(chǎn)物或殘留物往往積聚在鑄件的死角或頂部，使這些部位易形成氣孔。因此，應(yīng)在這些部位設(shè)置小冒口，冒口頂部涂料用細(xì)物扎多個(gè)小孔，以利于積聚的液態(tài)產(chǎn)物最后汽化時(shí)將氣體排出。冒口尺寸可根據(jù)產(chǎn)品的大小來(lái)設(shè)置，小冒口也較容易清理。實(shí)踐證明，這些小冒口可有效地消除鑄件的夾渣及氣孔缺陷。

5.選擇正確的澆注工藝

（1）澆注位置應(yīng)盡量使重要的大表面處于豎直或傾斜狀態(tài)，有利于金屬液的平穩(wěn)充型和塑料模樣的逐漸汽化，使氣隙壓力較小及保持平衡。

（2）澆注系統(tǒng)優(yōu)先選用封閉式的底注、階梯澆注或側(cè)注，保證金屬液的平穩(wěn)流動(dòng)及避免澆注過(guò)程中大量空氣進(jìn)入型腔。

（3）提高金屬液的澆注溫度，減小澆注速度，有利于泡沫塑料模樣的充分汽化和迅速地排出。實(shí)踐證明提高澆注溫度可有效地減小氣孔等一系列鑄造缺陷。鑄鋼件澆注溫度應(yīng)在1600℃以上，此時(shí)應(yīng)保證涂料有較高的高溫強(qiáng)度，否則會(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的粘砂。

（4）堅(jiān)持“慢-快-慢”的澆注原則。先用小流量金屬液點(diǎn)通直澆道，在用大流量快速充滿澆口杯封閉直澆道，保證真空度，直到澆口杯金屬液不在下沉?xí)r為止。由澆入的鋼液量估計(jì)液面快達(dá)到鑄件頂面時(shí)，放慢澆注速度，減少金屬液流量，保證金屬液中的或可能侵入的氣體逸出涂層或從金屬液析出。

6.澆注前應(yīng)對(duì)鋼液進(jìn)行充分除氣

（1）清潔爐料，特別是鐵銹嚴(yán)重的爐料應(yīng)經(jīng)除銹處理。

（2）快速熔煉，縮短高溫熔煉時(shí)間。

（3）充分脫氧，用鋁量一般為0.04%～0.06%，不超過(guò)0.15%。

另外，型砂要干燥，不使用含水分或潮濕的型砂。鑄鋼件的真空負(fù)壓度一般應(yīng)控制在0.05～0.06MPa為宜。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上綜合措施的實(shí)施，不但基本解決了鑄鋼件迷宮環(huán)的氣孔缺陷，同時(shí)還減少其他品種鑄鋼件氣縮孔現(xiàn)象，成品率達(dá)90%以上。

[1]陳國(guó)楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]杜其新，厲三于，章舟.消失模鑄造高錳鋼彎管[J].鑄造技術(shù)，2003卷（期）563-564.

[3]劉立中，付通順等.耐磨鋼彎管的實(shí)型鑄[J].鑄造:1998（4）：41-43.