重磅文章：低碳鋼鑄件，到底怎么用消失模才能干好？
發(fā)布者：武陟縣向陽模具有限公司 點(diǎn)擊次數(shù)：3626次-->
系統(tǒng)建立低碳鋼消失模鑄造的工藝體系
作者
，浙江凱斯特新材料股份有限公司，田軍一
、制約低碳鋼消失模鑄造工藝進(jìn)步的“瓶頸”在我國，消失模鑄造工藝從灰鑄鐵起步。以取消砂芯為優(yōu)勢(shì)
球墨鑄鐵的推廣難度稍大一些，甚至有的行業(yè)和客戶端
鑄鋼工藝的探索幾乎同步于球墨鑄鐵，并取得了一定的進(jìn)步
，一度呈現(xiàn)出較強(qiáng)的發(fā)展趨勢(shì)。但是，鑄鋼的消失模技術(shù)并未上升到更高的層次，更未達(dá)到預(yù)期和理想的效果，總體是不成功的卡住工藝進(jìn)步的“瓶頸”非常明確：
1
2、大量碳渣形成的內(nèi)在和外觀缺陷
3
附圖 1
附圖 2
附圖 3，集中發(fā)生的砂眼和氣孔缺陷
產(chǎn)品質(zhì)量低劣，經(jīng)濟(jì)效益低下
二
白模分解產(chǎn)物造成增碳和碳缺陷的趨勢(shì)是客觀存在的
通過合理的工藝過程
先燒后澆就是該工藝?yán)砟钕庐a(chǎn)生的，看似用一個(gè)很簡(jiǎn)單直接
澆注前將白模燒干凈，或燒掉大部分
大量生產(chǎn)實(shí)踐證明，先燒后澆確實(shí)有效改善和克服了增碳問題
但其同時(shí)放大了其它方面的不利因素：
1
涂層內(nèi)表面及殘留的白模表面
碳渣的主要組分是碳化物
復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件
，白模更難燒干凈。未燃燒的白模，由于表面覆蓋了連續(xù)的碳渣層，影響了澆注過程中的充分氣化分解，促進(jìn)了碳渣的更大量產(chǎn)生。
附圖 4
，EPS 白模燃燒后涂層內(nèi)表面形成的連續(xù)碳渣層2
、白模燃燒后，燃燒通道大量進(jìn)氣，砂箱內(nèi)的實(shí)際負(fù)壓非常低(一般會(huì)降低到 0.02MP 上下)，砂型強(qiáng)度嚴(yán)重下降金屬液體流經(jīng)位置極易形成沖砂
附圖 5，先燒后澆導(dǎo)致的塌箱
3
、先燒后澆，在較低的負(fù)壓狀態(tài)下開放充型，持續(xù)大量進(jìn)入型腔的氣體不能及時(shí)充分排出，極易被金屬液流捕捉，形成氣孔缺陷，尤其是殘留的白模位置。
附圖6，先燒后澆集中發(fā)生的氣孔缺陷
三
、如何建立系統(tǒng)、平衡的工藝體系相比其它鑄造工藝
，消失模鑄造是更系統(tǒng)的工藝過程。必須充分發(fā)揮其工藝優(yōu)勢(shì)，通過合理、系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程控制，對(duì)白模分解產(chǎn)物“節(jié)源開流”，才能實(shí)現(xiàn)理想的效果。(一)
、以排氣為核心1
、砂型強(qiáng)度是通過負(fù)壓得到的，負(fù)壓是通過排氣實(shí)現(xiàn)的2
、白模消失產(chǎn)生大量氣體，必須瞬間排出，才能有效保持砂型所有部位的強(qiáng)度;保證順暢的澆注充型過程;減少金屬液體捕捉氣體的機(jī)會(huì)，從而減少和消除氣孔缺陷。3
、白模分解產(chǎn)生的游離碳，可通過排氣過程，被涂層部分吸收。排氣效果好，涂層吸收的碳相應(yīng)較多。排氣是消失模鑄造的工藝優(yōu)勢(shì)，充分排氣是消失模工藝體系的核心
，鑄造工藝設(shè)計(jì)及過程控制必須以此為核心展開。對(duì)影響排氣的所有因素，應(yīng)高度敏感性地重視，以充分發(fā)揮其工藝優(yōu)勢(shì)影響排氣的因素：
1、充足的排氣動(dòng)力
1)功率充足的真空泵及負(fù)壓系統(tǒng)
排氣功率和排氣量宜大不宜小。
為降低電耗
有條件的
更高層次，澆注
2)足夠高的
、相對(duì)穩(wěn)定的澆注負(fù)壓值。結(jié)合澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和澆注速度
，一般就高不就低，不要過多考慮附壁效應(yīng)。(負(fù)壓過大能抽塌箱或?qū)⒔饘僖后w抽出來也是不正確的)澆注負(fù)壓值必須穩(wěn)定在工藝設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)
變頻控制更好
專人控制在固定值最好
2
1)合理的砂箱設(shè)計(jì)：負(fù)壓管路分布均勻
2)砂箱定期檢查并及時(shí)維護(hù)，保持通氣孔足夠高的透氣率
3)排氣管路截面積
3
1)涂料的透氣性能良好
不能為單向提高強(qiáng)度而降低其透氣性
2)涂層均勻
3)充分烘干
4、保持型砂充分干燥及良好的粒度結(jié)構(gòu)
。連續(xù)生產(chǎn)，保持適宜的砂溫(30～50℃);充分除塵(二)、選擇適合的鑄造專用珠粒
1
(高溫狀態(tài)下)二氧化碳和水是氣體，只要能及時(shí)排出
以二氧化碳形式排出涂層，是排碳的最佳和主要途徑
游離態(tài)的碳是極細(xì)的單體，可以被涂層小部分吸收;更多的被液態(tài)金屬吸收增碳;未被吸收或排出的碳
固態(tài)碳化物是大顆粒物質(zhì)
為有效減少和消除碳缺陷、降低增碳
，必須選擇分解氣化好、 二氧化碳產(chǎn)生量高、固態(tài)殘留少的珠粒制備白模。2、EPS 與共聚料的區(qū)別
1)EPS
，可發(fā)性聚苯乙烯，含碳 92%。每 1 個(gè)乙烯分子結(jié)合 1 個(gè)苯分子
，即苯環(huán)，形成 1 個(gè)苯乙烯分子。苯環(huán)異常穩(wěn)定
如果聚合過程中添加穩(wěn)定或阻燃的組分
，氣化效果更差，固態(tài)殘留更多。2)共聚料是苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的共聚物
，含碳 62%。甲基丙烯酸甲酯沒有結(jié)合苯環(huán)
，屬易分解的分子鏈結(jié)構(gòu)。苯乙烯和甲酯聚合后，聚合分子鏈苯環(huán)占比降低，甲基丙烯酸甲酯的分解又能催化苯環(huán)的分解。所以共聚料分解更充分，氣化好，固態(tài)殘留少。共聚反應(yīng)是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程
，苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯按最佳比例參與共聚，珠粒分解產(chǎn)生的二氧化碳方可接近或達(dá)到峰值，促 進(jìn)碳最大程度地以氣體的形式排出所以
共聚料(STMMA)是鑄造專用珠粒
，不添加任何阻燃劑和穩(wěn)定劑。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯按最佳比例參與聚合反應(yīng)，珠粒分解氣化充分，CO2產(chǎn)生量接近峰值，保證碳大量排出，固態(tài)殘留物最少量產(chǎn)生，從而有效降低增碳，減少碳缺陷，實(shí)現(xiàn)最大程度的“節(jié)源”共聚料(STMMA)覆蓋了 70%以上的美國市場(chǎng)，國內(nèi)批量應(yīng)用前
工藝合理狀態(tài)下
3、制備合格的白模
1)滿足使用強(qiáng)度及白模成型需要的前提下
2)內(nèi)外充分熔合
3)重視白模室溫熟化。
(三)
1、相變特征
研究金屬的鑄造性能和凝固規(guī)律
附圖 7
1)理想狀態(tài)下：
亞共析鋼，共析轉(zhuǎn)變前
共析鋼
所以
冷卻速度對(duì)組織的影響只局限于晶粒尺寸
理想狀態(tài)下
但是
2)過共析鋼
按穩(wěn)定系的結(jié)晶方式
，析出一定量石墨將降低基體的疲勞強(qiáng)度和延伸率。按亞穩(wěn)定系結(jié)晶方式，析出一定量 Fe3C3)含碳量超過 0.0218%，無論共析鋼
按穩(wěn)定系結(jié)晶
按亞穩(wěn)定系結(jié)晶方式，C 趨向于以 Fe3C 形式析出
，促進(jìn)產(chǎn)生珠光體組織，提高基體疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性。所以，一般碳素結(jié)構(gòu)鋼，錳含量比較高。一般狀態(tài)下
，抑制碳的石墨化，是碳鋼共析轉(zhuǎn)變的基本需要。
附圖 8
，鑄鋼組織結(jié)晶示意圖2、低碳鋼的鑄造性能及凝固特點(diǎn)：
1)澆注溫度高(超過 1600℃)
，有利于白模的氣化分解。2)初晶溫度高(1500℃左右)，含碳量越低
，初晶溫度越高3)隨著含碳量降低
4)鑄態(tài)組織粗大
，一般通過正火處理細(xì)化晶粒。5)為減少氧化，降低收縮趨勢(shì)
，避免鑄態(tài)晶粒過度粗大，澆注過熱溫度較低(一般 100℃～150℃)，凝固較快，流動(dòng)性較差。6)
、高溫低碳易氧化，且鋼液中的氣體和非金屬夾雜物上浮困難，極易形成內(nèi)在缺陷。7)
、凝固收縮量較大。一般超過 2.1%，合金鋼可超過 2.5%，易變形及產(chǎn)生裂紋。8)、順序凝固狀態(tài)下
3
有利于上液面保持高溫狀態(tài)，促進(jìn)形成自下而上順序凝固
液面高溫
，有利于白模的充分氣化分解。結(jié)合鑄件高度及結(jié)構(gòu)確定澆注系統(tǒng)的模式
。(四)、應(yīng)重視的其它因素
，1
、涂層性能涂層是消失模鑄造至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。良好的透氣性
、足夠高的耐熱性能、足夠高的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，是必須同時(shí)具備的基本性能。1)涂料性能，耐熱性能主要取決于骨料的耐火度
常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度主要通過粘結(jié)劑組分得到。
影響透氣性能的主要組分是粘結(jié)劑的透氣性能
2)操作和控制過程的影響粘結(jié)劑性能和骨料粒度結(jié)構(gòu)優(yōu)良
未充分烘干或吸潮的涂層，透氣性
涂層最后一次烘干一定要充分
3)涂層厚度的確定相同性能的涂料
根據(jù)涂料及骨料的耐火度
復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件
涂層透氣性不足
涂層強(qiáng)度不足
附圖 9：涂層高溫強(qiáng)度不足形成的表面皺皮
2
1)無需要人工輔助塞砂的半盲區(qū)結(jié)構(gòu)，建議一次加砂震實(shí)
2)澆口杯和直澆道的聯(lián)接
3)裝箱時(shí)保證黃模組涂層全干燥狀態(tài)
3
因熔煉和澆注溫度較高
附圖 10
，未充分脫氧導(dǎo)致組織嚴(yán)重氧化Al 和 O
、N 有較強(qiáng)的親和力，鋼的熔煉過程一般以純鋁脫氧定氮。鋁對(duì)碳鋼組織和性能的影響，
1)鋁有細(xì)化奧氏體晶粒的作用
，并提高晶粒粗化的溫度，從而顯著提高組織的沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度;降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，改善低溫韌性;降低時(shí)效傾向性。當(dāng)殘余鋁含量超過一定值
，又能促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大粗化。鋼種不同2)
3)強(qiáng)烈縮小奧氏體相區(qū)
。4)(較高含量)提高組織耐腐蝕性
、抗氧化性、耐磨性(和其它元素配合使用)5)影響鋼的熱加工性能
、焊接性能和切削加工性能。6)高溫狀態(tài)下
，鋁極易吸氫，脫氧鋁過量使用，易形成大量的針孔。(超過 0.06%)綜合鋁對(duì)組織及性能的影響
，兼顧成本，以脫氧為主要目的的鋁的使用量，在保證脫氧效果的前提下，宜低不宜高。一般 0.1～0.15%。4、熔渣
，造渣是煉鋼的重要環(huán)節(jié)。入爐原材料必然帶入部分鐵的氧化物和其它雜質(zhì)
，同時(shí)出爐前必須充分造渣，使上浮的熔渣顆粒固化聚集
，和液態(tài)金屬分離。澆注過程中
，高溫鋼液持續(xù)腐蝕包襯。直至澆注結(jié)束，仍有部分熔渣不斷上浮。消失模鑄造很難實(shí)現(xiàn)封閉模式的澆注過程
，更難以通過封閉式澆注系統(tǒng)避渣。所以，澆注過程必須有效檔渣，或使用“茶壺包”。高溫出爐，低溫澆注
，就是為了通過靜置過程，讓熔渣有充足的時(shí)間上浮至液面。但是，為節(jié)約電耗，提高效率5、烤包
低碳鋼初晶溫度高
提高出爐溫度可以促進(jìn)包襯吸收更多的熱量，相應(yīng)提高包襯表面溫度
鋼液入包后
，靜置狀態(tài)下，冷包將促進(jìn)鋼液溫度更不均勻，始澆溫度和末澆溫差相應(yīng)加大，增加澆注溫度不穩(wěn)定性新修或室溫狀態(tài)下的包襯，不同程度含水
烤包非常重要
五、正確的工藝?yán)砟罘浅Ｖ匾?/p>
能否建立系統(tǒng)的
正確的理念
整體工藝流程就有了“靈魂”
一味地借鑒別人的經(jīng)驗(yàn)，將思維限制在模仿更多方法的空間內(nèi)
六
(一)、山東蓬萊萬壽機(jī)械有限公司
2019 年下半年開始規(guī)劃鑄鋼項(xiàng)目
重卡車橋系列支架、連接板等
25 鋼，需要焊接在沖壓橋殼上
光譜分析
2020 年月產(chǎn)量達(dá) 700～800 噸。2021 年月產(chǎn)量超過 1000 噸
共聚料 2#、3#規(guī)格
附圖 11：重卡車橋焊接低碳鋼鑄件的白模及黃模組
附圖 12：重卡車橋焊接低碳鋼鑄件
從低碳鋼鑄造的困境中成功突圍
，需要具備系統(tǒng)、科學(xué)的理念：1
2010 年就突出鑄造專用珠粒的理念，全部球墨鑄鐵和灰鑄鐵產(chǎn)品均選用共聚料生產(chǎn)
根據(jù)碳鋼的鑄造特點(diǎn)，在原工藝體系基礎(chǔ)上
2、過程控制嚴(yán)謹(jǐn)
3
無焊補(bǔ)狀態(tài)的綜合成品率達(dá)到 99%
(二)貴州凱里市，富安鴻達(dá)精密鑄造有限公司
鑄鋼產(chǎn)品涉及重卡
、鐵路機(jī)車、軍工、智能設(shè)備等領(lǐng)域。共聚料
，先燒后澆。大量碳渣
、砂眼缺陷，產(chǎn)品外觀極差，內(nèi)在鑄造缺陷造成的廢品很高。投產(chǎn) 6 年
，綜合成品率一直較低