鋼件在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會發(fā)生各種不同的鑄造缺陷，如何預防這些缺陷,一直是鑄件生產(chǎn)廠家關注的問題。本文主要介紹了這方面的一些認識和實踐經(jīng)驗。
車間主要采用傳統(tǒng)濕型砂鑄造工藝生產(chǎn)鑄鋼件，在長期的生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)鑄鋼件主要出現(xiàn)以下鑄造缺陷，砂眼，粘砂，氣孔，孔，夾砂結疤，脹砂等等。
1.砂眼
砂眼缺陷處內(nèi)部或表面有充塞著型（芯）砂的小孔，砂眼是一種常見的鑄造缺陷，往往導致鑄件報廢。砂眼是由于金屬液從砂型型腔表面沖下來的砂粒（塊），或者在造型，合箱操作中落人型腔中的砂粒（塊）來不及浮入澆冒系統(tǒng)，留在鑄件內(nèi)部或表面而造成的。
砂眼的預防措施：
（1）嚴格控制型砂性能，提高砂型芯的表面強度和緊實度，減少毛刺和銳角，減少沖砂。
（2）合箱前把型腔和砂芯表面的浮砂處理干凈，平穩(wěn)合箱，如果是明冒口或貫通出氣眼，應避免散砂從中掉人型腔，合箱后要盡快澆注。
（3）設置正確合理的澆冒系統(tǒng)，避免金屬液對型壁和砂芯的沖刷力過大。
（4）澆口杯表面要光滑，不能有浮砂。
2.粘砂
在鑄件表面上，全部或部分覆蓋著一層金屬(或金屬氧化物)與砂（或涂料）的混（化）合物或一層燒結構的型砂，致使鑄件表面粗糙，難于清理。
粘砂多發(fā)生在型、芯表面受熱作用強烈的部位，分機械粘砂和化學粘砂兩種。機械粘砂是由金屬液滲入鑄型表面的微孔中形成的，當滲入深度小于砂粒半徑時，鑄件不形成粘砂，只是表面粗糙，當滲入深度大于砂粒半徑時，就形成機械粘砂，化學粘砂是金屬氧化物和造型材料相互進行化學作用的產(chǎn)物，與鑄件牢固地結合在一起而形成的。
粘砂的預防措施：
（1）選用耐火度高的砂，以提高型砂，芯砂的耐火度，原砂的SiO2含量在96%（質(zhì)量分數(shù)）以上，而且砂粒應對粗些。鑄鋼件的澆注溫度越高，壁厚越厚，對原砂中SiO2含量的要求越高。
（2）適當降低澆注溫度和提高澆注速度，減輕金屬液對砂型的熱力學和物理化學作用。
（3）砂型緊實度要高（通常大于85）且均勻，減少砂粒間隙；型、芯修補到位，不能有局部疏松。
（4）采用在高溫下不開裂、不燒結成熔洞的涂料。
3.氣孔
在鑄件內(nèi)部，表面或近于表面處，有大小不等的光滑孔眼，形狀有圓的，長的及不規(guī)則的，有單個的，也有聚集成片的。顏色有白色的或帶一層暗色，有時覆有一層氧化皮。由于氣體的來源和形成原因不同，氣孔的表現(xiàn)形式也各不相同，有侵入性氣孔、析出性氣孔和反應性氣孔。
侵入性氣孔體積較大，形狀近似梨形，常出現(xiàn)在鑄件上部靠近型芯壁或澆注位置處，主要是由于砂型芯中產(chǎn)生的氣體侵入金屬中未能逸出造成的，梨形氣孔小端位置表明氣體由該處進入鑄人件。
析出性氣孔多而分散，一般位于鑄件表面，往往同一爐鑄件幾乎都會出現(xiàn)，主要是由于金屬在熔煉過程中吸收的氣體在凝固前未能全部析出，就在鑄件中形成許多分散的小氣孔。
反應性氣孔是由于金屬一鑄型界面發(fā)生化學反應而產(chǎn)生的氣孔，因其分布均勻且往往在鑄件表皮以下1-3mm處（有時在一層氧化皮下面）出現(xiàn)，所以又稱為皮下氣孔。又由于這種氣孔多呈細長形針孔狀，其長軸與鑄件表面垂直，又可將其稱為針孔。
氣孔的預防措施：
（1）采用潔凈干燥的爐料，限制含氣量較多的爐料的使用，降低熔煉時金屬的吸氣量；澆包要烘干燙包；可以適當提高澆注溫度以利于氣體擴散。
（2）澆注時控制好壓頭和速度，保證鋼水平穩(wěn)充填砂型型腔，避免產(chǎn)生紊流，防止卷入氣體。
（3）減少發(fā)氣量，控制型（芯）砂水分及發(fā)氣原料的含量，減少砂型在澆注過程中的發(fā)氣量，不使用受潮，生銹或有油污的冷鐵和芯撐等。
（4）改善砂型的透氣性，選擇合適的砂型緊實度，提高砂型和型芯的透氣性；合理安排出氣眼，使型（芯）內(nèi)氣體能順利排出。
（5）提高氣體進入金屬液的阻力.合理設計澆注系統(tǒng),避免澆注時卷入氣體,在型（芯）表面涂刷涂料以減少少金屬一鑄型的界面作用。
4.縮孔、縮松
在鑄件厚斷面內(nèi)部,熱節(jié)處或軸心等最后凝固的地方,形成不規(guī)則的表面粗糙的孔洞,該處晶粒粗大,往往帶有樹枝晶.孔洞大而集中的為縮孔,孔眼小而分散的稱為縮松.主要是由于鑄件在冷卻凝固時所產(chǎn)生的液態(tài)收縮和凝
固收縮遠遠大于固態(tài)收縮,且在鑄件最后凝固的地方得不到金屬液的補充造成的。
縮孔、縮松的預防措施：
（1）盡量降低注溫度和澆注速度,澆注后期的補澆要充分到位。
（2）合理設計澆冒系統(tǒng),壁厚小且均勻的鑄件要采用同時凝固,壁厚大且不均勻的鑄件采用由薄向厚的順序凝固,使鑄件得到充分補縮。
（3）在鑄件厚斷面部位,合理放置內(nèi),外冷鐵。
（4）盡量減少鑄件的熱節(jié)部位。
5.夾砂、結疤
夾砂是指在鑄件表面上,有一層金屬瘤狀物或片狀物,在金屬瘤片和鑄件之間夾有一層型砂或涂料,結疤是由于金屬液在鑄型表面局部沖去了一塊砂的地方或在發(fā)生攪拌或沸騰現(xiàn)象的地方出現(xiàn)了一塊 凸出的疤痕,脫落的砂夾在疤塊中或鑄件的其他部位中。在澆注時,濕型型腔表面的水分因受到鋼液的高溫烘烤而向砂型內(nèi)部發(fā)生遷移,形成強度較低的水分凝聚區(qū)，易使型腔表面脫層而造成鑄鋼件結疤,、夾砂等缺陷。
夾砂、結疤的預防措施：
（1）嚴格控制型砂、芯砂性能。
（2）澆注時間盡量短；澆注系統(tǒng)的設計應使金屬液進入型腔時平穩(wěn)而沖擊力不大,內(nèi)澆口的布置要適當分散以避免鑄型局部過熱,同時盡快地覆蓋住下型面。
（3）大平面的板狀鑄件可采用傾斜澆注；
（4）鑄型上扎氣眼以利于水水蒸氣及其他氣體的排除,使水分凝聚區(qū)后移和
降低其中的水分,減少氣體壓力對型腔表面的拱托作用。
（5）修型時避免用壓勺來回壓大平面,防止分層。
6.裂紋
裂紋分為熱裂和冷裂。熱裂主要由S引起，多為不規(guī)則形狀,裂口處金屬表皮氧化;冷裂主要由P引起,裂口較直,開裂處有金屬光澤,有時出現(xiàn)輕微氧化色。部分鑄件采用水爆清砂工藝，亦可導致裂紋。
裂紋的預防措施：
（1）提高砂型和砂芯的退讓性。
（2）嚴格控制爐料及鋼水中的S、P含量。
（3）鑄件壁厚盡量均勻,避免壁厚的突然改變,條件允許時,可適當設置加強筋,兩截面交接部位采用圓角連接,以減少應力集中。
（4）調(diào)節(jié)鑄件各部位冷卻速度,避免鑄件局部過熱,在厚大斷面或熱節(jié)處放置冷鐵,內(nèi)澆道適當分散,使鑄件各部位溫度趨向均勻,澆冒口當應阻礙鑄件的收縮。
（5）鑄件澆注后,開型不能過早,采用水爆清砂工藝的鑄件應掌握好溫度和時間。
7.其他鑄造缺陷
（1）變形 長、板狀鑄件比較容易變形.某些鑄件加工后,放置一段時間后會出現(xiàn)變形。
預防措施：適當添加加強筋;適當增加加工余量;采用反變形工藝；將鑄件進行去應力退火,消除鑄件的內(nèi)應力；采用時效處理。
（2）冷隔 在鑄件上有未完全融合的縫隙或凹坑,其交界邊緣是圓滑的。
預防措施：提高澆注溫度和澆注速度;改善澆注系統(tǒng);澆注時不斷流。
（3）澆不足 由于金屬液未完全充滿型腔而產(chǎn)生的鑄件缺肉。預防措施;提高澆注溫度和澆注速度;不要斷流和防止跑火;澆注后期的點澆補縮到位。
消失模鑄造是一種近無切削加工鑄造工藝，具有鑄件精度高、設計靈活、無砂芯、生產(chǎn)環(huán)境清潔、投資和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。此項技術在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速，各項相關技術都取得了長足進步。消失模鑄造技術在鑄鋁、鑄銅、鑄鐵等材料上得到較好的應用，但在鑄鋼生產(chǎn)的應用上則相對滯后。雖然在高錳鋼、耐磨鋼等鋼種上也有成功應用的報道，但在實際的生產(chǎn)過程中，由于鑄件在澆注充型過程中，金屬液的流動前沿是熱解的消失模產(chǎn)物（氣體和液體），會與金屬液發(fā)生反應并影響到金屬液質(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，使該技術的應用受到一定的限制。消失模鑄鋼件的常見缺陷就是氣孔，因此對其產(chǎn)生的原因進行分析并提出相應的防止措施，為消失模鑄造技術更好地應用于鑄鋼件的生產(chǎn)提供指導是十分必要的。
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22g/cm3，采用水基涂料，烘干室溫度為45℃左右，烘干時間為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，負壓度為0.05MPa，澆注溫度為1550℃，澆注時間為13～17s，澆注３min后停止抽真空，30min后落砂。
機加工后在補縮冒口處發(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（見圖1），最大的直徑達3mm，深度達4mm，不合格品率達60%。我們對氣孔缺陷進行系統(tǒng)的整理和分析，認為形成的氣孔主要是侵入性氣孔和析出性氣孔，并對產(chǎn)生的原因進行了較深入的探討。
氣孔的形成來源于氣體。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）澆注過程中，澆注時間過短，充型過快，泡沫塑料模樣不能被迅速汽化，裂解的液態(tài)產(chǎn)物進入金屬液中，鑄件凝固后，氣體不能被排出，而在鑄件中形成氣孔。
?。?）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為澆注時氣體壓力隨澆注時間的變化，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，澆注時瞬間發(fā)氣量很大，氣體不能被及時排出，特別是鋼液在紊流狀態(tài)時將氣體卷入其中，形成氣孔。
?。?）粘接泡沫塑料模樣用粘結劑使用不當是形成侵入性氣孔的重要原因。實際生產(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，該處就不會產(chǎn)生氣孔。這是由于連接處使用了較多的粘結劑，無論用851強力膠還是AB膠，其密度是泡沫塑料的幾倍甚至幾十倍，其汽化速度遠比泡沫塑料慢且汽化溫度高，當膠還沒有汽化時金屬液上升而將膠裹住，在隨后的冷卻過程中不斷汽化，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，澆注時水分的來源主要有以下幾方面：一是涂料沒有徹底烘干，或是由于水基涂料中含有CMC、聚乙烯醇、白乳膠、淀粉等有機粘結劑，如果掛有涂料的模樣烘干后不能及時澆注，就會吸收空氣中的水分。另外，涂料的膨潤土等懸浮劑多含有結構水和結合水，由于模樣烘干溫度一般只有40℃左右，其結構水和結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程中金屬液吸氣，在金屬凝固過程中，多金屬中析出而形成氣孔。當金屬液吸入水蒸氣時，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程中重新聚合，生成氫氣，無法排出，就形成了析出性氣孔缺陷。這種氣孔特點：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，澆注過程中，澆注時間過短，充型過快，泡沫塑料模樣不能被迅速汽化，粘接泡沫塑料模樣用粘結劑使用不當，是造成鑄鋼件氣孔的主要原因。另外，澆注系統(tǒng)設計不合理，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
?。?）在保證模樣強度、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塑料模樣（目前我廠采用的泡沫塑料密度為0.018~0.020g/cm3）。
?。?）減少澆注系統(tǒng)的尺寸，內(nèi)澆道由原來的20mm×15mm改成15mm×15mm，使?jié)沧r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)生的氣體通過涂料層得以及時排出而不進入鋼液。模樣充足的汽化時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，避免在輪緣的側面形成氣孔。
2.使用發(fā)氣量低的粘結劑
粘結劑用量越少越好，最好冒口與產(chǎn)品整體一次成形，或使用插接或鋼釘連接，或粘結劑與鋼釘聯(lián)合使用。
3.保證涂料質(zhì)量
?。?）選用高溫透氣性好的涂料，增加涂層的透氣性和潤濕性，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。當涂料透氣性較小時，涂料的透氣性遠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，具有高的高溫強度，以減少涂層厚度，一般控制在0.5~1mm即可。
（3）涂層應充分烘干，烘干的模樣應及時澆注，避免受潮。
我們通過上述三種措施對原有的涂料進行了改進：硅砂的粒度由原來的0.071mm（200目）改成0.080mm（180目）；乳膠由原來的25kg改成了20kg；纖維素由原來的4kg改為5kg。改進后的涂料增強了高溫強度與透氣性，且不易開裂。
4.設置集渣與排氣冒口
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，應在這些部位設置小冒口，冒口頂部涂料用細物扎多個小孔，以利于積聚的液態(tài)產(chǎn)物最后汽化時將氣體排出。冒口尺寸可根據(jù)產(chǎn)品的大小來設置，小冒口也較容易清理。實踐證明，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
?。?）澆注位置應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、階梯澆注或側注，保證金屬液的平穩(wěn)流動及避免澆注過程中大量空氣進入型腔。
?。?）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。鑄鋼件澆注溫度應在1600℃以上，此時應保證涂料有較高的高溫強度，否則會導致較嚴重的粘砂。
?。?）堅持“慢-快-慢”的澆注原則。先用小流量金屬液點通直澆道，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時為止。由澆入的鋼液量估計液面快達到鑄件頂面時，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.澆注前應對鋼液進行充分除氣
?。?）清潔爐料，特別是鐵銹嚴重的爐料應經(jīng)除銹處理。
（2）快速熔煉，縮短高溫熔煉時間。
?。?）充分脫氧，用鋁量一般為0.04%～0.06%，不超過0.15%。
另外，型砂要干燥，不使用含水分或潮濕的型砂。鑄鋼件的真空負壓度一般應控制在0.05～0.06MPa為宜。
三、結語
通過以上綜合措施的實施，不但基本解決了鑄鋼件迷宮環(huán)的氣孔缺陷，同時還減少其他品種鑄鋼件氣縮孔現(xiàn)象，成品率達90%以上。
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