胡志君，孫 萍，張燕瑰,吳 進(jìn)，程和法，余金元

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥市 230009；2.銅陵萬(wàn)象汽車零部件有限公司,安徽銅陵市 244141）

消失模鑄件常見缺陷及控制

胡志君1，孫 萍1，張燕瑰1,吳 進(jìn)1，程和法1，余金元2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥市 230009；2.銅陵萬(wàn)象汽車零部件有限公司,安徽銅陵市 244141）

結(jié)合大量生產(chǎn)實(shí)例及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了消失模鑄造生產(chǎn)中變形、塌箱、粘砂、冷隔、夾砂及碳夾雜等常見缺陷產(chǎn)生的原因并給出了防止措施。研究結(jié)果表明，消失模鑄件質(zhì)量受泡沫模樣及其熱解特性、涂料、造型特點(diǎn)、高溫鐵液、負(fù)壓度、澆注過(guò)程及充型凝固過(guò)程等因素綜合影響。

消失模鑄造；鑄件缺陷；質(zhì)量控制

在消失模生產(chǎn)中，泡沫模樣及其熱解特性、涂料特性、造型特點(diǎn)及鐵液充型凝固特性均會(huì)對(duì)鑄件質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響?，F(xiàn)階段針對(duì)消失模鑄造特性的研究還不夠深入，一些理論還未完全掌握，因此，在生產(chǎn)中較易出現(xiàn)因消失模鑄造特點(diǎn)引起的鑄件缺陷。本文就是在消失模鑄造生產(chǎn)條件下，通過(guò)分析大量生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了消失模鑄件容易發(fā)生的缺陷，并提出了防止措施，為消失模生產(chǎn)中控制鑄件缺陷、提高鑄件質(zhì)量提供參考和依據(jù)。

1 表面缺陷

1.1 變形

鑄件變形主要表現(xiàn)為某些具有圓周的鑄件圓周度不夠及一些中空輪廓尺寸與設(shè)計(jì)不符，如圖1所示離合器鑄件變形極為突出，試制時(shí)因變形產(chǎn)生的廢品率高達(dá)30%。

圖1易變形泡沫模樣及拉筋示意圖產(chǎn)生變形的最主要原因是模樣本身強(qiáng)度不夠。該模樣圓周上部處于邊緣獨(dú)立的位置，結(jié)構(gòu)不緊湊，其它部分給予的支撐較少，泡沫模樣在此處的強(qiáng)度往往較低，容易發(fā)生模樣變形，使模樣尺寸與實(shí)際要求尺寸不符。另外在浸掛涂料、烘干及裝砂造型過(guò)程中，因操作不當(dāng)也易使泡沫模樣變形，如涂料層強(qiáng)度不夠、模樣沒有完全烘干、造型時(shí)因操作不當(dāng)導(dǎo)致型砂對(duì)模樣的擠壓，均會(huì)引起模樣變形。澆注系統(tǒng)選擇不當(dāng)及模樣在砂箱中的位置不當(dāng)也會(huì)使模樣在澆注過(guò)程中受熱變形。

根據(jù)鑄件變形原因有針對(duì)性地采取防止措施，具有圖1所示形狀的模樣，僅靠泡沫本身的強(qiáng)度很難防止變形。經(jīng)過(guò)多次生產(chǎn)試驗(yàn)，在模樣開口處及圓周處粘貼竹簽固定形狀，圖中竹簽起到拉筋的作用，其防變形效果明顯。另外，涂料的流變特性和密度要符合要求，邊攪拌邊浸涂，避免在浸涂時(shí)因涂料密度高而加力使模樣變形，烘干時(shí)模樣要放置合理[2]。加砂造型時(shí)要使模樣內(nèi)腔及外圍緊實(shí)度相同，避免因模樣內(nèi)外型砂壓力不同而使模樣變形。

1.2 粘砂

粘砂是消失模鑄件最為常見的缺陷，表現(xiàn)為鑄件表面粘結(jié)型砂，如圖2所示，使鑄件清理難度增大，粘砂嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鑄件報(bào)廢。粘砂常出現(xiàn)在鑄件熱節(jié)部位及鑄型不緊實(shí)的部位[3]，在澆注溫度較高時(shí)，鑄件粘砂面積通常較大。

鑄件粘砂情況主要受澆注溫度、涂料層質(zhì)量、負(fù)壓度、型砂緊實(shí)率的影響。消失模鑄造為泡沫模樣實(shí)型鑄造，在澆注過(guò)程中金屬液需熔化泡沫模樣后才能進(jìn)入鑄型，模樣熔化要吸收一定的熱量，因此，消失模鑄造的澆注溫度要高出傳統(tǒng)鑄造30～50℃[2]。在消失模鑄造生產(chǎn)中，澆注溫度達(dá)到1460℃左右，高溫金屬液對(duì)涂料層的烘烤作用增強(qiáng)，當(dāng)涂料層太薄或有裂縫時(shí)，金屬液透過(guò)涂料層滲出與型砂粘結(jié)，造成鑄件粘砂。負(fù)壓太低，泡沫模樣氣化產(chǎn)物排出涂料層的難度增大，聚集在型腔內(nèi)使鐵液充型壓力增大，導(dǎo)致鐵液向涂料層外滲透；負(fù)壓度太高，使型腔內(nèi)外壓力差增大，鐵液有向型腔外型砂滲透的傾向。鑄型不夠緊實(shí)或不均勻也會(huì)使涂料層內(nèi)外壓強(qiáng)不一致而產(chǎn)生鐵液滲透現(xiàn)象，從而發(fā)生鑄件粘砂。

對(duì)易于發(fā)生粘砂的熱節(jié)部位，用粘土砂覆蓋泡沫模樣相應(yīng)部位，如圖3所示，然后放在干燥室里烘干，使粘土砂粘貼在熱節(jié)部位，因粘土砂強(qiáng)度高、結(jié)合緊密，這樣在澆注時(shí)就避免了熱節(jié)部位因溫度高而發(fā)生的粘砂。在保證澆注順利進(jìn)行的情況下，要盡可能地降低澆注溫度及負(fù)壓度，以抑制高溫金屬液的滲透力，負(fù)壓度一般設(shè)定在30～50kPa。適當(dāng)增加涂料層厚度，選用最佳涂料配方，涂料層應(yīng)涂刷均勻，厚度適宜[3]。

1.3 冷隔

冷隔常是在兩股鐵液的匯合處，因此處鐵液溫度較低而未能完全熔合，使鑄件外壁不完整，出現(xiàn)皺紋或淺顯裂紋。對(duì)于消失模鑄造來(lái)說(shuō)，采用階梯式澆注系統(tǒng)出現(xiàn)冷隔鑄件的幾率很高，圖4就是采用階梯式澆注系統(tǒng)產(chǎn)生的冷隔廢件。

消失模鑄造為泡沫模樣實(shí)型鑄造，其充型過(guò)程區(qū)別于傳統(tǒng)空腔鑄造。對(duì)于傳統(tǒng)空腔鑄造來(lái)說(shuō)，階梯式澆注系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)下、上澆道依次充型，而對(duì)消失模鑄造來(lái)說(shuō)，由于型腔中泡沫模樣對(duì)金屬液充型的影響，使得階梯式澆注系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)下、上內(nèi)澆道依次充型。開始澆注時(shí)，金屬液在直澆道中的流動(dòng)受到緩沖及背壓效應(yīng)的影響，速度變緩，使得上層內(nèi)澆道優(yōu)先充型[4]。在隨后充型過(guò)程中，上、下內(nèi)澆道同時(shí)充型，充型完畢時(shí)，兩股鐵液匯集在一起，鐵液在流動(dòng)過(guò)程中受泡沫模樣氣化吸熱影響，鐵液前端溫度較低，因此在兩股鐵液匯集處容易形成冷隔缺陷。

在生產(chǎn)中，對(duì)一些輪廓尺寸及高度較大的鑄件，往往設(shè)計(jì)階梯式澆注系統(tǒng)預(yù)期金屬液首先由底層內(nèi)澆道充型，隨著型內(nèi)液面上升，自下而上的流經(jīng)上層內(nèi)澆道，因而充型平穩(wěn)，有利于順序凝固，避免縮松、縮孔、冷隔及澆不到等鑄造缺陷。但從生產(chǎn)結(jié)果看，毛坯中較多冷隔鑄件，則與預(yù)期結(jié)果恰恰相反。將澆注溫度提高到1460～1470℃，雖能降低一定比例冷隔鑄件的出現(xiàn)，但效果不顯著。提高澆注溫度只能有限解決鑄件冷隔缺陷的發(fā)生，不能消除階梯式澆注系統(tǒng)在消失模鑄造特有充型特性條件下引起的冷隔缺陷。因此，消失模鑄造不宜采用階梯式澆注系統(tǒng)。

1.4 塌箱

消失模鑄造采用無(wú)粘結(jié)劑的干砂造型，干砂流動(dòng)性較好，塌箱的形成主要是由于澆注時(shí)砂箱內(nèi)真空度的急劇下降而使干砂流動(dòng)性增加，同時(shí)泡沫模樣熱解產(chǎn)物使砂箱內(nèi)局部氣壓升高，當(dāng)此處的壓力超過(guò)氣隙中的壓力時(shí)干砂就會(huì)向氣隙中流動(dòng)而造成鑄型坍塌[3]。

合適的澆注系統(tǒng)是預(yù)防塌箱的最有效措施。合理地選擇澆注系統(tǒng)澆道截面的大小和澆注位置，使金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，保證澆道內(nèi)一直被金屬液充滿，杜絕出現(xiàn)斷流，不猛烈沖擊型砂；提高砂箱內(nèi)的原始真空度，澆注時(shí)向砂箱內(nèi)施加足夠的負(fù)壓，盡可能使鑄型的各部位負(fù)壓度均勻分布；提高型砂的緊實(shí)率，選用摩擦系數(shù)大的硅砂，降低型砂的流動(dòng)性[2,3]。

2 內(nèi)部缺陷

2.1 夾砂

夾砂缺陷的特征為鑄件表面有局部凸出的長(zhǎng)條疤痕，其邊緣與鑄件本體分離，它下面夾有一薄層砂，或涂料層。把金屬瘤狀物或砂層清除以后，鑄件表面就出現(xiàn)不規(guī)則的凹坑，凹坑中有一條形狀不規(guī)則的凸起物，圖5為某批鑄件經(jīng)機(jī)加工后顯現(xiàn)的夾砂缺陷。

產(chǎn)生的原因有：①車間采用粘土質(zhì)澆口杯，耐火度及其強(qiáng)度不高，在高溫液態(tài)金屬液的沖刷下，澆口杯極易開裂，如圖2所示。在澆注過(guò)程中，若澆口杯開裂，液態(tài)金屬會(huì)透過(guò)裂縫流出澆口杯，粘結(jié)干砂回流到澆口杯內(nèi)，從而將干砂帶入鐵液中，引起鑄件夾砂。②涂敷涂料時(shí)采用分兩步涂刷的工藝，即鑄件模樣本體先浸涂一層涂料，然后粘結(jié)澆注系統(tǒng)，再把澆注系統(tǒng)涂敷一層涂料。這種工藝有效地避免了因內(nèi)澆道連接處粘結(jié)強(qiáng)度低而在浸涂涂料時(shí)斷裂的情況，但同時(shí)也降低了涂層的質(zhì)量，尤其是內(nèi)澆道連接處，兩次涂刷的涂料在此處潤(rùn)濕情況較差，涂層致密性低。澆注時(shí)，此處涂料層禁不住高溫金屬的沖擊，極易引起粘砂。剖開內(nèi)澆道，有時(shí)可以看到砂粒，這在生產(chǎn)中時(shí)有發(fā)生，因此可以認(rèn)定，內(nèi)澆道連接處是引起夾砂缺陷的重要位置。

防止措施：①采用鋼制澆口杯。②保證涂層質(zhì)量。在浸涂涂料前，先用透明膠紙把內(nèi)澆道連接處覆蓋，覆蓋位置要以連接處為中心且向外擴(kuò)一定區(qū)域，待粘結(jié)澆注系統(tǒng)和鑄件模樣本體時(shí)再將膠紙撕下，將內(nèi)澆道浸沾熱熔膠并使粘結(jié)面兩邊對(duì)齊合攏，擠壓固定數(shù)秒后即可粘結(jié)牢固。上涂料前必須檢查粘結(jié)處是否牢固，一旦發(fā)現(xiàn)松動(dòng)，立即進(jìn)行再粘結(jié)使其牢固。

2.2 碳夾雜

消失模鑄造鐵液澆注過(guò)程中，泡沫模樣沒有完全氣化，小塊泡沫被卷入鐵液中，熱解產(chǎn)物留在鑄件里，形成黑色夾雜物。碳夾雜常出現(xiàn)在鑄件頂部或側(cè)面，經(jīng)機(jī)加工后呈現(xiàn)出圖6所示形狀。

產(chǎn)生碳夾雜的直接原因就是泡沫被卷入到鐵液中，熱解產(chǎn)物得不到釋放而留在鑄件中。負(fù)壓度過(guò)高是發(fā)生碳夾雜的最主要原因，當(dāng)負(fù)壓度超過(guò)-50kPa時(shí)，鐵液附壁效應(yīng)明顯，鐵液沿著型壁前進(jìn)速度大于內(nèi)部鐵液前進(jìn)速度，型壁前沿的鐵液將內(nèi)部還未來(lái)得及熔化的小塊泡沫卷進(jìn)形成碳夾雜。另外澆注過(guò)程中，如果模樣發(fā)氣量太大、涂料層較厚或者負(fù)壓不夠，導(dǎo)致模樣氣化產(chǎn)物不能及時(shí)排出型腔，引起鐵液反噴嗆火，導(dǎo)致型腔內(nèi)鐵液紊亂，也會(huì)使小塊泡沫卷進(jìn)鐵液中，這些卷進(jìn)鐵液的小塊泡沫均會(huì)形成碳夾雜。

防止碳夾雜出現(xiàn)的措施有：負(fù)壓度不能太大，在保證順利充型的條件下取30～50kPa的下限，以避免附壁效應(yīng)的出現(xiàn)。模樣密度應(yīng)控制在20～22kg/m3,以減少發(fā)氣量，涂料透氣性應(yīng)較好，厚度一般在0.8mm為佳，同時(shí)優(yōu)化澆注工藝，保證金屬液平穩(wěn)充型。采用先慢澆后快澆的澆注工藝，使鑄型內(nèi)氣體有一個(gè)緩沖的時(shí)間透過(guò)涂料層排出，然后再加快澆注速度，使金屬液快速平穩(wěn)的充滿型腔，有效避免嗆火反噴的出現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

消失模鑄造的工藝特點(diǎn)決定了其鑄件易于出現(xiàn)變形、夾砂、碳夾雜等缺陷，要防止鑄件產(chǎn)生缺陷，必須綜合控制泡沫模樣強(qiáng)度及其發(fā)氣量、鐵液溫度、充型過(guò)程、負(fù)壓度、涂層質(zhì)量、型砂緊實(shí)率、澆注系統(tǒng)等因素。

[1]樊自田，趙忠，唐波，潘迪.特種消失模鑄造技術(shù)[J].鑄造設(shè)備與工藝，2009（1）：17-21.

[2]黃乃瑜，葉升平，樊自田.消失模鑄造原理及質(zhì)量控制[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,2004:184-211.

[3]董秀琦，朱麗娟.消失模鑄造實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005:295-301.

[4]Pan XEN，Sheu GL.Mold Filling Behavior in Vertical Gating Lost Foam

Commom Defects and Control of Lost Foam Castings

HU ZhiJun1,SUN Ping1,ZHANG YanGui1,WU Jin1,CHENG HeFa1,YU JinYuan2
（1.School of Material Science and Engineering HeFei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China；2.TongLing WanXiang Auto Parts Co.Ltd.,Tongling 244141,Anhui China）

In the lost foam casting production conditions,combined with mass production examples and test data,reasons for casting defects such as deformation,crush,sand fusion,cold shut,sand inclusion and carbon have been analysed and relevant prevention measures been proposed.The result showed that the quality of lost foam castings have been affected by many factors such as bubble appearance and its pyrolysis,coating layer,modeling features,high-temperature molten iron,vacuum degree,process of pouring and solidification.

Lost foam casting；Casting defect；Quality control

TG249.6;

A；

1006－9658（2011）03－3

2010－12－10

2010－188

胡志君（1984-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料制備及其性能