鄒 杰，孫 蘭，王 偉，屈 志

（1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065；2.四川維珍高新材料有限公司，四川成都 610000）

消失模鑄造具有設(shè)計(jì)自由度大、鑄件尺寸精度高、鑄件成本低及易于實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是“21世紀(jì)的鑄造方法”及“鑄造的綠色工程”，受到廣泛重視[1-3]。但在消失模鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，總會(huì)出現(xiàn)一些缺陷。常見(jiàn)的消失模鑄造缺陷有：鑄鐵件表面積碳，體積增碳，內(nèi)部夾雜物，縮松、組織不均等[4]。

在消失模鑄造的眾多缺陷中，增碳是一個(gè)不易解決的難題,所以早期消失模鑄造主要生產(chǎn)對(duì)增碳不敏感的鑄鐵件和鑄造有色合金。然而，隨著消失模鑄造生產(chǎn)低碳尤其是超低碳不銹鋼鑄件的需求逐漸增多，解決鑄件的表面增碳就顯得尤為重要。由于該工藝所需的一些關(guān)鍵材料以及有別于常規(guī)鑄造工藝而需要的獨(dú)特鑄型設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)未能獲得突破，嚴(yán)重制約了消失模鑄造技術(shù)在高端裝備制造領(lǐng)域不銹鋼鑄件的應(yīng)用。由模樣中的C而引發(fā)的鑄件增碳以及夾渣、炭黑、皺皮、裂紋、氣孔、成分不均等一系列嚴(yán)重碳缺陷，對(duì)消失模鑄造的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用帶來(lái)了極大的威脅性和極大的局限性，2001～2006年，我國(guó)眾多消失模鑄造廠受限于碳缺陷。歸根結(jié)底，型腔中C的存在是碳缺陷產(chǎn)生之根源[5]。

本文根據(jù)消失模鑄造低碳不銹鋼的工藝特點(diǎn)以及相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)鑄件增碳原理和影響因素進(jìn)行了整理，總結(jié)出相應(yīng)的解決方法，以便應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 碳缺陷形成機(jī)理及原因

1.1 碳單質(zhì)的形成

以聚苯乙烯白模澆注時(shí)裂解為例，白模分解的過(guò)程如圖1所示。

白模內(nèi)的碳最終生成鑄件的碳缺陷主要有兩種途徑[6]：聚苯乙烯的化學(xué)式為（C8H8）n，裂解后的產(chǎn)物為C2H4、CH4、H2， 裂解后產(chǎn)物碳?xì)浔仍?：2~1：4，這里面就有含一定的碳單質(zhì);當(dāng)溫度超過(guò)800℃，短鏈苯乙烯和前期熱解產(chǎn)生的小分子氣體會(huì)再次熱解，分子鏈斷開(kāi)，生成氫氣和碳黑[7]。

這兩種方式產(chǎn)生的碳黑，一部分透過(guò)涂層排出，一部分被涂層吸附，一小部分進(jìn)入金屬液造成增碳，其余部分殘留在金屬液表面形成皺皮、碳渣。

1.2 碳缺陷產(chǎn)生過(guò)程分析

圖1 白模裂解圖

聚苯乙烯（EPS）是較為常見(jiàn)的消失模鑄造模樣原料。EPS組成元素即C和H，由于熔融金屬液溫度極高，固態(tài)白模在高溫下會(huì)迅速裂解成H2和單質(zhì)C。和碳相比，分解后氫在高溫下會(huì)優(yōu)先與氧結(jié)合,即模樣分解的H2先與空氣中的O2結(jié)合,生成H2O以氣體的形式逸出,在O2短期供應(yīng)不足的情況下，大量未轉(zhuǎn)化生成氣體單質(zhì)C（黑煙）會(huì)滯留在鑄型中致鑄件增碳。所以，消失模鑄造很少出現(xiàn)增氫現(xiàn)象,但是增碳現(xiàn)象很難避免,且增碳無(wú)規(guī)律、不均勻,常出現(xiàn)在鑄件次低溫區(qū)或流向鑄件末端。應(yīng)用消失模鑄造生產(chǎn)鑄鋼件時(shí)最容易出現(xiàn)的就是增碳缺陷，該缺陷主要存在于鑄件的表面，并且離內(nèi)澆道越遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)的增碳缺陷越嚴(yán)重[8-11]。

2 碳缺陷的影響因素和解決措施

2.1 白模的影響

在消失模鑄造過(guò)程中，白模種類(lèi)及密度是影響鑄件碳缺陷形成的關(guān)鍵因素，白模中的碳元素是各種碳缺陷的根源。高密度白模雖有助于獲得高表面質(zhì)量的鑄件以及高的承壓能力，但同種白模材料密度越高，熱分解時(shí)形成的C量高，則澆注過(guò)程中液態(tài)及煙氣狀單質(zhì)C含量越高，這樣會(huì)促進(jìn)鑄件滲碳幾率。因此白模的密度不能過(guò)高，也不能過(guò)低?？砂l(fā)性聚苯乙烯EPS,可發(fā)性聚甲基丙烯酸甲酯EPMMA，可發(fā)性共聚物STMMA(前兩種材料的復(fù)合共聚），是目前用于白模制作的主要原材料。其中EPS成本低，用量大，但碳含量為92.3%，從實(shí)際的研究結(jié)果比較來(lái)看其碳化物殘留量最多，氣化溫度高，鑄件質(zhì)量較差；EPMMA的碳含量略低于STMMA（碳含量69.6%），但仍然達(dá)到60%，而且價(jià)格高，發(fā)氣量及發(fā)氣速率太大；STMMA共聚物是EPMMA與EPS按不同比例合成的，物理性質(zhì)和EPMMA比較相近，發(fā)氣量介于EPS和EPMMA之間，碳化物殘留較EPS少。

另外，模樣在裝配組合過(guò)程也會(huì)影響碳缺陷的形成。常見(jiàn)的現(xiàn)象有：組合面多、模樣組合件質(zhì)量差、組合面粗糙不平，造成模樣在裝配粘合時(shí)用膠量大，最后膠熱分解產(chǎn)物致殘留碳增加；模樣粘連劑選擇不當(dāng)，未對(duì)粘接劑的化學(xué)成分含量進(jìn)行限制，最后使用的粘接膠原始含碳量高，以及所選粘接膠的粘合能力不強(qiáng)，為達(dá)到白模組合粘接時(shí)的強(qiáng)度必須加大用膠量，這樣粘接劑在鑄件澆注過(guò)程中被熱分解，形成的產(chǎn)物（主要是C)會(huì)增大鑄件最終的含碳量和滲碳機(jī)會(huì)。

為解決因白模導(dǎo)致鑄鋼件增碳的問(wèn)題,如果白模材料是EPS，在抑制鑄件增碳的方法上,選擇排碳法可以抑制鑄鋼件增碳現(xiàn)象的出現(xiàn)。但排碳法往往用于形狀簡(jiǎn)單且相對(duì)好操作的大型鑄鋼件上,對(duì)于鑄型復(fù)雜的小型鑄鋼件采用排碳法生產(chǎn)上仍然有一定的難度，這一點(diǎn)可結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的要求來(lái)進(jìn)行調(diào)整。白模材料種類(lèi)的選擇，要根據(jù)鑄件表面質(zhì)量要求結(jié)合三種常見(jiàn)材料的特性而定。就控制增碳而言，一般是用共聚料（EPMMA,STMMA）代替聚苯乙稀（EPS），前者碳含量相對(duì)低且有一定的氧元素存在，分解后的C殘留會(huì)相對(duì)較少。兩種共聚料中就綜合性能而言，又以選擇STMMA作為白模材料最優(yōu)。共聚料要具有EPMMA的特性，一般EPS的比例不高，EPMMA和EPS按不同比例混合配置獲得不同性質(zhì)的STMMA共聚料，可有效防止降低球鐵件碳渣缺陷率[12]。此外，在模樣制備技術(shù)要求得到保證以及澆注時(shí)不出現(xiàn)因白模質(zhì)量引起的其他缺陷的前提下，要最大可能地限制模樣的密度，這樣有助于降低鑄件的滲碳積碳的可能。還有就是注重模樣的制作質(zhì)量：模樣可以整體制作時(shí)就盡量避免組合裝配制作，要減少粘合面的數(shù)量；模樣在粘合時(shí)要使模樣的粘接組合面光整，盡可能降低粘接用膠量，進(jìn)而控制熱分解產(chǎn)物的含碳量；使用無(wú)碳或低碳的粘接劑，不要選擇劣質(zhì)碳含量高的一般膠；在能夠保證耐熱度及粘接強(qiáng)度時(shí)，要盡量減少粘接劑的用量，從而降低粘接劑的熱分解產(chǎn)物。

2.2 涂料的影響

涂料用于浸、刷在白模上，金屬液取代白模位置時(shí)，涂層內(nèi)腔即是鑄件型腔，因而“涂料即是鑄型”[13]。鑄件表面粗糙度高、透氣性差、易粘砂等缺陷是目前多數(shù)消失模涂料研制企業(yè)以及自制涂料鑄造廠普遍存在的問(wèn)題。廖希亮等人研究認(rèn)為，液態(tài)高分子聚合物與涂料潤(rùn)濕角小是產(chǎn)生碳黑的主要因素，骨料和粘結(jié)劑影響該潤(rùn)濕性[14]。另外，涂料的透氣性也是影響消失模鑄件增碳的關(guān)鍵因素。

就涂料對(duì)增碳的影響而言，提高涂層的透氣性以及與熱解產(chǎn)物的潤(rùn)濕性，使熱解產(chǎn)物盡可能多的排出型外，可降低涂層對(duì)碳缺陷的影響。涂料作為型腔的保護(hù)體，首先要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，在這一前提下涂層越薄透氣性越好。國(guó)外研究表明，冰晶石粉受高溫發(fā)生分解生成AlF3、NaF等，將冰晶石粉（Na3AlF6）添加到涂料中，這些分解產(chǎn)物會(huì)對(duì)白模熱解產(chǎn)物產(chǎn)生催化和吸附，進(jìn)而消除碳缺陷[15]。

2.3 鑄造工藝的影響

在生產(chǎn)消失模鑄件中，模樣熱分解產(chǎn)物中碳擴(kuò)散到鋼液中機(jī)會(huì)增大，造成滲碳增碳。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因之一是澆注過(guò)程中砂箱內(nèi)部真空度有偏差，真空度過(guò)大或者不足都會(huì)導(dǎo)致模樣分解的產(chǎn)物無(wú)法快速地排出型腔。究其根本原因是抽真空系統(tǒng)和砂箱或者整體的工藝造型設(shè)置不合理。第二個(gè)原因是當(dāng)模樣在澆注時(shí)氣化的時(shí)間過(guò)久，再加上澆注時(shí)充型方式不恰當(dāng)，使得模樣的熱分解產(chǎn)物不能進(jìn)入集渣腔或冒口中，造成熱分解產(chǎn)物中液相和固相的反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而增大了鑄件的滲碳的可能。第三個(gè)原因是澆注充型的過(guò)程較長(zhǎng)，會(huì)造成鋼液的溫度較低，尤其是對(duì)于厚壁件來(lái)說(shuō)，凝固速度慢，導(dǎo)致液相-固相狀態(tài)保留時(shí)間長(zhǎng)，則鋼液和模樣熱分解產(chǎn)物的作用時(shí)間延長(zhǎng)，也會(huì)出現(xiàn)滲碳和增碳現(xiàn)象。

針對(duì)上述現(xiàn)象的預(yù)防措施主要是選擇合理的澆注系統(tǒng)。具體要求是在澆注時(shí)要加快模樣的氣化，同時(shí)減少或者盡量錯(cuò)開(kāi)模樣熱分解產(chǎn)物中液相與固相相接觸反映的時(shí)間，來(lái)降低或避免滲碳和增碳缺陷的出現(xiàn)。澆注溫度和澆注速度是另一影響因素，二者的提高會(huì)加快鑄件模樣的熱分解導(dǎo)致氣化不完全。從而增加熱分解產(chǎn)物在液相中的占有量。假設(shè)鋼液和模樣之間的間隙較小，液相中的熱分解產(chǎn)物會(huì)被擠出到模樣的涂料層和鋼液之間或者占據(jù)鋼液流動(dòng)的冷角和死角，使接觸面增大，碳濃度提高，滲碳量增大。對(duì)于低碳鋼件澆注，如果采用雨淋式澆注系統(tǒng)很有可能導(dǎo)致增碳、滲碳及積碳。若采用底注式或階梯式澆注方法，使鋼液的充型流動(dòng)速度平穩(wěn)，模樣熱分解產(chǎn)物能順利進(jìn)入集渣腔或溢流冒口中，從而降低和減少模樣熱分解產(chǎn)物中液相和固相的接觸反應(yīng)時(shí)間，降低和消除增碳幾率。

2.4 其他因素的影響

鑄件冶煉時(shí)化學(xué)成分控制不當(dāng)，原始鐵水碳含量就很高，這樣鑄件的碳含量相較預(yù)期就高，針對(duì)這種問(wèn)題的措施是，采用中頻爐熔煉嚴(yán)格控制低碳合金鋼的配料和選料操作[11]。配制鋼水原料時(shí)，確保熔煉配料成分比較低的原始碳含量，可以達(dá)到初步限制碳來(lái)源的目的。另外在鑄造低碳合金鋼時(shí)，砂箱需要保持較高的真空度來(lái)形成砂箱里外高的負(fù)壓，這樣有助于加快熱分解氣體從涂層往型腔外散出，從而減少模樣熱分解產(chǎn)物的聚集以及與鋼水接觸時(shí)間。但是負(fù)壓度超過(guò)一定限度，會(huì)引起鑄件粘砂、塌箱及其他缺陷的產(chǎn)生，所以真空度要選擇在合理的范圍。

3 結(jié)語(yǔ)

消失模鑄造不銹鋼過(guò)程中碳缺陷控制是質(zhì)量控制中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，通過(guò)增碳的原理和過(guò)程研究，找到問(wèn)題的影響因素和解決措施，得出如下結(jié)論：

（1）找到合適的白膜材料。在常壓的三種白模材料中，STMMA共聚料能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，有利于減少碳渣、皺皮，且價(jià)格合理。

（2）涂料選擇和使用要合理。在滿(mǎn)足強(qiáng)度和耐火度條件下，選擇骨料透氣性好的涂料，涂層要盡可能薄。

（3）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)要恰當(dāng)。選用頂注式和整體式澆注系統(tǒng)，在保證不粘砂的情況下，盡可能的提高負(fù)壓度。

（4）提高熔煉技術(shù)，確保鐵液低的含碳量。