消失模鑄鋼件表面增碳的機理及防止
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發(fā)表時間：2020-03-24 16:26:20
用消失模鑄造生產(chǎn)鑄鋼件，鑄件表面增碳一直是人們爭論的話題。采用EPS模樣材料時，對低碳鋼(如ZG25)鑄件容易造成表面增碳，但采用STMMA模樣材料時，鑄鋼件表面幾乎不出不出現(xiàn)表面增碳的現(xiàn)象。對于中碳鋼(如ZG45
~ZG60)，采用EPS材料基本上不出現(xiàn)增碳現(xiàn)象。對于高碳鋼(如ZG60以上)，采用EPS模樣材料基本上不產(chǎn)生增碳現(xiàn)象。究竟消失模鑄造是否適合于生產(chǎn)鑄鋼件，特別是低碳鋼鑄件我們進行了大量的實驗。
一、增碳的現(xiàn)象及機理
鑄鋼表面增碳的形式表現(xiàn)在幾個方面：表面增碳、體積增碳、局部增碳和表面脫碳。
表面增碳：在鋼液充型過程中，鋼液前沿與固態(tài)模樣之間的氣隙內(nèi)有大量的氫存在。說明有固相碳生成。氣體產(chǎn)物可在負壓作用下滲入涂層而排出鑄型。但固相碳被吸附于涂層壁鑄件的表面，造成鑄件表面增碳。另外，苯乙烯、苯蒸汽在負壓作用下排出時，冷凝在涂層及周圍的砂子中。吸附在涂料層的有機液態(tài)物質(zhì)，在鋼液凝固、鑄件冷卻過程中繼續(xù)受到分解，也會造成鑄件增碳。對于不同的鑄鋼件，增碳層的深度0. 1~0. 3mm，增碳量為0. 01%。
體積增碳：在澆注過程中，鋼液前沿和模樣之間的動態(tài)間隙內(nèi)存在很大的熱量梯度(從室溫到1550左右)，間隙內(nèi)的熱量從鋼液前沿轉(zhuǎn)移到模樣分解主要靠熱輻射完成?？拷撘呵把爻鰷囟茸罡撸咏撘簻囟?，該處碳的生成量大，所以充型過程該處鋼液液面增碳所需動力學熱力學條件都很充分，此時容易形成鑄件體積增碳。體積增碳與表面增碳相比是次要的。
局部增碳：當鋼液引入鑄型的方法不當時，澆注過程中液態(tài)產(chǎn)物被卷入鋼液內(nèi)部，進而分解為固相碳和氣體，氣體若未能溢出鋼液留在內(nèi)部即導致氣孔產(chǎn)生：固相碳直接為鋼液所吸收，從而造成鑄件局部含碳量提高，形成鑄件局部增碳。
表面脫碳：消失模鑄造采用干砂造型，鑄件冷速較慢，凝固后的鑄件表面含碳量會繼續(xù)發(fā)生變化，冷卻過程中不僅有表面增碳，還有表面脫碳。表面脫碳在較高溫度下即行終止，而脫碳主要是在鑄件冷卻過程中形成。在機理上，脫碳是氧化反應，主要是基體鐵的氧化和碳的氧化。
在實際過程中，鑄件增碳以何種形式產(chǎn)生，主要取決于在鋼液的急熱沖擊作用下、模樣的熱分解狀態(tài)及其產(chǎn)物與金屬液的作用以何種方式進行。
二、減少增碳的措施
消失模鑄鋼件表面增碳的影響因素包括鋼液的成份、鑄件壁厚、鑄件的冷卻速度、涂料層的厚度及透氣性、負壓度、模樣材料、模樣密度、澆冒口工藝、排氣方法、澆注位置、澆注溫度、澆注速度等。
1.原始鋼液與模樣碳濃度的平衡
鑄鋼件表面碳濃度的分布，主要取決于模樣分解產(chǎn)物中碳與鋼液中碳的濃度梯度，隨著鋼液中原始碳量的提高，二者的濃度差縮小，可有效地抑制鑄鋼件表面增碳。鋼液中合金元素對鑄鋼件表面增碳有很大的影響，如Cr可增加鑄鋼表面的增碳，但可以減少碳層的深度。
2.選用低密度或低含碳模樣材料
模樣材料的變化可顯著降低模樣分解產(chǎn)物中碳的濃度，從而減少鑄件表面的增碳。模樣的密度越低，不僅發(fā)氣量減小，而且生成的固相碳也相應減少，所以可使模樣分解產(chǎn)物中碳的濃度降低。低密度的模樣易于氣化，殘存液相少，所以對鋼液的冷卻作用小，有利于降低鑄鋼局部增碳。對于一般的鑄鋼件的生產(chǎn)，模樣密度適于控制在0.016~0.025g/cm2。生產(chǎn)實踐表明，共聚模樣材料即可克服EPS模樣材料熱分解產(chǎn)物中殘?zhí)驾^多，也可克服PMMA模樣發(fā)氣量大，澆鑄時宜產(chǎn)生反噴、嗆火、氣孔等缺陷，可作為鑄鋼件的首先模樣材料。
在模樣材料中增加脫碳劑，如硼酸、硼砂等，防止其燃燒；也可加入苛性堿、磷酸氫氨鹽類，提高模樣發(fā)火溫度，推遲延緩燃燒，縮短金屬液與模樣熱解產(chǎn)物的作用時間。
在模樣中加入阻燃劑，阻止高溫時裂解燃燒，使其不產(chǎn)生或少產(chǎn)生含含碳固相物。如可加入氯化石蠟、三磷酸鹽、五溴二苯醚、三氧化二銻等，同時還可加入二苯酰過氧化物、二月桂酰氧化物等，加速含阻燃劑的模樣轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。
3.使用高透氣性涂料
在鑄鋼件消失模鑄造生產(chǎn)中，涂料是影響鑄鋼件表面增碳的又一個重要因素。涂料層的透氣性好，可減少增碳量。骨料圓整、力度較粗且集中分布，多空結(jié)構(gòu)的涂料有利于提高涂層的透氣性。另外減少涂層的厚度，也可顯著增強涂層的透氣性。有經(jīng)驗表明，涂料層厚度對增碳的影響程度大于涂料材料的組成。在涂料層透氣性較低的情況下，已經(jīng)形成的碳排除困難，間隙中氣壓增大，提高了模樣材料的氣化溫度，從而形成的固相碳相應增多，致使鑄件表面增碳的傾向增大。在涂料中增加氧化性材料，可改變澆鑄過程中的還原性氣氛，有效地抑制住件表面增碳。采用石英粉、剛玉粉、錯英粉三種涂料，鑄件內(nèi)部出現(xiàn)局部增碳現(xiàn)象，但采用石英粉涂料增碳現(xiàn)象最輕。
4.合理的澆鑄工藝
澆鑄工藝對鑄鋼件表面增碳的影響比較復雜，關鍵是內(nèi)澆道位置的選擇、設置必要的排氣通道和集渣冒口。采用底澆時，鑄件上部的增碳量較大；采用側(cè)鑄或頂鑄時，鑄件頂部增碳的規(guī)律性較差，鑄件下部易出現(xiàn)局部增碳現(xiàn)象。設置必要的排氣通道、集渣冒口后；可引導熱解產(chǎn)物的順利排出，利于減輕增碳缺陷。對于壁厚不均勻的鑄件，內(nèi)澆道開設在薄壁處有利于減輕增碳缺陷。采用較高的澆鑄溫度和適當?shù)臐茶T速度，可有利于鋼液的順利充填和熱解產(chǎn)物的順利排出。
5.合適的型壁負壓度
適當提高負壓度，有利于降低鑄件表面的增碳程度。負壓可降低間隙內(nèi)生成的氣體濃度，使模樣熱解產(chǎn)物中的固相碳數(shù)量減少：同時負壓還有利于已生成的固相碳隨著氣體排出型外，進而減少鑄件增碳。對于一般鑄鋼件，負壓度可控制在0. 03~0. 05Mpa。
另外，為了減少涂料層中熱解碳進一步向高溫鑄件表面擴散，鑄件應盡早進行落砂處理。
三、結(jié)論
1.消失模鑄造適合于生產(chǎn)鑄鋼件，采取一定措施可以生產(chǎn)低碳鋼鑄件；
2.使用EPS模樣材料可以生產(chǎn)ZG45以上牌號的鑄鋼件；采用STMMP共聚模樣材料是解決鑄鋼件的最有效措施，同時控制模樣密度在0. 016~0. 022g/cm2，并采取中空非模樣材料的澆道，在模樣的適當部位開設排氣通道可有效抑制鑄件增碳；
3涂料的選擇是減少鑄鋼件增碳的有效措施，在涂料中增加合適的附加物可有效地控制鑄件增碳；
4在工藝措施中，澆冒口的設計十分重要，應根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)合理地設置澆冒口系統(tǒng)。適當提高澆鑄溫度，有利于減少鑄件增碳；適當控制負壓度，也是減少鑄鋼增碳的有效措施。
一、增碳的現(xiàn)象及機理
鑄鋼表面增碳的形式表現(xiàn)在幾個方面：表面增碳、體積增碳、局部增碳和表面脫碳。
表面增碳：在鋼液充型過程中，鋼液前沿與固態(tài)模樣之間的氣隙內(nèi)有大量的氫存在。說明有固相碳生成。氣體產(chǎn)物可在負壓作用下滲入涂層而排出鑄型。但固相碳被吸附于涂層壁鑄件的表面，造成鑄件表面增碳。另外，苯乙烯、苯蒸汽在負壓作用下排出時，冷凝在涂層及周圍的砂子中。吸附在涂料層的有機液態(tài)物質(zhì)，在鋼液凝固、鑄件冷卻過程中繼續(xù)受到分解，也會造成鑄件增碳。對于不同的鑄鋼件，增碳層的深度0. 1~0. 3mm，增碳量為0. 01%。
體積增碳：在澆注過程中，鋼液前沿和模樣之間的動態(tài)間隙內(nèi)存在很大的熱量梯度(從室溫到1550左右)，間隙內(nèi)的熱量從鋼液前沿轉(zhuǎn)移到模樣分解主要靠熱輻射完成?？拷撘呵把爻鰷囟茸罡撸咏撘簻囟?，該處碳的生成量大，所以充型過程該處鋼液液面增碳所需動力學熱力學條件都很充分，此時容易形成鑄件體積增碳。體積增碳與表面增碳相比是次要的。
局部增碳：當鋼液引入鑄型的方法不當時，澆注過程中液態(tài)產(chǎn)物被卷入鋼液內(nèi)部，進而分解為固相碳和氣體，氣體若未能溢出鋼液留在內(nèi)部即導致氣孔產(chǎn)生：固相碳直接為鋼液所吸收，從而造成鑄件局部含碳量提高，形成鑄件局部增碳。
表面脫碳：消失模鑄造采用干砂造型，鑄件冷速較慢，凝固后的鑄件表面含碳量會繼續(xù)發(fā)生變化，冷卻過程中不僅有表面增碳，還有表面脫碳。表面脫碳在較高溫度下即行終止，而脫碳主要是在鑄件冷卻過程中形成。在機理上，脫碳是氧化反應，主要是基體鐵的氧化和碳的氧化。
在實際過程中，鑄件增碳以何種形式產(chǎn)生，主要取決于在鋼液的急熱沖擊作用下、模樣的熱分解狀態(tài)及其產(chǎn)物與金屬液的作用以何種方式進行。
二、減少增碳的措施
消失模鑄鋼件表面增碳的影響因素包括鋼液的成份、鑄件壁厚、鑄件的冷卻速度、涂料層的厚度及透氣性、負壓度、模樣材料、模樣密度、澆冒口工藝、排氣方法、澆注位置、澆注溫度、澆注速度等。
1.原始鋼液與模樣碳濃度的平衡
鑄鋼件表面碳濃度的分布，主要取決于模樣分解產(chǎn)物中碳與鋼液中碳的濃度梯度，隨著鋼液中原始碳量的提高，二者的濃度差縮小，可有效地抑制鑄鋼件表面增碳。鋼液中合金元素對鑄鋼件表面增碳有很大的影響，如Cr可增加鑄鋼表面的增碳，但可以減少碳層的深度。
2.選用低密度或低含碳模樣材料
模樣材料的變化可顯著降低模樣分解產(chǎn)物中碳的濃度，從而減少鑄件表面的增碳。模樣的密度越低，不僅發(fā)氣量減小，而且生成的固相碳也相應減少，所以可使模樣分解產(chǎn)物中碳的濃度降低。低密度的模樣易于氣化，殘存液相少，所以對鋼液的冷卻作用小，有利于降低鑄鋼局部增碳。對于一般的鑄鋼件的生產(chǎn)，模樣密度適于控制在0.016~0.025g/cm2。生產(chǎn)實踐表明，共聚模樣材料即可克服EPS模樣材料熱分解產(chǎn)物中殘?zhí)驾^多，也可克服PMMA模樣發(fā)氣量大，澆鑄時宜產(chǎn)生反噴、嗆火、氣孔等缺陷，可作為鑄鋼件的首先模樣材料。
在模樣材料中增加脫碳劑，如硼酸、硼砂等，防止其燃燒；也可加入苛性堿、磷酸氫氨鹽類，提高模樣發(fā)火溫度，推遲延緩燃燒，縮短金屬液與模樣熱解產(chǎn)物的作用時間。
在模樣中加入阻燃劑，阻止高溫時裂解燃燒，使其不產(chǎn)生或少產(chǎn)生含含碳固相物。如可加入氯化石蠟、三磷酸鹽、五溴二苯醚、三氧化二銻等，同時還可加入二苯酰過氧化物、二月桂酰氧化物等，加速含阻燃劑的模樣轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。
3.使用高透氣性涂料
在鑄鋼件消失模鑄造生產(chǎn)中，涂料是影響鑄鋼件表面增碳的又一個重要因素。涂料層的透氣性好，可減少增碳量。骨料圓整、力度較粗且集中分布，多空結(jié)構(gòu)的涂料有利于提高涂層的透氣性。另外減少涂層的厚度，也可顯著增強涂層的透氣性。有經(jīng)驗表明，涂料層厚度對增碳的影響程度大于涂料材料的組成。在涂料層透氣性較低的情況下，已經(jīng)形成的碳排除困難，間隙中氣壓增大，提高了模樣材料的氣化溫度，從而形成的固相碳相應增多，致使鑄件表面增碳的傾向增大。在涂料中增加氧化性材料，可改變澆鑄過程中的還原性氣氛，有效地抑制住件表面增碳。采用石英粉、剛玉粉、錯英粉三種涂料，鑄件內(nèi)部出現(xiàn)局部增碳現(xiàn)象，但采用石英粉涂料增碳現(xiàn)象最輕。
4.合理的澆鑄工藝
澆鑄工藝對鑄鋼件表面增碳的影響比較復雜，關鍵是內(nèi)澆道位置的選擇、設置必要的排氣通道和集渣冒口。采用底澆時，鑄件上部的增碳量較大；采用側(cè)鑄或頂鑄時，鑄件頂部增碳的規(guī)律性較差，鑄件下部易出現(xiàn)局部增碳現(xiàn)象。設置必要的排氣通道、集渣冒口后；可引導熱解產(chǎn)物的順利排出，利于減輕增碳缺陷。對于壁厚不均勻的鑄件，內(nèi)澆道開設在薄壁處有利于減輕增碳缺陷。采用較高的澆鑄溫度和適當?shù)臐茶T速度，可有利于鋼液的順利充填和熱解產(chǎn)物的順利排出。
5.合適的型壁負壓度
適當提高負壓度，有利于降低鑄件表面的增碳程度。負壓可降低間隙內(nèi)生成的氣體濃度，使模樣熱解產(chǎn)物中的固相碳數(shù)量減少：同時負壓還有利于已生成的固相碳隨著氣體排出型外，進而減少鑄件增碳。對于一般鑄鋼件，負壓度可控制在0. 03~0. 05Mpa。
另外，為了減少涂料層中熱解碳進一步向高溫鑄件表面擴散，鑄件應盡早進行落砂處理。
三、結(jié)論
1.消失模鑄造適合于生產(chǎn)鑄鋼件，采取一定措施可以生產(chǎn)低碳鋼鑄件；
2.使用EPS模樣材料可以生產(chǎn)ZG45以上牌號的鑄鋼件；采用STMMP共聚模樣材料是解決鑄鋼件的最有效措施，同時控制模樣密度在0. 016~0. 022g/cm2，并采取中空非模樣材料的澆道，在模樣的適當部位開設排氣通道可有效抑制鑄件增碳；
3涂料的選擇是減少鑄鋼件增碳的有效措施，在涂料中增加合適的附加物可有效地控制鑄件增碳；
4在工藝措施中，澆冒口的設計十分重要，應根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)合理地設置澆冒口系統(tǒng)。適當提高澆鑄溫度，有利于減少鑄件增碳；適當控制負壓度，也是減少鑄鋼增碳的有效措施。
此文關鍵字：消失,鑄鋼,表面,增碳,機理,防止
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