中、低碳消失模鑄鋼件表面增碳規律初探

段平昌，劉 浩

（1.中建材集團凱盛重工有限公司，安徽淮南 232058；2.安徽中興華漢機械有限公司，安徽淮南 232100）

被鑄造行業權威人士稱為“21世紀的綠色鑄造技術”的消失模鑄造技術，是一項具有廣闊發展前景的鑄造新技術新工藝。其鑄件表面光潔、尺寸精確、生產工藝簡單，因在負壓下澆注成形而組織致密，無傳統鑄件的分型面痕跡和飛邊。但其也有不足之處，其中，消失模鑄鋼件的表面增碳問題就一直困擾著廣大消失模鑄造工程技術人員，成為業內專家不斷探索研究的一個熱點問題[1～4]。由于低碳鑄鋼件的表面增碳，致使鑄件的斷面收縮率和伸長率降低，塑性、韌性和焊接性能變差，硬度增加，給鑄件機械加工帶來困難，造成廢品率上升[5]，這些都嚴重制約了消失模鑄造技術的發展和應用。所以認識和了解消失模鑄鋼件表面增碳的原因和規律，探討消失模鑄鋼件表面增碳的影響因素，進而在實際生產中有的放矢地加以控制，不斷提高消失模鑄鋼件的產品質量和企業效益，這是我們必須要面對和解決的問題。

1 化學成分分析方法、實驗材料和鑄造成形工藝

本文進行化學成分分析采用的方法為非水滴定法和氣體容量法兩種方法加以對照，取樣方法為用鋼水拍取薄片和從鑄件的不同部位表面鉆取鉆屑。試驗材料為汽車、工程機械、煤礦機械和破碎機械用消失模鑄鋼件及中頻感應電爐熔煉的鋼水，材質為w（C）<0.65%的鑄造碳鋼和低合金鋼，其中有形狀較復雜和壁厚較大的鑄件，也有形狀相對簡單的板類和筒狀鑄件。所用模樣材料為聚苯乙烯（EPS），模樣密度為 18 kg·m-3～20 kg·m-3，模樣由預發的EPS泡沫塑料顆粒用自動成型機成型和用EPS塑料板材切割后組合粘接成型，模樣經涂覆涂料、烘干后，埋入干砂中造型，在負壓下用高溫鋼水快速澆注成鑄件。

2 中、低碳消失模鑄鋼件不同部位的表面增碳情況探析

對w（C）<0.65%的不同材質消失模鑄鋼件不同部位的表面增碳情況進行檢測的結果見表1，因試驗采用非水滴定法和氣體容量法分別對同一試樣加以對照測定的碳值幾乎相同，故表1中未將對照數據一一列出。表1中w鋼（C）是指已加合金調整成分即將澆注的鋼水中碳的質量分數。w件（C）為鑄件中碳的質量分數，表1中一些鑄件的EPS泡沫模大于35 mm的厚壁部分采用了空心結構。

表1 不同材質消失模鑄鋼件的表面增碳情況

從鑄件實體取樣位置、鋼水和鑄件不同部位表面的碳的質量分數檢測結果可以看出：

1）不同鑄件的表面增碳情況不同，同一鑄件的不同部位增碳情況也不同，存在著增碳不均勻性。

2）同一鑄件鋼水充型末端（距澆口位置最遠端）的增碳幅度顯著高于澆口處的增碳幅度，二者相差較大。鑄件表面含碳量從澆口處→距澆口中遠處→距澆口最遠端逐步遞增。

3）鋼水碳含量越低，鑄件表面增碳幅度越大；鋼水碳含量越高，鑄件表面增碳幅度越小。

4）形狀較復雜和壁厚尺寸較大的鑄件的表面增碳幅度較大，不均勻性增強。

5）形狀簡單或壁厚尺寸較小的鑄件表面增碳幅度較小，且不同部位的增碳幅度變化不大。

3 消失模鑄鋼件的表面增碳原因、影響因素及控制措施

消失模鑄鋼件之所以會產生表面增碳現象，是因為消失模鑄造采用的模樣材料是EPS泡沫塑料。隨著高溫鋼水從澆口進入鑄型，EPS泡沫模在高溫鋼水的作用下發生裂解、分解，產生大量氣體和液相的碳氫化合物及部分游離態的碳，形成碳源。這些不斷增多的泡沫模熱解產物被鋼水從澆口處向距澆口最遠端逐步前推，并且未氣化的泡沫模熱解產物也在被擠向鑄型時積聚附著在涂料層內壁，與鑄件緊貼在一起。在整個澆注過程中，進入型內的鋼水始終與泡沫模熱解產物“親密”接觸，一部分碳便向鋼水中擴散，從而造成了鑄件表面增碳。進入型內的鋼水同泡沫模熱解產物接觸作用時間越長，接觸面積越大；泡沫模熱解產物越多，濃度越大，增碳就越嚴重。這就解釋了為什么鑄件在鋼水充型末端和鋼水匯流處的表面增碳幅度較大；沿鋼水充填方向，越遠離澆口，表面增碳越顯著；越接近澆口，表面增碳幅度越小。所以，對于不同鑄件，澆口位置的選擇十分重要，它決定了鋼水的引入位置和泡沫模熱解產物的流向，也就是說，它可以決定鑄件的某些部位的含碳量和增碳幅度。

在消失模鑄造中，涂料層是泡沫模熱解產物排出鑄型的必過之關，因此，鑄件的結構對表面增碳的幅度和均勻性影響很大。象板類鑄件那樣形狀簡單的鑄件，因為鋼水易于充型，泡沫模熱解產物易于排出，與鋼水接觸作用時間短，泡沫模熱解產物在鑄型不同部位的排出速度也相近，所以整個鑄件表面增碳幅度差異不大；而形狀較復雜的鑄件，因其在不同部位的進型鋼水的流動速度有差別，進型鋼水與泡沫模熱解產物的接觸面積也有差別，故而造成鑄件表面增碳很不均勻；外形尺寸較大的厚壁鑄件，因其所用模樣材料的質量較大，則泡沫模熱解產物相應增多，進型鋼水與泡沫模熱解產物的接觸面積也相應增大，加之厚大鑄件的凝固速度較慢，鋼水與熱解產物接觸作用時間相應增長，所以鑄件的表面增碳幅度也較大且不均勻。另外，鑄件的比表面積越大，對于泡沫模熱解產物順利通過涂料層排出鑄型越有利，能不同程度地降低增碳幅度。由此可見，鑄件的形狀越簡單，壁厚越小，比表面積越大，其表面增碳幅度越小，均勻性也越好。

對于低碳消失模鑄鋼件，因澆注鋼水的碳含量很低，而EPS泡沫模熱解產物的碳含量卻很高，二者存在巨大的碳濃度梯度差。鋼水的碳含量越低，碳濃度差就越大，其增碳傾向就越強烈，所以低碳消失模鑄鋼件的相對表面增碳更加嚴重。而當鋼水碳含量增加時，二者間的碳濃度差減小，碳的擴散動力學條件不足，向鋼水中擴散變得困難，故相對增碳幅度變小。有資料報道，當碳含量超過0.45%時，增碳幅度很小。

基于以上種種因素，結合實際生產情況，作者認為可采取以下措施控制鑄件表面增碳：

3.3.4 硫酸核糖霉素硫酸鹽含量與酸堿度結果相關性分析 將所測19批次樣品的pH值與硫酸鹽含量（HPLC-ELSD法）進行數據擬合，結果為y=-4.364 6x+52.579 4（r=0.94，其中 y 為硫酸鹽含量（%），x 為 pH 值，6.0≤x≤8.0）。結果表明，硫酸鹽含量與酸堿度結果呈顯著負相關，硫酸鹽含量在17.66%～26.39%范圍內和溶液酸堿度存在線性關系，此時分子式中對應的硫酸數量n值的范圍為1.0～1.7?？梢娝釅A度可以達到控制硫酸鹽含量的目的，《中國藥典》標準項目的設置有一定合理性。

1）中頻爐熔煉鑄鋼，應對不同碳含量的碳鋼及合金鋼廢鋼嚴格分類管理使用，以保證熔煉配料的材質成分符合工藝技術要求。

2）對于特定的鑄件，在保證泡沫模強度的前提下，應選用密度和碳含量較小的模樣材料，如共聚材料，以控制泡沫模熱解產物的含碳量[6]。

3）要設法阻止泡沫模熱解產物固態游離碳的形成；可向預發前的EPS珠粒中添加適量氧化劑，在高溫下能實現泡沫模熱解產物的去碳，有效降低鑄件的增碳幅度，甚至不增碳[7-8]。

4）增強涂料和造型干砂的透氣性，適當地增大真空度，可加速泡沫模熱解產物排出鑄型。當型砂粒度在20目/40目時，澆注時真空度應以0.04 MPa～0.05 MPa為宜。

5）對于厚壁鑄件，在保證泡沫模強度的前提下，將模樣的厚壁部分設計成空心結構，減小泡沫模的質量，控制泡沫模熱解產物的增多。

6）應選用碳含量低的泡沫模粘接膠，并控制粘接時的用膠量，粘接面要盡量少且平整光滑。

7）對于不同的鑄件，應設計合理的澆注系統，選擇正確的澆注工藝，適當地提高澆注溫度，可有效地抑制鑄件的增碳幅度。對于低碳消失模鑄鋼件，可選用底注方式，在易增碳部位安放一個小集渣冒口，使泡沫模熱解產物上浮進入集渣冒口中。對于高大的鑄件，應盡量采用分散多層澆道設計，避免澆道過于集中。

4 結 語

在實際生產中，造成消失模鑄鋼件表面增碳的影響因素往往很多，不可能靠單獨的調整某一種因素和參數就能解決問題，而是要把上述措施綜合起來考慮，并結合實際生產情況，反復摸索制定出最佳方案，以最大程度地減少中、低碳消失模鑄鋼件的表面增碳。隨著消失模鑄造技術的不斷發展，相信人們對于消失模鑄鋼件的表面增碳規律會有更加深入地認識，最終會徹底消除消失模鑄鋼件的表面增碳現象，為消失模鑄造技術拓展出更大的發展空間。

［1］蘇繼勇，賈柏林，高源江.消失模生產低碳鑄鋼件的生產操作與控制措施［J］.鑄造設備與工藝，2009（5）：6-8.

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［5］黃乃瑜，葉升平，樊自田.消失模鑄造原理及質量控制［M］.武漢：華中科技大學出版社，2004.

［6］章舟.消失模鑄造生產及應用實例［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［7］陳杰，諶征，陳勝.消失模鑄造去碳因素法防止鑄鋼增碳［J］.鑄造技術，2009（8）：1032.

［8］秦國治,馬紀紅，閻喜紅.應用消失模鑄造工藝生產煤機柱窩鑄鋼件的工藝［J］.鑄造設備與工藝,2010（3）：26.