關(guān)于消失模鑄造V法鑄造增碳與夾雜質(zhì)量缺陷的研究

　　馬懷榮 劉祥泉

　　淄博通普真空設(shè)備有限公司

　　摘要：本論文對(duì)消失模鑄造與V法鑄造的增碳特點(diǎn)、增碳機(jī)理做了較為深入的研究。搞清了這兩種工藝在增碳方面差異及原因?？隙薞法鑄造在生產(chǎn)一般碳鋼件的優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞：增碳、只熔不燒、以燒為主、也燒也熔、瞬間增碳。

　　Abstract This thesis of epc casting with V method of carburization characteristics, carburization mechanism made in-depth study. Make the two kinds of process in the carbonization and the reasons for the differences. Definitely the V method casting in general production carbon steel pieces of advantage.

　　1. 前言

　　消失模鑄造與V法鑄造在我國推廣應(yīng)用已有數(shù)十年的歷史，已從1990年出版的第一版《鑄造手冊》將V法列為新技術(shù)【1】(P881-P888)，到2002年第二版《鑄造手冊》【2】升格為正式砂型工藝(P85-88)，2011年第三版《鑄造手冊》【3】(P70)四種砂型工藝，消失模鑄造與負(fù)壓鑄造成為其中的兩種，使其成為我國鑄造造型主要手段。生產(chǎn)應(yīng)用中遇到的質(zhì)量缺陷成為我們鑄造工作者攻克的重點(diǎn)。其中增碳與夾雜已成為生產(chǎn)鑄鋼件的重中之重。我公司下設(shè)一個(gè)鑄造分廠(又稱試驗(yàn)基地，簡稱試驗(yàn)廠)兩種工藝并存，這個(gè)分廠的宗旨是提供計(jì)劃推廣應(yīng)用消失模鑄造工藝或V法鑄造工藝的單位，參觀、學(xué)習(xí)、培養(yǎng)操作工人。同時(shí)也是我們解決這兩種工藝推廣應(yīng)用中技術(shù)難題的試驗(yàn)基地。我們在生產(chǎn)一般碳鋼鑄件中發(fā)現(xiàn)用消失模生產(chǎn)鑄鋼件中常常發(fā)生增碳及夾雜質(zhì)量缺陷，而用V法鑄造生產(chǎn)鑄鋼件中，增碳及夾雜現(xiàn)象并不嚴(yán)重。生產(chǎn)的鑄造件表面光潔，皺皮缺陷很少發(fā)生，特別是機(jī)械加工后，內(nèi)部夾雜也很少發(fā)生。這個(gè)現(xiàn)象引起我們的重視，并把這個(gè)問題列為研究課題。下面我們把研究成果總結(jié)出來，供同行們研究參考，歡迎提出批評(píng)指正。

　　2. 消失模鑄造工藝與V法鑄造工藝的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)

　　2.1 相同點(diǎn)：干砂、負(fù)壓、塑料

　　(1)干砂、負(fù)壓幾乎完全相同。我們認(rèn)為干砂嚴(yán)格講，消失模鑄造最好選用20/40較粗的顆粒，有利泡沫塑料熱解產(chǎn)物通過真空排出鑄型，減輕鑄件的增碳及夾雜影響。但是因我們實(shí)驗(yàn)廠兩種工藝并存，為方便生產(chǎn)，簡化砂處理設(shè)備，消失模鑄造與V法鑄造均采用40/70的干砂，幾年來生產(chǎn)比較正常，真空負(fù)壓系統(tǒng)共用。

　　(2)塑料：消失模鑄造用EPS(聚苯乙烯)泡沫塑料。

　　V法鑄造用EVA(乙烯—醋酸乙烯酯共聚物)薄膜塑料EPS、EVA都是石油化工產(chǎn)品，主要材質(zhì)都是碳?xì)浠衔?，在鑄造過程中都會(huì)與高溫鋼液發(fā)生熱解，其產(chǎn)物又與鋼液作用，既有物理變化又有化學(xué)反應(yīng)，其結(jié)果都會(huì)造成鑄鋼件增碳及夾雜。本文的夾雜是指塑料殘留物造成的夾雜。不包括熔煉澆注造成的夾雜。

　　2.2 不同點(diǎn)：型腔、通氣口

　　(1)型腔：消失模鑄型，無型腔，故稱實(shí)型鑄造。而且連冒口也是泡沫塑料做出同樣密封在砂箱中。澆注時(shí)，鋼液利用其本身的高溫將泡沫塑料熱解，占領(lǐng)其空間通過置換形成鑄件。V法鑄造同傳統(tǒng)鑄造一樣，有上、下箱，可以下芯合箱后形成砂型，有型腔。型腔中有空氣，空氣中含有20%的氧氣。

　　(2)通氣口：消失模鑄造無通氣口，就是冒口也被薄膜密閉在砂型內(nèi)。

　　V法鑄造必須有通氣口，供型腔與環(huán)境大氣相通，在合箱澆注前，使型腔與被真空系統(tǒng)抽成的型砂顆粒間的負(fù)壓形成壓差，建立型腔的形狀、硬度和強(qiáng)度。澆注時(shí)，通氣口將型腔中受熱劇烈膨脹的氣體及塑料薄膜燃燒產(chǎn)生的氣體排出鑄型。

　　3. 消失模鑄造與V法鑄造增碳及夾雜

　　3.1 消失模鑄造增碳及夾雜【5】【6】

　　因消失模鑄造中泡沫塑料模，被密封在被真空系統(tǒng)抽成負(fù)壓的干砂中，澆注時(shí)，屬無氧狀態(tài)，泡沫塑料只能熱解，是典型的“只熔不燒”。熱解中形成產(chǎn)物：

　　(1)氣相：CO、CO2、H2、CH4和分子量較小的苯乙烯以及他們的衍生物組成。氣相物很容易被真空系統(tǒng)抽走，穿過涂料層、干砂層，排到大氣中。

　　(2)液相：主要有苯、甲苯、乙烯、玻璃狀聚苯乙烯等組成。

　　(3)固相：主要由聚苯乙烯熱解成的光亮碳和焦油狀殘留物組成。

　　這些熱解產(chǎn)物均屬碳?xì)浠衔铮瑵沧⒅胁荒芘懦鲨T型，與澆入的鋼液接觸，其中的碳就擴(kuò)散到鋼中，造成鑄件增碳及夾雜。有的資料將這些熱解產(chǎn)物稱為“碳庫”【7】，而且鑄件含碳量越低，增碳趨勢越大。生產(chǎn)鑄鐵件，因鑄鐵本身含碳量高，鐵水流動(dòng)好，排渣能力強(qiáng)，增碳及夾雜現(xiàn)象影響不大。但生產(chǎn)鑄鋼件，因含碳量低，鋼水流動(dòng)性差，排渣能力也差，特別是含碳0.45%以下的中低碳鑄鋼件【5】(P335)，增碳及夾雜就成了影響鑄件質(zhì)量的大問題，生產(chǎn)含碳要求0.04%以下超低碳不銹鋼鑄件就更成了難題。

　　3.2 V法鑄造增碳

　　前面談到V法鑄造工藝是有型腔的，型腔設(shè)有專門的通氣口，使型腔與環(huán)境大氣相通，型腔內(nèi)有空氣，含氧量在20%左右，真空系統(tǒng)只將型砂顆粒間的空氣抽走，原則上不允許抽型腔的氣體。實(shí)際操作中，EVA密封薄膜，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部損壞，造成漏氣。砂箱局部漏氣，真空管道局部漏氣，真空系統(tǒng)則成為維持負(fù)壓強(qiáng)度的手段。V法造型工藝應(yīng)對(duì)漏氣處進(jìn)行修補(bǔ)、黏封，盡量減少漏氣，保證真空系統(tǒng)的負(fù)壓強(qiáng)度值。

　　澆注中，前期因型腔中有足夠的氧氣，當(dāng)鋼液接觸EVA薄膜時(shí)則發(fā)生以燃燒為主的氧化反應(yīng)，塑料薄膜中的碳，與空氣中的氧，發(fā)生反應(yīng)生成CO2，隨同受熱膨脹的熱氣流，從通氣口逸出型腔到大氣中，這個(gè)階段不會(huì)發(fā)生增碳。澆注中期，因鋼液的充填鑄型，型腔越來越小。澆注前期，產(chǎn)生CO2時(shí)，造成氧的大量消耗，型腔的含氧量下降，這時(shí)碳、氧反應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生部分CO，因CO也是氣相，也會(huì)隨熱氣流從通氣口逸出到大氣中。這個(gè)時(shí)期，仍然不會(huì)發(fā)生增碳，總體講，鑄型中氧氣越來越少，產(chǎn)出的CO越來越多。到澆注后期，氧氣嚴(yán)重不足，氧化反應(yīng)越來越差，就會(huì)發(fā)生增碳現(xiàn)象。特別是到了澆滿的瞬間，也會(huì)發(fā)生只熔不燒，也會(huì)像消失模鑄造一樣，產(chǎn)生增碳及夾雜。但是因鑄鋼件液體收縮大，需要有足夠的鋼液去完成鑄件的補(bǔ)縮。故設(shè)了較大冒口體積，可以集中相當(dāng)數(shù)量的鋼液，成了澆注中的集渣包、集碳包、集氣包。澆注最后瞬間生產(chǎn)的塑料殘留物被集中到冒口體中，在清整鑄件，割冒口當(dāng)作回爐廢料清除掉，而鑄件卻完好無損，無增碳缺陷的干擾。

　　在實(shí)際生產(chǎn)中，我們認(rèn)真觀察澆注過程，鑄型的氣體變化也充分證明了上述現(xiàn)象，以澆注油田的平衡塊為例。(見平衡塊澆注示意圖)

　　油田平衡塊澆注示意圖

　　該鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，屬大平面的鑄件，塑料薄膜A面占35%，B面占35%，C面(垂直面)一周約占30%。澆注開始，金屬液首先燒損A面，因該面面積大，這時(shí)型腔內(nèi)含氧量足，燒損時(shí)，產(chǎn)生的CO2量較多，澆注中會(huì)看到有三股淡淡的青煙從三個(gè)通氣口中冒出，在金屬液燒損A線至B線垂直薄膜時(shí)，鑄件平面大，金屬液上升的速度較慢，薄膜燒損速度較慢，通氣口的青煙幾乎看不到。當(dāng)澆注到接近B線高度時(shí)，因缺氧，B面薄膜進(jìn)入也燒也熔階段，當(dāng)澆滿型腔的瞬間幾乎變?yōu)橹蝗鄄粺?，這時(shí)也會(huì)產(chǎn)生增碳，產(chǎn)生的殘留物也會(huì)形成夾雜。這個(gè)結(jié)論是我們用幾年的觀察研究得出的。從澆注中，通氣口冒青煙的變化充分說明V法鑄造澆注過程，塑料薄膜的變化由以燒為主，到也燒也熔，再到以熔為主。只要有氧氣，就會(huì)產(chǎn)生CO2、CO氣體，CO2、CO氣體就會(huì)從通氣口(通氣冒口)自行排出鑄型，就不會(huì)產(chǎn)生增碳及夾雜。在澆注后期出現(xiàn)的瞬間只熔不燒，因有鑄件冒口，起到集渣、集碳、集氣的作用，增碳及夾雜的危害也大大減輕。

　　V法鑄造生產(chǎn)鑄鋼件產(chǎn)生增碳及夾雜少的另一原因是V法鑄造耗用的塑料量比消失模鑄造耗用塑料少。

　　理論計(jì)算，噸鑄鋼件，耗用消失模料1÷7.6*20=2.63kg(式中1為1m3泡沫料,7.6為鑄鋼比重7.6t/ m3,20為消失模比重kg/ m3)如果將澆冒口耗用量計(jì)算進(jìn)去，耗用量3.5kg/t以上。

　　V法鑄造型腔表面是由薄膜包裹著的密封體。EVA薄膜的比重為0.98，EPS泡沫塑料的比重0.02,0.98÷0.02=49。即EVA薄膜是EPS泡沫塑料的49倍。以0.1mm厚度的薄膜計(jì)算，V法鑄型相當(dāng)用厚度4.9mm泡沫塑料板做成空心泡沫模樣，文獻(xiàn)【5】【6】【7】都指出采用空心泡沫模樣是減少增碳和塑料殘留物的有效措施。況且V法鑄造在覆膜時(shí)，相當(dāng)大的部分的薄膜被拉伸成厚度0.05～0.08mm，塑料殘留物會(huì)更加減少。V法鑄造噸鑄件耗用薄膜數(shù)量與鑄件的壁厚有關(guān)，壁厚越大耗量越少。應(yīng)當(dāng)指出生產(chǎn)含碳量0.15%以下低碳鑄鋼件時(shí)塑料薄膜的增碳也不能忽視。

　　0.15%以上的碳鋼鑄件，V法鑄造完全可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鑄鋼件，近幾年國內(nèi)已大量生產(chǎn)汽車工業(yè)的前橋、中橋、后橋，鐵路機(jī)車的側(cè)架、搖枕、掛鉤等鑄鋼件，這些鑄鋼件均為安全關(guān)鍵件。通過了國家級(jí)的嚴(yán)格評(píng)審，此類鑄鋼件已出口到美國、澳大利亞、俄羅斯、烏克蘭、哈薩克斯坦等國，充分說明V法鑄造工藝，生產(chǎn)碳鋼鑄件是一個(gè)值得肯定的好工藝。

　　一些小的碳鋼鑄件，因V法鑄造工藝的局限性，采用V法不太適當(dāng)。我相信，在我們鑄造工作者的努力下一定會(huì)攻克難關(guān)，取得進(jìn)展。文獻(xiàn)【4】【5】【6】【7】都比較深入的闡明了相應(yīng)的防治措施，可以參考應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì)《鑄造手冊》第一版1990年5月

　　[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì)《鑄造手冊》第二版2002年1月

　　[3] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)學(xué)會(huì)《鑄造手冊》第三版2011年9月

　　[4] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)消失模與V法鑄造技術(shù)委員會(huì) 葉升平 孫之成《消失模鑄造與V法鑄造》2010年2月

　　[5] 章舟 王春景 鄧宏遠(yuǎn)《消失模鑄造手冊》2011年1月

　　[6] 黃天佑 黃乃瑜《消失模鑄造技術(shù)》2004年5月

　　[7] 崔春芳 鄧宏遠(yuǎn)《消失模鑄造技術(shù)及應(yīng)用》2007年6月

　　作者簡介：

　　馬懷榮，1937年出生，山東濰坊人，1960年畢業(yè)于山東機(jī)械工業(yè)學(xué)院鑄造專業(yè)，分配到山東冶金機(jī)械廠，從事鑄造技術(shù)工作。1997年退休，退休后一直從事鑄造技術(shù)服務(wù)至今，服務(wù)單位百余家，現(xiàn)任淄博通普真空設(shè)備有限公司技術(shù)顧問。全國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)消失模與V法鑄造技術(shù)委員會(huì)高級(jí)工程師。近幾年重點(diǎn)研究消失模鑄造與V法鑄造。