碳鋼輪轂的消失模鑄造

高成勛，劉偉明

（四川省崇州市鑫晟機械制造廠，四川 崇州 611230）

經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展，消失模鑄造技術(shù)以其簡單的工藝、優(yōu)良的表面質(zhì)量、較精確的鑄造精度優(yōu)勢，被鑄造屆的權(quán)威人士認(rèn)為是“代表21世紀(jì)的鑄造技術(shù)”。采用消失模鑄造生產(chǎn)工藝進(jìn)行鑄造碳鋼生產(chǎn)在國外基本空白，我國的消失模鑄造工作者經(jīng)過10多年的自主創(chuàng)新，基本形成了具有中國特色的消失模鑄造碳鋼生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)技術(shù)，為拓寬我國消失模鑄造的應(yīng)用領(lǐng)域提供了實踐基礎(chǔ)及理論支持。

消失模鑄造碳鋼需要重點防止碳缺陷、增碳（滲碳）、氣孔、縮孔等缺陷產(chǎn)生，相對于消失模鑄造鑄鐵生產(chǎn)難度更大，工藝控制更復(fù)雜。筆者參加了河南某機械制造有限公司年產(chǎn)5000t碳鋼的消失模生產(chǎn)線的安裝調(diào)試和新產(chǎn)品開發(fā)，目前已開發(fā)生產(chǎn)了多個碳鋼鑄件產(chǎn)品，其中以消失模工藝成功試產(chǎn)的碳鋼輪轂為主。

1 碳鋼輪轂的消失模生產(chǎn)

1.1 輪轂材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及工藝難點

輪轂件材質(zhì)為ZG270-500，輪轂的泡沫模樣結(jié)構(gòu)如圖1所示。鑄件結(jié)構(gòu)整體相對簡單，但壁厚差異較大。生產(chǎn)工藝上，試產(chǎn)的輪轂是大型工程汽車上的安全件，要求鑄件表面無氣孔，內(nèi)部無針孔、縮孔及疏松等缺陷，尺寸精度及綜合力學(xué)性能要求較高。此外，消失模鑄鋼件容易產(chǎn)生增碳缺陷，如何控制輪轂碳含量，保證輪轂碳含量均勻，是工藝上的主要難點。

圖1 輪轂泡沫模樣結(jié)構(gòu)圖

1.2 白模成型

試產(chǎn)中，模樣原始珠粒選用優(yōu)質(zhì)的EPS，以減少氣化殘留物，降低出現(xiàn)鑄造缺陷幾率。輪轂鑄件最薄處為15mm，珠粒粒徑取1.1mm～1.5mm，預(yù)發(fā)泡密度嚴(yán)格控制在18 g/L～20g/L，要求預(yù)發(fā)泡后珠粒粒度均勻，熟化時間充分。成型時防止出現(xiàn)過燒、生料或缺料等缺陷，保證白模硬度適中、均勻。

1.3 澆注位置確定及澆注系統(tǒng)的設(shè)計

澆注系統(tǒng)設(shè)計及澆注位置設(shè)定是否合理是影響消失模鑄鋼鑄造工藝成敗的關(guān)鍵因素。與其他鑄造方法相似，消失模鑄造的澆注系統(tǒng)設(shè)計有底注、頂注、階梯注（側(cè)注）等多種澆注方式，具體澆注方式應(yīng)根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行合理的選擇和設(shè)計。碳鋼鑄件的澆注系統(tǒng)應(yīng)保證鋼液的順暢、平穩(wěn)，以及保證塑料模燃燒后氣體及殘渣順利排出，且內(nèi)澆道的尺寸設(shè)定及位置選擇需保證鑄件凝固順序及補縮效果。

根據(jù)消失模鑄造的工藝特點，澆注鋼液時易產(chǎn)生紊亂，而且鋼液溫度較高，過熱溫度短，充型過程中溫度降速快，鋼液易吸氣、氧化，鑄件易出現(xiàn)縮孔、氣孔等典型鑄造缺陷。為保證鑄件不出現(xiàn)缺陷，除適當(dāng)提高澆注溫度外，澆注系統(tǒng)要保證鋼液充型平穩(wěn)，充型時問短，同時擋渣能力要強。根據(jù)輪轂的結(jié)構(gòu)特點，經(jīng)過多次試驗生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，采用底注式和側(cè)注式的空心澆注系統(tǒng)，并在鑄件頂部設(shè)置多個大冒口，保證泡沫燃燒產(chǎn)品排出，澆注后鑄件成型良好，鑄件基本達(dá)到使用要求。圖2所示為輪轂設(shè)置的澆注系統(tǒng)。

圖2 碳鋼輪轂澆注系統(tǒng)設(shè)置

1.4 涂料質(zhì)量控制

涂料作為消失模鑄造的關(guān)鍵技術(shù)之一，對消失模鑄造工藝的成功與否起著至關(guān)重要的作用，是獲得健全鑄件必不可少的一個重要的工藝環(huán)節(jié)，碳鋼的消失模鑄造工藝對涂料的選擇及涂掛工藝要求尤為重要。鑄鋼的消失模用涂料必須具有良好的透氣性和觸變性，高耐火度等，涂層厚控制在1.0mm～1.5mm內(nèi)，涂層太薄，不利于抵抗模型變形，涂層太厚，易產(chǎn)生針孔、渣孔、碳缺陷等缺陷。所以對涂掛工藝要求較高，為防止鑄件變形，提高涂層強度，選用特殊的碳鋼消失模專用涂料，涂掛時采用浸涂方式。

消失模烘房應(yīng)該具備良好的通風(fēng)、加熱及保濕功能，以滿足模樣和涂料層的徹底烘干。烘房的溫度控制在45℃～50℃，烘干時間與泡沫模樣的主要壁厚及鑄件材質(zhì)要求有關(guān)，我們認(rèn)為鑄件是碳鋼材質(zhì)的薄壁泡沫模樣烘干時間大約在120h，厚壁泡沫模樣要達(dá)到120h～240h方能完全烘干烘透。如果模樣不干透，涂層不烘干，澆注時易造成發(fā)氣量增大而使?jié)沧⒎磭姡硅T件產(chǎn)生氣孔、針孔、包砂、塌箱等缺陷而導(dǎo)致鑄件報廢。

模樣在烘干過程中，除溫度控制外，還應(yīng)注意控制濕度，在烘房設(shè)置通風(fēng)設(shè)備，控制濕度不大于30%。烘干過程中，模型需要正確放置，防止模樣變形。干燥后的模樣在造型前應(yīng)放置在濕度小的地方，以防吸潮。

1.5 熔煉澆注

鑄造碳鋼的熔煉過程是最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，必須嚴(yán)格控制整個熔煉過程，包括爐料、工具的準(zhǔn)備，加料的次序及加料時的溫度，預(yù)脫氧和終脫氧的溫度和時間等等。首先，對所有爐料進(jìn)行處理，去除表面污物，爐子及熔煉工具均刷涂料，并在200℃～300℃進(jìn)行烘烤1 h～2 h。所有工作準(zhǔn)備完畢后，將爐料入爐溶化，待爐料熔化全部的85%左右后，進(jìn)行爐前成分快速分析，熔化并且調(diào)整成分。全部熔化后需要保持一定時間進(jìn)行靜置和除渣，后加入錳鐵、硅鐵對鋼液進(jìn)行預(yù)脫氧處理，待成分檢測合格后插入鋁板進(jìn)行終脫氧處理，最后靜置至工藝出爐溫度出爐。熔煉過程中必需按照工藝指導(dǎo)書的規(guī)定嚴(yán)格控制溫度和操作程序。

造型是澆注前的重要工藝環(huán)節(jié)。消失模鑄造用砂選用的是無黏結(jié)劑的干砂，具有良好的流動性、透氣性和耐火性，同時為模樣簇提供支撐。生產(chǎn)中選用20目～40目的高品位石英砂，粒形以圓形為主。在砂箱中安放模樣簇時，應(yīng)保證模樣簇離砂箱底部及四周最短距離在100mm以上。加砂造型采用邊加砂并振動，直至加滿到澆口杯的位置。

澆注前，通過抽負(fù)壓使干砂形成一定的強度，生產(chǎn)中砂箱內(nèi)的真空度調(diào)整到0.50MPa～0.60MPa。澆注時充型應(yīng)平穩(wěn)而不斷流，液流不得直接沖刷澆口杯根部，需要經(jīng)過緩沖堤后平穩(wěn)進(jìn)入到直澆道。在澆注過程中，澆口杯應(yīng)保持充滿狀態(tài)并防止液體擾動，澆注速度應(yīng)稍慢并保持勻速。澆注完畢后，保壓一定時間后降低砂箱內(nèi)的真空度，但不關(guān)閉負(fù)壓系統(tǒng)，到規(guī)定時間后關(guān)閉，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求制定出箱時間。圖3為消失模工藝生產(chǎn)的碳鋼輪轂鑄件。

圖3 碳鋼輪轂鑄件

1.6 主要問題及過程控制

生產(chǎn)過程中遇到的主要問題有澆注時發(fā)生反噴、塌箱以及鑄件增碳現(xiàn)象等，主要是因為輪轂白模密度過高，不均勻，氣化時產(chǎn)生大量的氣體，使得內(nèi)部氣壓急劇上升而產(chǎn)生反噴。又當(dāng)氣化過快，造成真空度不足，涂料強度低，澆注時容易產(chǎn)生塌箱。由于澆注時泡沫燃燒分解出游離碳，碳侵入鋼水致使鑄件增碳。為此，我們綜合各項因素，選用含碳量低的EPS，采用空心澆注系統(tǒng)，提高澆注溫度等辦法，經(jīng)過多次試驗，基本上克服了消失模生產(chǎn)鑄鋼件產(chǎn)生的缺陷。產(chǎn)品加工后的合格率在90%以上；符合客戶產(chǎn)品的技術(shù)要求。

過程控制對于消失模鑄造生產(chǎn)碳鋼輪轂來講是一個極其重要的環(huán)節(jié)，對每一道工序都應(yīng)有更加嚴(yán)格的工藝要求，因每一道工序都密切相關(guān)，任何一道工序出問題都將直接導(dǎo)致鑄件的報廢。所以在碳鋼輪轂的生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制每道程序，從原始珠粒的選用、預(yù)發(fā)泡密度的控制、成型、涂掛、烘烤、裝箱、澆注系統(tǒng)的設(shè)計、熔煉、澆注及負(fù)壓控制都經(jīng)過操作人員自檢和檢驗人員跟蹤全檢，責(zé)任到人，使得每道工序都能得到有效控制，做到每個產(chǎn)品，每個工序都能追溯到責(zé)任人，使得員工責(zé)任心更強，從而達(dá)到整個工藝過程可控、可追溯，并責(zé)任落實的目地。

2 鑄件檢測情況及后處理

檢測結(jié)果顯示輪轂各項力學(xué)性能達(dá)到技術(shù)要求，經(jīng)多點成分檢測，鑄件含碳量基本穩(wěn)定。ω（C）=0.04%～0.05%，消失模鑄鋼件所產(chǎn)生的碳缺陷基本得到解決。 ω（Si）=0.35%～0.42%，ω（Mn）=0.63%～0.71%，ω（P）=0.032%～0.035%，ω（S）=0.030%～0.035%。 檢驗合格碳鋼輪轂需進(jìn)行后續(xù)熱處理，圖4為碳鋼輪轂的退火處理工藝。

3 結(jié) 語

圖4 碳鋼輪轂退火處理工藝

綜上所述，消失模鑄造技術(shù)對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高的鑄件生產(chǎn)有獨特優(yōu)勢，但對于碳鋼輪轂的生產(chǎn)消失模鑄造就具有更高的科技含量和技術(shù)含量。無論是生產(chǎn)泡沫模型的“白區(qū)”，還是造型、澆注的“黑區(qū)”，仍有很多問題需要探索和研究。消失模鑄造對每個工藝環(huán)節(jié)質(zhì)量控制要求相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)，對員工的素養(yǎng)要求高。采用消失模鑄造工藝生產(chǎn)碳鋼輪轂鑄件不僅提高了勞動生產(chǎn)效率，降低了勞動強度，改善了勞動環(huán)境，節(jié)約了勞動成本和生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品更加具備市場競爭能力。經(jīng)過一年多的研制開發(fā)，我們對消失模鑄造工藝生產(chǎn)碳鋼件有了新突破和新認(rèn)識。

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［2］崔春芳，鄧宏運，趙 琦.消失模鑄造技術(shù)及應(yīng)用實例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［3］梁光澤，李增民，姜不居等.消失模鑄造技術(shù)培訓(xùn)資料［M］.北京（第四版），2007.