消失模鑄鐵件顯微夾渣分析及預防措施

鄭鐵利達實業開發總公司 （河南鄭州 450015） 張之衛

一、概述

消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模樣粘結組合成模樣簇，涂刷耐火涂料并烘干后，埋在干燥的石英砂中振動造型，在負壓下澆注，使模樣氣化，液體金屬占據模樣位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法，又稱為干砂實型負壓鑄造，國外稱之為EPC（Expendable Casting Proces），是目前較為先進的鑄造工藝之一。

我國消失模鑄造始于20世紀80年代，在借鑒國外消失模鑄造技術的基礎上，經歷了幾十年的研究、發展，逐漸形成了具有鮮明中國特色的消失模鑄造技術和生產格局，發展的道路雖然歷經曲折、反復，但在眾多科研人員的不懈努力下，消失模鑄造技術的發展還是極其明顯的，特別是在2009年前后，由于消失模裝備技術和原輔材料國產化的實現，并形成了系列化和產供銷一條龍的生產格局，從而加速了消失模鑄造工藝在我國鑄造行業的應用。據不完全統計，到2009年，我國消失模鑄件的產量已達到42.7萬t，最大的單件消失模鑄件達到12t。雖然消失模鑄造得到了飛速發展，但由于各個生產廠家技術封閉，以及未能像傳統鑄造技術形成統一的行業標準，從而造成各消失模生產廠家各有特色，這在一定程度上限制了消失模鑄造的發展，與國外的消失模生產水平存在一定的差距。

雖然消失模鑄造同傳統的砂型鑄造相比，減少了混砂、起模、修型、下芯及合箱等工序，避免了所述工序對工件造成的質量問題，大幅度提高了鑄件的尺寸精度，降低了表面粗糙度值；同精密鑄造相比，生產工序、生產環境相對簡單，成本低，但是由于消失模鑄造采用實型模樣澆注，充型過程中存在復雜的物理變化和化學反應，同其他工藝生產的鑄件一樣，消失模鑄件不可避免地將產生各類鑄造缺陷，其中由于顯微夾渣存在于鑄件基體內部，不易被直觀地檢驗發現，而是需通過較復雜的檢驗手段或破壞鑄件才能發現，所以消失模鑄件顯微夾渣成為消失模鑄造的難題。

二、消失模鑄鐵件顯微夾渣的存在形式

夾渣是鑄件缺陷的一種，俗稱渣眼，傳統鑄造工藝鑄件的夾渣一般因為熔煉鐵液不純凈而形成的。消失模工藝鑄件除了鐵液不純凈形成夾渣外，還會因工藝不完善，以及澆注過程中模樣的殘渣而造成鑄件夾渣，且夾渣一般多集中在鑄件的表皮下和過渡圓角處，形狀有線條狀、片狀、塊狀等，顏色為黑色。由于非加工面的夾渣難以發現，所以對鑄件質量的危害性也較大。

我公司采用消失模工藝生產鐵路用ⅢB型鐵座的初期，由于鐵座為非加工鑄件，為保證鐵路運輸的安全，我們做了大量的破壞性檢驗，將鐵座的各部位進行切割檢驗，發現鐵座尾部與工作面的連接處靠近邊緣部位A（見附圖）不是光滑潔凈的金屬面，而是有不規則黑色物體，通過顯微鏡觀察，判定為夾渣。由于夾渣極微小，如不仔細觀察難以發現，在顯微鏡下觀察，所占比例在10%左右。

根據鐵座的使用狀況，A處為鐵座使用過程中的主要受力部位，由于夾渣缺陷的存在，會使夾渣處的力學性能大幅降低，從而無法保證線路的安全性。因此，夾渣缺陷成為鐵座是否采用消失模鑄造工藝生產的一個重要決定因素。

三、消失模顯微夾渣分析

消失模鑄造工藝的主要工序為：模樣簇的制作（模樣制作→模樣組合→涂刷涂料→模樣簇烘干）、埋模、熔煉和澆注等4道工序。依據夾渣缺陷生成的機理，我們認為造成夾渣缺陷的原因主要有三個方面：一是熔煉后鐵液內部的熔渣未能清理干凈，特別是球墨鑄鐵的熔煉，由于球化處理完畢后，鐵液內部會存在部分球化反應的殘留物；二是澆注過程中，工藝控制不嚴，鐵液表面的浮渣隨鐵液進入型內；三是在消失模工藝特有的充型過程中，高溫鐵液與模樣之間產生強烈的化學反應，通過鐵液的熱量，使模樣熱解氣化，再通過真空泵將模樣氣化產生的氣體抽出，而如果模樣氣化不完全，模樣氣化產生的氣體不能及時抽至型外，型內產生的氣體壓力會使模樣殘渣滯留在鑄件表皮下，從而使鑄件產生夾渣缺陷（消失模行業內稱為模樣殘渣缺陷）。

由于金屬熔渣和模樣殘渣顏色非常相近，都是黑色，并且留在鑄件內形成夾渣的部位相同，所以消失模鑄件夾渣缺陷從顏色和部位上很難分清是金屬熔渣，還是模樣殘渣。但是，由于金屬熔渣一般體積較大，肉眼可以看見，而且形成的比例較小，而ⅢB型鐵座的夾渣體積微小，形成比例較大，因此我們制訂了在嚴控熔煉、澆注工藝的前提下，主要以消除模樣殘渣為主的解決方案。

四、顯微夾渣預防措施

1.嚴格鐵液的熔煉和處理工藝

（1）為減少熔煉過程中由于原材料的銹蝕造成過多的熔渣，我們嚴格規定了原材料使用前的表面清理標準，通過采用振動、拋丸、加熱等處理手段，將原材料表面的銹蝕、油污等雜質處理干凈。

（2）熔煉后期，利用聚渣劑將熔煉產生的熔渣盡可能地清除干凈，同時在鐵液出爐前，提高鐵液溫度100℃左右，用聚渣劑清理熔渣2～3次，再將鐵液溫度降低到出爐要求的溫度后出爐。

（3）將球化包內清理干凈，球化處理用的球化劑、孕育劑使用前進行烘烤，對覆蓋用的鐵屑在使用前進行加熱，以清除油污。

（4）球化處理反應完畢后，靜置3～5min，并用聚渣劑除渣2～3次。

2.澆注工序

（1）澆口杯使用水玻璃砂制作，嚴禁使用其他方式的澆口杯。

（2）澆注過程中，安排專人進行擋渣。

（3）澆注時鐵液必須充滿澆口杯，要求鐵液連續，流速平穩。

（4）通過人工控制，保證澆注時砂箱內的真空度在一定范圍，上下波動在0.05MPa左右。

3.模樣制作工序控制

（1）在保證模樣強度的前提下，通過調整發泡時間、蒸汽壓力，來控制加大模料發泡后的顆粒度，最大可能地降低模樣（白模）的密度。通過多次的試驗，我們將ⅢB型鐵座模樣的密度控制在0.018～0.026g/cm3。

（2）在保證澆道強度要求的前提下，最大可能地降低澆道模樣（白模）的密度。通過試驗，我們將澆道模樣的密度控制在0.016～0.022g/cm3。

（3）通過調整涂料中耐火材料的粒度和比例，在保證鑄件表面粗糙度的前提下，使涂料的透氣性達到最大，以利于澆注過程中模樣產生的氣體順利排出。

（4）模樣組合時，通過鑲嵌方式，在使用少量粘結劑的情況下，達到保證模樣簇強度的目的。

（5）控制填充砂的粒度比例，加強填充砂的除塵，保證澆注過程中填充砂的透氣性，以利模樣產生的氣體排出。

五、實施效果

我們對第一爐試驗的ⅢB型鐵座進行了全部破壞性試驗，對工件的重要受力部位進行切割檢驗，未發現夾渣缺陷。隨后，按照第一爐試驗過程中各道工序的控制措施，我們又連續試驗了5爐，以50%的抽檢比例對每個砂箱內的鑄件進行切割檢驗，共抽檢960件。抽檢結果發現，有兩件ⅢB型鐵座孔的端壁有夾渣缺陷（肉眼可以看見），而通過顯微鏡檢驗，ⅢB型鐵座過渡圓角處，未發現夾渣缺陷。依據試驗過程中制定的預防措施，我們對ⅢB型鐵座的消失模鑄造工藝進行修訂、補充后，進入批量生產。

（20120820）