消失模鑄鋼件裂紋問題分析

莊大山

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

因工作需要，有幸參與到一條全新的消失模鑄鋼生產線的籌備工作，后期作為北煤機鑄造方面常駐鑄造分廠主要的技術力量主持參與了新鑄造的投產試運行，經過歷時半年多的摸索與實踐，新鑄造基本走上正軌，雖然仍存在這樣那樣的問題，但前景依然是光明的。本文是將鑄件裂紋的出現原因，解決裂紋問題的實踐思路以及最終的解決方案寫出來與大家共同探討共同進步。

消失模鑄造是把涂有耐火材料層的泡沫模型放入砂箱，模型四周用干砂或自硬砂充填緊實，澆筑時高溫金屬液使泡沫熱解“消失”，并占據模型所退出的空間，而最終獲得鑄件的鑄造方法[1]。相較于傳統鑄造，消失模鑄造具有鑄件精度較高、設計靈活、生產環境好、運營成本較低等優點。但是沒有哪種工藝是完美的，現階段依然存在著各類缺陷，影響鑄件質量。

保證消失模鑄件質量的關鍵就是避免各類鑄造缺陷的出現，新投產的消失模鑄鋼生產線不可避免的會出現各種各樣的質量問題。往往鑄件的質量問題是多種因素綜合影響的，單單就一個問題討論意義不大，必須輔以工藝條件多變量綜合分析。

鑄件調質裂紋的成因初步分析大致為增碳、夾渣與氣孔。

鑄鋼件化學成分是決定材料性能的關鍵，其中碳含量的多少對性能影響最直接。消失模的模型多數是易燃的聚乙烯泡沫，在鋼水充型取代泡沫時，氣化不完全的泡沫殘留在鑄件當中，使碳含量增高，導致增碳。

增碳會導致鑄件化學成分脫格。具體表現為：鑄件硬度高，加工困難；鑄件內外部化學成分不均勻，導致內應力增大，鑄件調質處理易出現裂紋。

業界普遍認為消失模生產工藝不適合鑄鋼尤其是低碳鋼。試生產初期，以ZG27SiMn（含碳量0.24～0.32%）為實驗樣本[2]，對比分析出鋼時鋼水的化學成分與鑄件本體取樣的化學成分數據，研究增碳規律。通過改變生產工藝減少鑄件中夾渣氣孔的出現幾率，并將此項變量綜合到鑄件增碳研究中綜合分析。

解決增碳從兩方面著手：從源頭控制，減少進入鋼水的碳，增加排出的碳。

第一階段實驗：

采用不同密度的泡沫作為模型，對比找出源頭項對增碳的影響幅度。

條件：鑄鋼件暗冒口封閉澆鑄[3]。模型為各類密度的泡沫板材8-18kg/m3，澆鑄真空50，出鋼時含碳量控制在中下線0.24～0.27。化驗出鋼時的碳含量，對比成品件本體取樣的碳含量。

第一批鑄件：模型泡沫密度18kg/m3，2015 年11 月25 日A，B，C 三爐ZG27SiMn 的C 含量分別為0.24%，0.25%，0.22% 。成品件本體取樣，打磨平整，光譜分析由表面至芯部5 個點，記為a,b,c,d,e,點間距5 到10mm。如下表：

表1 第一批三爐ZG27SiMn，成品件本體取樣化驗碳元素含量%

結論：增碳嚴重，鑄件成分完全脫格。在鑄件中碳含量由芯部到表面呈遞增趨勢，芯部增碳輕微，表面嚴重增碳。鋼水液取代泡沫沖型過程中，鑄件表面的鋼水在負壓條件下先凝固，未完全氣化的泡沫碳化殘留在鑄件中，越接近表面情況越明顯。甚至于在鑄件表面有光亮碳缺陷的出現。

第二批鑄件：模型泡沫密度14kg/m3，2015 年11 月30 日A，B，C 三爐，出鋼前化驗碳含量分別為0.23%,0.24%,0.22%。其它試驗方法同第一批次。數據如下：

表2 第二批三爐ZG27SiMn，成品件本體取樣化驗碳元素含量%

結論：增碳現象依然明顯，碳含量依然遠高于合格成分，且鑄件表面仍有光亮碳皺皮現象。對比第一次，通過降低泡沫密度的方法能有效降低增碳，但遠遠不夠。

第三批鑄件：模型泡沫密度8～10kg/m3,2015 年12 月5 日A，B，C 三爐，出鋼前化驗碳含量分別為0.22%,0.24%,0.23%。試驗方法同前兩次。數據如下：

表3 第三批三爐ZG27SiMn，成品件本體取樣化驗碳元素含量%

結論：總體碳含量符合ZG27SiMn 要求，表面碳含量趨近于材料上限，芯部成分良好，含碳量依然從芯部到表面呈遞增狀，且幅度較大，成分不均勻。

分析三批次實驗得出結論：通過降低模型密度的方法能有效的減少增碳幅度。

但是模型密度不是越低越好的，低密度泡沫強度低，易變形，增加模型組型、涂料刷涂難度。并且低密度泡沫之間的空隙較多，涂料容易進入泡沫中，影響鑄件的表面質量。甚至一部分涂料在鋼水的沖刷過程中夾雜于鑄件內部形成內部缺陷。

將三批次的鑄件進行調質處理發現，各批次均有不同數量的鑄件存在裂紋現象，第一、第二批次最為嚴重，個別鑄件出現斷裂、掉角等嚴重缺陷。將問題鑄件由裂紋處切開，通過分析裂紋狀態，斷口形狀確定：表面網狀裂紋，內部無明顯缺陷的鑄件為增碳引發應力不均勻，導致鑄件裂紋出現。表面大裂紋，內部組織成蜂窩狀，為夾渣、氣孔缺陷引起。暗冒口澆鑄工藝不僅增碳嚴重，而且嚴重阻礙氣體排出，鋼渣的上浮，影響鑄件質量[4]。

第二階段實驗：

根據前段實驗分析，擬定下一步方案：加快白模中碳的排出，減少夾渣對鑄件裂紋的影響。工藝要求，出鋼前打渣，鋼水包內二次打渣爭取處理干凈。鋼水包表面覆蓋耐火石棉，起集渣、保溫的作用，澆鑄過程中專人擋渣。

條件：模型為14～16kg/m3密度泡沫，開放式明冒口澆注（包括實型澆鑄與空殼澆注）。

第四批鑄件：明冒口實型澆鑄。2015 年12 月11 日A，B，C三爐。鋼水配碳依然走下限。出鋼前化驗碳含量分別為0.23%,0.23%,0.25%。試驗方法同上。數據如下：

結論：碳含量的趨勢依然是由芯部到表面逐漸增高。但幅度較小。最大增碳量在0.04%左右。所有樣塊成分均合格。

第四批鑄件：明冒口空殼澆注[5]2015 年12 月20 日A，B，C三爐。要求配碳按照中線配。出鋼前化驗碳含量分別為0.28%,0.27%,0.25%。試驗方法同上。數據如下：

表5 第五批三爐ZG27SiMn，成品件本體取樣化驗碳元素含量%

結論：碳含量均勻分布，微量的碳含量波動與泡沫的燒凈程度有關。增碳現象得到解決，所有樣塊均合格

第二階段鑄件退火后切削加工容易，硬度合格。隨后進行調質處理均未發生鑄件裂紋現象，且硬度值處于合理范圍，破壞若干鑄件均未發現內部缺陷。

結論與討論：

明冒口空殼澆注能有效的解決鑄件裂紋問題。

新鑄造分廠鑄件裂紋的產生歸結到兩方面：成分與夾渣氣孔缺陷。鑄造缺陷存在的原因從來不是單方面的，要解決問題必須有大局觀，綜合研究多個變量，辯證的思考問題。

對比兩階段共五批次15 爐ZG27SiMn 鑄件可得出結論。白模是鑄件增碳的根本來源，克服鑄件增碳因從兩方面著手，減少進入鑄件的碳殘留，采用密度合格的泡沫制作模型。優化鑄件澆鑄過程中碳的排出，采用明冒口設計工藝，有利于集渣、排氣。空殼澆鑄作為最優的工藝方案能從根本上解決低碳鋼的消失模增碳問題，解決了鑄件成分不均勻導致的裂紋。明冒口相較暗冒口更有利于氣體的排出和鋼水中雜質的上浮，降低了鑄件內部夾渣氣孔等缺陷的存在，解決了由鑄件夾渣氣孔缺陷引起的裂紋。

但是空殼澆鑄在實驗過程中有其局限性。需要重點考慮以下幾個方面：

（1）空殼澆鑄對消失模涂料要求比較嚴格，實驗過程中有鑄件表面存在網狀紋路粘砂現象，原因為涂料層在模型燒空過程中出現裂紋，導致鋼水外鉆，增加后期清理難度。所以涂料層必須有足夠的強度，保證燒空過程不開裂。這就要求涂料層厚度較傳統消失模要厚，且涂料層必須完全烘干。然而太厚的涂料又不利于鑄件表面氣體的排出，研究尋找一款合適的涂料至關重要[6]。

（2）干砂造型還必須要有合適的負壓，型殼燒空以后，涂料層支撐型腔的作用趨近于零，塌箱與否的關鍵就是足夠的負壓，對真空設備要求較高。澆鑄完成以后合理的保壓時間也是影響鑄件質量的關鍵。保壓時間短鑄件不能完全凝固導致變形，時間太長則不利于鑄件內部應力的釋放。工藝設計時必須考慮到真空條件下氣體的流通渠道，不同壁厚鑄件的合理保壓時間，對工藝設計要求較高。

（3）燒模人員與澆鑄人員及生產線操作員必須默契配合。這幾個環節任何一個出問題都將導致塌箱，鑄件報廢。

（4）明冒口保溫作用有限，補縮能力較差，雖然本廠采用頂部澆鑄工藝，澆鑄完成后加蓋保溫覆蓋劑，盡量保證冒口最后冷卻增加其補縮能力，杜絕縮松縮孔等極易引起鑄件開裂的因素。冒口相對較大，鑄件出品率依然相對較低。

（5）澆鑄中合理的避渣手段同樣也是極為關鍵的。這就需要綜合考慮電爐冶煉，鋼水包材料，保溫集渣手段，澆鑄擋渣手段等一系列的問題。