消失模铸钢件表面增碳的机理及防止
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发表时间：2020-03-24 16:26:20
用消失模铸造生产铸钢件，铸件表面增碳一直是人们争论的话题。采用EPS模样材料时，对低碳钢(如ZG25)铸件容易造成表面增碳，但采用STMMA模样材料时，铸钢件表面几乎不出不出现表面增碳的现象。对于中碳钢(如ZG45
~ZG60)，采用EPS材料基本上不出现增碳现象。对于高碳钢(如ZG60以上)，采用EPS模样材料基本上不产生增碳现象。究竟消失模铸造是否适合于生产铸钢件，特别是低碳钢铸件我们进行了大量的实验。
一、增碳的现象及机理
铸钢表面增碳的形式表现在几个方面：表面增碳、体积增碳、局部增碳和表面脱碳。
表面增碳：在钢液充型过程中，钢液前沿与固态模样之间的气隙内有大量的氢存在。说明有固相碳生成。气体产物可在负压作用下渗入涂层而排出铸型。但固相碳被吸附于涂层壁铸件的表面，造成铸件表面增碳。另外，苯乙烯、苯蒸汽在负压作用下排出时，冷凝在涂层及周围的砂子中。吸附在涂料层的有机液态物质，在钢液凝固、铸件冷却过程中继续受到分解，也会造成铸件增碳。对于不同的铸钢件，增碳层的深度0. 1~0. 3mm，增碳量为0. 01%。
体积增碳：在浇注过程中，钢液前沿和模样之间的动态间隙内存在很大的热量梯度(从室温到1550左右)，间隙内的热量从钢液前沿转移到模样分解主要靠热辐射完成。靠近钢液前沿出温度最高，接近钢液温度，该处碳的生成量大，所以充型过程该处钢液液面增碳所需动力学热力学条件都很充分，此时容易形成铸件体积增碳。体积增碳与表面增碳相比是次要的。
局部增碳：当钢液引入铸型的方法不当时，浇注过程中液态产物被卷入钢液内部，进而分解为固相碳和气体，气体若未能溢出钢液留在内部即导致气孔产生：固相碳直接为钢液所吸收，从而造成铸件局部含碳量提高，形成铸件局部增碳。
表面脱碳：消失模铸造采用干砂造型，铸件冷速较慢，凝固后的铸件表面含碳量会继续发生变化，冷却过程中不仅有表面增碳，还有表面脱碳。表面脱碳在较高温度下即行终止，而脱碳主要是在铸件冷却过程中形成。在机理上，脱碳是氧化反应，主要是基体铁的氧化和碳的氧化。
在实际过程中，铸件增碳以何种形式产生，主要取决于在钢液的急热冲击作用下、模样的热分解状态及其产物与金属液的作用以何种方式进行。
二、减少增碳的措施
消失模铸钢件表面增碳的影响因素包括钢液的成份、铸件壁厚、铸件的冷却速度、涂料层的厚度及透气性、负压度、模样材料、模样密度、浇冒口工艺、排气方法、浇注位置、浇注温度、浇注速度等。
1.原始钢液与模样碳浓度的平衡
铸钢件表面碳浓度的分布，主要取决于模样分解产物中碳与钢液中碳的浓度梯度，随着钢液中原始碳量的提高，二者的浓度差缩小，可有效地抑制铸钢件表面增碳。钢液中合金元素对铸钢件表面增碳有很大的影响，如Cr可增加铸钢表面的增碳，但可以减少碳层的深度。
2.选用低密度或低含碳模样材料
模样材料的变化可显著降低模样分解产物中碳的浓度，从而减少铸件表面的增碳。模样的密度越低，不仅发气量减小，而且生成的固相碳也相应减少，所以可使模样分解产物中碳的浓度降低。低密度的模样易于气化，残存液相少，所以对钢液的冷却作用小，有利于降低铸钢局部增碳。对于一般的铸钢件的生产，模样密度适于控制在0.016~0.025g/cm2。生产实践表明，共聚模样材料即可克服EPS模样材料热分解产物中残碳较多，也可克服PMMA模样发气量大，浇铸时宜产生反喷、呛火、气孔等缺陷，可作为铸钢件的首先模样材料。
在模样材料中增加脱碳剂，如硼酸、硼砂等，防止其燃烧；也可加入苛性碱、磷酸氢氨盐类，提高模样发火温度，推迟延缓燃烧，缩短金属液与模样热解产物的作用时间。
在模样中加入阻燃剂，阻止高温时裂解燃烧，使其不产生或少产生含含碳固相物。如可加入氯化石蜡、三磷酸盐、五溴二苯醚、三氧化二锑等，同时还可加入二苯酰过氧化物、二月桂酰氧化物等，加速含阻燃剂的模样转变为气体。
3.使用高透气性涂料
在铸钢件消失模铸造生产中，涂料是影响铸钢件表面增碳的又一个重要因素。涂料层的透气性好，可减少增碳量。骨料圆整、力度较粗且集中分布，多空结构的涂料有利于提高涂层的透气性。另外减少涂层的厚度，也可显著增强涂层的透气性。有经验表明，涂料层厚度对增碳的影响程度大于涂料材料的组成。在涂料层透气性较低的情况下，已经形成的碳排除困难，间隙中气压增大，提高了模样材料的气化温度，从而形成的固相碳相应增多，致使铸件表面增碳的倾向增大。在涂料中增加氧化性材料，可改变浇铸过程中的还原性气氛，有效地抑制住件表面增碳。采用石英粉、刚玉粉、错英粉三种涂料，铸件内部出现局部增碳现象，但采用石英粉涂料增碳现象最轻。
4.合理的浇铸工艺
浇铸工艺对铸钢件表面增碳的影响比较复杂，关键是内浇道位置的选择、设置必要的排气通道和集渣冒口。采用底浇时，铸件上部的增碳量较大；采用侧铸或顶铸时，铸件顶部增碳的规律性较差，铸件下部易出现局部增碳现象。设置必要的排气通道、集渣冒口后；可引导热解产物的顺利排出，利于减轻增碳缺陷。对于壁厚不均匀的铸件，内浇道开设在薄壁处有利于减轻增碳缺陷。采用较高的浇铸温度和适当的浇铸速度，可有利于钢液的顺利充填和热解产物的顺利排出。
5.合适的型壁负压度
适当提高负压度，有利于降低铸件表面的增碳程度。负压可降低间隙内生成的气体浓度，使模样热解产物中的固相碳数量减少：同时负压还有利于已生成的固相碳随着气体排出型外，进而减少铸件增碳。对于一般铸钢件，负压度可控制在0. 03~0. 05Mpa。
另外，为了减少涂料层中热解碳进一步向高温铸件表面扩散，铸件应尽早进行落砂处理。
三、结论
1.消失模铸造适合于生产铸钢件，采取一定措施可以生产低碳钢铸件；
2.使用EPS模样材料可以生产ZG45以上牌号的铸钢件；采用STMMP共聚模样材料是解决铸钢件的最有效措施，同时控制模样密度在0. 016~0. 022g/cm2，并采取中空非模样材料的浇道，在模样的适当部位开设排气通道可有效抑制铸件增碳；
3涂料的选择是减少铸钢件增碳的有效措施，在涂料中增加合适的附加物可有效地控制铸件增碳；
4在工艺措施中，浇冒口的设计十分重要，应根据铸件结构合理地设置浇冒口系统。适当提高浇铸温度，有利于减少铸件增碳；适当控制负压度，也是减少铸钢增碳的有效措施。
一、增碳的现象及机理
铸钢表面增碳的形式表现在几个方面：表面增碳、体积增碳、局部增碳和表面脱碳。
表面增碳：在钢液充型过程中，钢液前沿与固态模样之间的气隙内有大量的氢存在。说明有固相碳生成。气体产物可在负压作用下渗入涂层而排出铸型。但固相碳被吸附于涂层壁铸件的表面，造成铸件表面增碳。另外，苯乙烯、苯蒸汽在负压作用下排出时，冷凝在涂层及周围的砂子中。吸附在涂料层的有机液态物质，在钢液凝固、铸件冷却过程中继续受到分解，也会造成铸件增碳。对于不同的铸钢件，增碳层的深度0. 1~0. 3mm，增碳量为0. 01%。
体积增碳：在浇注过程中，钢液前沿和模样之间的动态间隙内存在很大的热量梯度(从室温到1550左右)，间隙内的热量从钢液前沿转移到模样分解主要靠热辐射完成。靠近钢液前沿出温度最高，接近钢液温度，该处碳的生成量大，所以充型过程该处钢液液面增碳所需动力学热力学条件都很充分，此时容易形成铸件体积增碳。体积增碳与表面增碳相比是次要的。
局部增碳：当钢液引入铸型的方法不当时，浇注过程中液态产物被卷入钢液内部，进而分解为固相碳和气体，气体若未能溢出钢液留在内部即导致气孔产生：固相碳直接为钢液所吸收，从而造成铸件局部含碳量提高，形成铸件局部增碳。
表面脱碳：消失模铸造采用干砂造型，铸件冷速较慢，凝固后的铸件表面含碳量会继续发生变化，冷却过程中不仅有表面增碳，还有表面脱碳。表面脱碳在较高温度下即行终止，而脱碳主要是在铸件冷却过程中形成。在机理上，脱碳是氧化反应，主要是基体铁的氧化和碳的氧化。
在实际过程中，铸件增碳以何种形式产生，主要取决于在钢液的急热冲击作用下、模样的热分解状态及其产物与金属液的作用以何种方式进行。
二、减少增碳的措施
消失模铸钢件表面增碳的影响因素包括钢液的成份、铸件壁厚、铸件的冷却速度、涂料层的厚度及透气性、负压度、模样材料、模样密度、浇冒口工艺、排气方法、浇注位置、浇注温度、浇注速度等。
1.原始钢液与模样碳浓度的平衡
铸钢件表面碳浓度的分布，主要取决于模样分解产物中碳与钢液中碳的浓度梯度，随着钢液中原始碳量的提高，二者的浓度差缩小，可有效地抑制铸钢件表面增碳。钢液中合金元素对铸钢件表面增碳有很大的影响，如Cr可增加铸钢表面的增碳，但可以减少碳层的深度。
2.选用低密度或低含碳模样材料
模样材料的变化可显著降低模样分解产物中碳的浓度，从而减少铸件表面的增碳。模样的密度越低，不仅发气量减小，而且生成的固相碳也相应减少，所以可使模样分解产物中碳的浓度降低。低密度的模样易于气化，残存液相少，所以对钢液的冷却作用小，有利于降低铸钢局部增碳。对于一般的铸钢件的生产，模样密度适于控制在0.016~0.025g/cm2。生产实践表明，共聚模样材料即可克服EPS模样材料热分解产物中残碳较多，也可克服PMMA模样发气量大，浇铸时宜产生反喷、呛火、气孔等缺陷，可作为铸钢件的首先模样材料。
在模样材料中增加脱碳剂，如硼酸、硼砂等，防止其燃烧；也可加入苛性碱、磷酸氢氨盐类，提高模样发火温度，推迟延缓燃烧，缩短金属液与模样热解产物的作用时间。
在模样中加入阻燃剂，阻止高温时裂解燃烧，使其不产生或少产生含含碳固相物。如可加入氯化石蜡、三磷酸盐、五溴二苯醚、三氧化二锑等，同时还可加入二苯酰过氧化物、二月桂酰氧化物等，加速含阻燃剂的模样转变为气体。
3.使用高透气性涂料
在铸钢件消失模铸造生产中，涂料是影响铸钢件表面增碳的又一个重要因素。涂料层的透气性好，可减少增碳量。骨料圆整、力度较粗且集中分布，多空结构的涂料有利于提高涂层的透气性。另外减少涂层的厚度，也可显著增强涂层的透气性。有经验表明，涂料层厚度对增碳的影响程度大于涂料材料的组成。在涂料层透气性较低的情况下，已经形成的碳排除困难，间隙中气压增大，提高了模样材料的气化温度，从而形成的固相碳相应增多，致使铸件表面增碳的倾向增大。在涂料中增加氧化性材料，可改变浇铸过程中的还原性气氛，有效地抑制住件表面增碳。采用石英粉、刚玉粉、错英粉三种涂料，铸件内部出现局部增碳现象，但采用石英粉涂料增碳现象最轻。
4.合理的浇铸工艺
浇铸工艺对铸钢件表面增碳的影响比较复杂，关键是内浇道位置的选择、设置必要的排气通道和集渣冒口。采用底浇时，铸件上部的增碳量较大；采用侧铸或顶铸时，铸件顶部增碳的规律性较差，铸件下部易出现局部增碳现象。设置必要的排气通道、集渣冒口后；可引导热解产物的顺利排出，利于减轻增碳缺陷。对于壁厚不均匀的铸件，内浇道开设在薄壁处有利于减轻增碳缺陷。采用较高的浇铸温度和适当的浇铸速度，可有利于钢液的顺利充填和热解产物的顺利排出。
5.合适的型壁负压度
适当提高负压度，有利于降低铸件表面的增碳程度。负压可降低间隙内生成的气体浓度，使模样热解产物中的固相碳数量减少：同时负压还有利于已生成的固相碳随着气体排出型外，进而减少铸件增碳。对于一般铸钢件，负压度可控制在0. 03~0. 05Mpa。
另外，为了减少涂料层中热解碳进一步向高温铸件表面扩散，铸件应尽早进行落砂处理。
三、结论
1.消失模铸造适合于生产铸钢件，采取一定措施可以生产低碳钢铸件；
2.使用EPS模样材料可以生产ZG45以上牌号的铸钢件；采用STMMP共聚模样材料是解决铸钢件的最有效措施，同时控制模样密度在0. 016~0. 022g/cm2，并采取中空非模样材料的浇道，在模样的适当部位开设排气通道可有效抑制铸件增碳；
3涂料的选择是减少铸钢件增碳的有效措施，在涂料中增加合适的附加物可有效地控制铸件增碳；
4在工艺措施中，浇冒口的设计十分重要，应根据铸件结构合理地设置浇冒口系统。适当提高浇铸温度，有利于减少铸件增碳；适当控制负压度，也是减少铸钢增碳的有效措施。
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