消失模铸铁件显微夹渣预防方法

电渣学徒

　　一、概述
　　消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模样粘结组合成模样簇，涂刷耐火涂料并烘干后，埋在干燥的石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占居模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法，又称为干砂实型负压铸造，国外称之为EPC（Expendable casting proces），是目前较为先进的铸造工艺之一。

　　我国消失模铸造开始于20世纪80年代，在借鉴国外消失模铸造技术的基础上，经历了几十年的研究、发展，逐渐形成了具有鲜明中国特色的消失模铸造技术和生产格局，发展的道路虽然历经曲折、反复，但在众多科研人员的不懈努力下，消失模铸造技术的发展还是极其明显的，特别是在2009年前后，由于消失模装备技术和原辅材料国产化的实现，并形成了系列化和产供销一条龙的生产格局，从而加速了消失模铸造工艺在我国铸造行业的应用。据不完全统计，到2009年，我国消失模铸件的产量已达到42.7万t，最大的单件消失模铸件达到12t。虽然消失模铸造得到了飞速发展，但由于各个生产厂家技术封闭，以及未能像传统铸造技术形成统一的行业标准，从而造成各消失模生产厂家各有特色，这在一定程度上也限制了消失模铸造的发展，同国外的消失模生产水平存在一定的差距。

　　虽然消失模铸造同传统的砂型铸造相比，减少了混砂、起模、修型、下芯、合箱等工序，避免了所述工序对工件造成的质量问题，大幅度提高了铸件的尺寸精度，降低了表面粗糙度；同精密铸造相比，生产工序、生产环境相对简单，成本低，但是由于消失模铸造采用实型模样浇注，充型过程中存在复杂的物理反应和化学反应，同其他工艺生产的铸件一样，消失模铸件不可避免地将产生各类铸造缺陷，其中由于显微夹渣存在于铸件基体内部，不易直观地检验发现，二是通过较复杂的检验手段和破坏铸件才能发现，所以消失模铸件显微夹渣成为消失模铸造的难题。

　　二、消失模铸铁件显微夹渣的存在形式
　　夹渣是铸件缺陷的一种，俗称渣眼，传统铸造工艺铸件的夹渣一般因为熔炼铁液不纯净而形成的。消失模工艺铸件的除了铁液不纯净形成夹渣外，还会因工艺不完善，以及浇注过程中模样的残渣造成铸件夹渣，且夹渣一般多集中在铸件的表皮下和过度圆角处，形状有线条状、片状、块状等，颜色为黑色。由于非加工面的夹渣难以发现，所以对铸件质量的危害性也较大。

　　我公司采用消失模工艺生产ⅢB型铁座的初期，由于铁座为非加工铸件，为保证铁路运输的安全，我们做了大量的破坏性检验，将铁座的各部位进行切割检验，发现铁座尾部与工作面的连接处靠近边缘部位A（见附图）不是光滑洁净的金属面，而是有不规则黑色物体，通过显微镜观察，判定为夹渣。由于夹渣极微小，如不仔细观察难以发现，在显微镜下观察，所占比例在10%左右。


　　夹渣部位
　　根据铁座的使用状况，此处为铁座使用过程中的主要受力部位，由于夹渣缺陷的存在，会使夹渣处的力学性能大幅降低，从而无法保证线路的安全性，因此，夹渣缺陷成为铁座是否采用消失模工艺生产的一个重要决定因素。

　　三、消失模显微夹渣分析
　　消失模铸造工艺的主要工序为：模样簇的制作（模样制作→模样组合→涂刷涂料→模型簇烘干）、埋模、熔炼和浇注等4道工序。依据夹渣缺陷生成的机理，我们认为造成夹渣缺陷的原因主要有三个方面：一是熔炼后铁液内部的熔渣未能清理干净，特别是球墨铸铁的熔炼，由于球化处理完毕后，铁液内部会残留部分球化反应的残留物；二是浇注过程中，工艺控制不严，铁液表面的浮渣随铁液进入型内；三是消失模工艺特有的充型过程中，高温铁液与模样之间产生强烈的化学反应，通过铁液的热量，使模样热解气化，再通过真空泵将模样气化产生的气体抽出，而如果模样气化不完全，模样气化产生的气体不能及时抽至型外，型内产生的气体压力会使模样残渣留在铸件表皮下，从而造成铸件产生夹渣缺陷（消失模行业内称为模样残渣缺陷）。

　　由于金属熔渣和模样残渣颜色非常相近，都是黑色，并且留在铸件内形成夹渣的部位相同，所以消失模铸件夹渣缺陷从颜色和部位很难分清是金属熔渣，还是模样残渣。但是，由于金属熔渣一般体积较大，肉眼可以看见，而且形成的比例较小，而ⅢB型铁座的夹渣体积微小，形成比例较大，从而我们制定了在严格熔炼、浇注工艺的前提下，主要以解决模样残渣为主的解决方案。

　　四、显微夹渣预防措施
　　1．严格铁液的熔炼和处理工艺
　　（1）为了减少熔炼过程中由于原材料的锈蚀造成过多的熔渣，我们严格规定了原材料使用前的表面清理标准，通过采用振动、抛丸、加热等处理手段，将原材料表面的锈蚀、油污等杂质处理干净。
　　（2）熔炼后期，利用聚渣剂将熔炼产生的熔渣尽可能地清除干净，同时，在铁液出炉前，提高铁液温度100℃左右，用聚渣剂清理熔渣2~3次，而后将铁液温度降低到出炉要求的温度后再出炉。
　　（3）球化包内清理干净，球化处理用的球化剂、孕育剂使用前进行烘烤，覆盖用的铁屑使用前加热清除油污。
　　（4）球化处理反应完毕后，静置3~5min，并用聚渣剂除渣2~3次。

　　2．浇注工序
　　（1）浇口杯使用水玻璃砂硬化制作，严禁使用其他方式的浇口杯。
　　（2）浇注过程中，安排专人进行挡渣。
　　（3）浇注时铁液必须充满浇口杯，要求铁液连续，流速平稳。
　　（4）通过人工控制，保证浇注时砂箱内的真空度在一定范围，上下波动在0.05MP左右。

　　3．模样制作工序控制
　　（1）在保证模样强度的前提下，通过调整发泡时间、蒸汽压力，来控制加大模料发泡后的颗粒度，最大可能地降低模样（白模）的密度。通过多次的试验，我们将ⅢB型铁座模样的密度控制在0.018～0.026g/cm3。
　　（2）在保证浇道强度要求的前提下，最大可能地降低浇道模样（白模）的密度。通过试验，我们将浇道模样的密度控制在0.016～0.022g/cm3。
　　（3）通过调整涂料中耐火材料的粒度和比例，在保证铸件的表面粗糙度的前提下，使涂料的透气性达到最大，保证浇注过程中模样产生的气体顺利排出。
　　（4）模样组合时，通过镶嵌方式，在使用少量粘接剂的情况下，达到保证模样簇强度的目的。
　　（5）控制填充砂的粒度比例，加强填充砂的除尘，保证浇注过程中填充砂的透气性，以利模样产生的气体排出。

　　五、实施效果
　　对第一炉试验的ⅢB型铁座，我们进行了全部破坏性试验，对工件的重要受力部位进行了切割检验，检验后未发现夹渣缺陷。随后，按照第一炉试验过程中各道工序的控制措施，我们又连续试验了5炉，以50%的抽检比例对每个砂箱内的铸件进行切割检验，共抽检工件960件。抽检结果发现，有两件ⅢB型铁座孔的端壁有夹渣缺陷（肉眼可以看见），而ⅢB型铁座过度圆角处（受力部位），通过显微镜检验，未发现夹渣缺陷。依据试验过程中制定的预防措施，我们对ⅢB型铁座的消失模铸造工艺进行了修订、补充后，进入批量生产。

作者： 张之卫，郑铁利达实业开发总公司。

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