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  • 消失模铸钢件表面增碳的机理及防止

  • 发布时间:2017/5/24 16:44:27 来源:互联网文字【 收藏浏览人数:2051
  • 内容摘要: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。

    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(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(ZG45 ~ZG60),采用EPS材料基本上不出现增碳现象。对于高碳钢(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。


    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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