消失模铸钢件裂纹问题分析

庄大山

（中煤北京煤矿机械有限责任公司，北京 102400）

因工作需要，有幸参与到一条全新的消失模铸钢生产线的筹备工作，后期作为北煤机铸造方面常驻铸造分厂主要的技术力量主持参与了新铸造的投产试运行，经过历时半年多的摸索与实践，新铸造基本走上正轨，虽然仍存在这样那样的问题，但前景依然是光明的。本文是将铸件裂纹的出现原因，解决裂纹问题的实践思路以及最终的解决方案写出来与大家共同探讨共同进步。

消失模铸造是把涂有耐火材料层的泡沫模型放入砂箱，模型四周用干砂或自硬砂充填紧实，浇筑时高温金属液使泡沫热解“消失”，并占据模型所退出的空间，而最终获得铸件的铸造方法[1]。相较于传统铸造，消失模铸造具有铸件精度较高、设计灵活、生产环境好、运营成本较低等优点。但是没有哪种工艺是完美的，现阶段依然存在着各类缺陷，影响铸件质量。

保证消失模铸件质量的关键就是避免各类铸造缺陷的出现，新投产的消失模铸钢生产线不可避免的会出现各种各样的质量问题。往往铸件的质量问题是多种因素综合影响的，单单就一个问题讨论意义不大，必须辅以工艺条件多变量综合分析。

铸件调质裂纹的成因初步分析大致为增碳、夹渣与气孔。

铸钢件化学成分是决定材料性能的关键，其中碳含量的多少对性能影响最直接。消失模的模型多数是易燃的聚乙烯泡沫，在钢水充型取代泡沫时，气化不完全的泡沫残留在铸件当中，使碳含量增高，导致增碳。

增碳会导致铸件化学成分脱格。具体表现为：铸件硬度高，加工困难；铸件内外部化学成分不均匀，导致内应力增大，铸件调质处理易出现裂纹。

业界普遍认为消失模生产工艺不适合铸钢尤其是低碳钢。试生产初期，以ZG27SiMn（含碳量0.24～0.32%）为实验样本[2]，对比分析出钢时钢水的化学成分与铸件本体取样的化学成分数据，研究增碳规律。通过改变生产工艺减少铸件中夹渣气孔的出现几率，并将此项变量综合到铸件增碳研究中综合分析。

解决增碳从两方面着手：从源头控制，减少进入钢水的碳，增加排出的碳。

第一阶段实验：

采用不同密度的泡沫作为模型，对比找出源头项对增碳的影响幅度。

条件：铸钢件暗冒口封闭浇铸[3]。模型为各类密度的泡沫板材8-18kg/m3，浇铸真空50，出钢时含碳量控制在中下线0.24～0.27。化验出钢时的碳含量，对比成品件本体取样的碳含量。

第一批铸件：模型泡沫密度18kg/m3，2015 年11 月25 日A，B，C 三炉ZG27SiMn 的C 含量分别为0.24%，0.25%，0.22% 。成品件本体取样，打磨平整，光谱分析由表面至芯部5 个点，记为a,b,c,d,e,点间距5 到10mm。如下表：

表1 第一批三炉ZG27SiMn，成品件本体取样化验碳元素含量%

结论：增碳严重，铸件成分完全脱格。在铸件中碳含量由芯部到表面呈递增趋势，芯部增碳轻微，表面严重增碳。钢水液取代泡沫冲型过程中，铸件表面的钢水在负压条件下先凝固，未完全气化的泡沫碳化残留在铸件中，越接近表面情况越明显。甚至于在铸件表面有光亮碳缺陷的出现。

第二批铸件：模型泡沫密度14kg/m3，2015 年11 月30 日A，B，C 三炉，出钢前化验碳含量分别为0.23%,0.24%,0.22%。其它试验方法同第一批次。数据如下：

表2 第二批三炉ZG27SiMn，成品件本体取样化验碳元素含量%

结论：增碳现象依然明显，碳含量依然远高于合格成分，且铸件表面仍有光亮碳皱皮现象。对比第一次，通过降低泡沫密度的方法能有效降低增碳，但远远不够。

第三批铸件：模型泡沫密度8～10kg/m3,2015 年12 月5 日A，B，C 三炉，出钢前化验碳含量分别为0.22%,0.24%,0.23%。试验方法同前两次。数据如下：

表3 第三批三炉ZG27SiMn，成品件本体取样化验碳元素含量%

结论：总体碳含量符合ZG27SiMn 要求，表面碳含量趋近于材料上限，芯部成分良好，含碳量依然从芯部到表面呈递增状，且幅度较大，成分不均匀。

分析三批次实验得出结论：通过降低模型密度的方法能有效的减少增碳幅度。

但是模型密度不是越低越好的，低密度泡沫强度低，易变形，增加模型组型、涂料刷涂难度。并且低密度泡沫之间的空隙较多，涂料容易进入泡沫中，影响铸件的表面质量。甚至一部分涂料在钢水的冲刷过程中夹杂于铸件内部形成内部缺陷。

将三批次的铸件进行调质处理发现，各批次均有不同数量的铸件存在裂纹现象，第一、第二批次最为严重，个别铸件出现断裂、掉角等严重缺陷。将问题铸件由裂纹处切开，通过分析裂纹状态，断口形状确定：表面网状裂纹，内部无明显缺陷的铸件为增碳引发应力不均匀，导致铸件裂纹出现。表面大裂纹，内部组织成蜂窝状，为夹渣、气孔缺陷引起。暗冒口浇铸工艺不仅增碳严重，而且严重阻碍气体排出，钢渣的上浮，影响铸件质量[4]。

第二阶段实验：

根据前段实验分析，拟定下一步方案：加快白模中碳的排出，减少夹渣对铸件裂纹的影响。工艺要求，出钢前打渣，钢水包内二次打渣争取处理干净。钢水包表面覆盖耐火石棉，起集渣、保温的作用，浇铸过程中专人挡渣。

条件：模型为14～16kg/m3密度泡沫，开放式明冒口浇注（包括实型浇铸与空壳浇注）。

第四批铸件：明冒口实型浇铸。2015 年12 月11 日A，B，C三炉。钢水配碳依然走下限。出钢前化验碳含量分别为0.23%,0.23%,0.25%。试验方法同上。数据如下：

结论：碳含量的趋势依然是由芯部到表面逐渐增高。但幅度较小。最大增碳量在0.04%左右。所有样块成分均合格。

第四批铸件：明冒口空壳浇注[5]2015 年12 月20 日A，B，C三炉。要求配碳按照中线配。出钢前化验碳含量分别为0.28%,0.27%,0.25%。试验方法同上。数据如下：

表5 第五批三炉ZG27SiMn，成品件本体取样化验碳元素含量%

结论：碳含量均匀分布，微量的碳含量波动与泡沫的烧净程度有关。增碳现象得到解决，所有样块均合格

第二阶段铸件退火后切削加工容易，硬度合格。随后进行调质处理均未发生铸件裂纹现象，且硬度值处于合理范围，破坏若干铸件均未发现内部缺陷。

结论与讨论：

明冒口空壳浇注能有效的解决铸件裂纹问题。

新铸造分厂铸件裂纹的产生归结到两方面：成分与夹渣气孔缺陷。铸造缺陷存在的原因从来不是单方面的，要解决问题必须有大局观，综合研究多个变量，辩证的思考问题。

对比两阶段共五批次15 炉ZG27SiMn 铸件可得出结论。白模是铸件增碳的根本来源，克服铸件增碳因从两方面着手，减少进入铸件的碳残留，采用密度合格的泡沫制作模型。优化铸件浇铸过程中碳的排出，采用明冒口设计工艺，有利于集渣、排气。空壳浇铸作为最优的工艺方案能从根本上解决低碳钢的消失模增碳问题，解决了铸件成分不均匀导致的裂纹。明冒口相较暗冒口更有利于气体的排出和钢水中杂质的上浮，降低了铸件内部夹渣气孔等缺陷的存在，解决了由铸件夹渣气孔缺陷引起的裂纹。

但是空壳浇铸在实验过程中有其局限性。需要重点考虑以下几个方面：

（1）空壳浇铸对消失模涂料要求比较严格，实验过程中有铸件表面存在网状纹路粘砂现象，原因为涂料层在模型烧空过程中出现裂纹，导致钢水外钻，增加后期清理难度。所以涂料层必须有足够的强度，保证烧空过程不开裂。这就要求涂料层厚度较传统消失模要厚，且涂料层必须完全烘干。然而太厚的涂料又不利于铸件表面气体的排出，研究寻找一款合适的涂料至关重要[6]。

（2）干砂造型还必须要有合适的负压，型壳烧空以后，涂料层支撑型腔的作用趋近于零，塌箱与否的关键就是足够的负压，对真空设备要求较高。浇铸完成以后合理的保压时间也是影响铸件质量的关键。保压时间短铸件不能完全凝固导致变形，时间太长则不利于铸件内部应力的释放。工艺设计时必须考虑到真空条件下气体的流通渠道，不同壁厚铸件的合理保压时间，对工艺设计要求较高。

（3）烧模人员与浇铸人员及生产线操作员必须默契配合。这几个环节任何一个出问题都将导致塌箱，铸件报废。

（4）明冒口保温作用有限，补缩能力较差，虽然本厂采用顶部浇铸工艺，浇铸完成后加盖保温覆盖剂，尽量保证冒口最后冷却增加其补缩能力，杜绝缩松缩孔等极易引起铸件开裂的因素。冒口相对较大，铸件出品率依然相对较低。

（5）浇铸中合理的避渣手段同样也是极为关键的。这就需要综合考虑电炉冶炼，钢水包材料，保温集渣手段，浇铸挡渣手段等一系列的问题。