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消失模铸铁件显微夹渣预防有招

2015-01-09   金属加工在线单位:郑铁利达实业开发总公司作者:张之卫

  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。

关键词:铸造,消失模,铸造工艺, | 作者 :

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