消失模铸钢件渗碳的原因与防止措施

消失模铸钢件渗碳的原因与防止措施*

孙 敏1 王玉华2

(1.包头职业技术学院材料工程系;2.内蒙古北方重工集团铸造公司,内蒙古包头014030)

摘 要:用消失模生产含碳量小于0.45%铸钢件会使其表面含碳量增高,渗碳层深度在0.2~2mm 之间,渗碳量为0.01%~0.1%不等。渗碳使铸件加工性能变差,在一定程度上影响铸件的表面质量及力学性能。使用低密度模样、选择合理的铸型及浇注工艺参数、在模样中加入添加剂、选用合适模样材料、用精密复合铸造工艺是防止和削弱消失模铸钢件渗碳的有效措施。

关键词:消失模;铸钢件;渗碳

消失模铸钢件渗碳过程是一个复杂的物理化学过程。一般铸钢件的浇注温度都高于1550 ,泡沫塑料模在高温钢液作用下发生热分解,并且热分解是随着温度升高而加剧,其分解产物又与钢液作用造成铸钢件渗碳。

1 形成原因

1.1 铸件的表面增碳[1-3]

消失模在浇注过程中,在钢液前沿与固态模样之间的间隙内,大量氢气的产生,说明有大量固相碳的生成,气体产物可在真空作用下透过涂料层而排出铸型,剩下的固相碳吸附于涂层壁,这是造成铸件表面增碳的主要原因之一。其次,蒸汽相苯乙烯、苯等在真空作用下的排出过程中冷凝于涂层及周围型砂中,吸附于涂层界面的液态产物,在钢液凝固、冷却过程中继续受热分解,这是造成铸件表面增碳的另一主要原因。在合金钢中,合金元素对渗碳也有影响。如M n、G r等碳化物形成元素会增加碳在铁中的溶解度,但由于形成M n-C型复合碳化物,又使碳扩散活性减小,渗碳层反而减薄。而N i、Si等非碳化物形成元素则不影响碳在铁中的扩散活性,也不影响钢的表面渗碳。

1.2 铸件的体积增碳[2、3]

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温度梯度(从室温到1550 左右),间隙内热量从金属液前沿转移到模样分解,主要靠热辐射完成。靠近钢液前沿处温度最高,接近钢液温度,在该处生成量大的碳,此时容易形成铸钢体积增碳。

在实际铸件生产中,体积增碳与表面增碳相比是次要的。生产和大量的试验测试表明:铸钢件表面增碳具有严重的不均匀性。即同一铸件的不同部位的增碳量大小和增碳层深度有以下不同:一是由内浇道处沿充填流线增碳呈递增分布趋势;二是充型末端及钢液汇流处,增碳明显高于其他部位;三是铸件不同壁厚其增碳量不同,厚壁处增碳大于薄壁处。

1.3 铸件的局部增碳[3]

当钢液引入铸型的方法不当时,泡沫塑料模样的液态产物被卷入金属液内部,而后又进一步分解为固相碳和气体。气体若未能逸出金属液而留在金属内部即导致气孔产生;而固相碳则直接为钢液所吸收,从而造成了铸件局部含碳量提髙,形成铸件局部增碳缺陷。

1.4 铸件的表面脱碳[4]

消失模铸造采用干砂造型,铸件冷却速度较慢,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,表面增碳在较高温度下即终止,而脱碳主要是在铸件冷却过程中基体铁的氧化和碳的氧化。在通常情况下,铸件表面都是增碳的,真空下浇注时,在停止抽气后铸型与外界连通,这时铸件是在大气对流下冷却的,已经增碳的表面就会因氧化而产生部分脱碳。当脱碳层厚度小于增碳层厚度时,在铸件表面上为:脱碳层 增碳层 正常区,脱碳层愈厚则增碳层愈薄。若涂料层透气性好,涂料层薄,浇注后较早揭去盖在砂箱表面的塑料薄膜而连续抽真空、或者早打箱,则铸件表面会形成较厚的氧化皮,脱碳层可能随氧化皮一道脱落,这时铸件表面也不会产生脱碳层。

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2010年6月第11卷第2期

包头职业技术学院学报

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J une.2010

V o.l11.N o.2

*收稿日期:2010-04-15

作者简介:孙敏(1954-),男,辽宁人,副教授,主要从事铸造专业教学研究工作。

脱碳层厚度大于增碳层厚度时,铸件表面表现为:脱碳层 正常区,生产中铸件内浇道附近的脱碳即是如此。

2 防止措施

2.1 使用低密度模样[4、5]

造成铸钢件渗碳的雾状游离碳或碳氢化合物是泡沫塑料模热分解的产物。因此,模样的密度越大,分解产物的量就越多,铸钢件渗碳也就越严重。当模样密度超过0.03g/c m3时,铸钢件渗碳量会急剧增加。从防止铸钢件渗碳考虑应选用低密度的泡沫塑料模,或采用空心结构的模样,以进一步减少浇注时模样热分解的产物。消失模铸造用模的密度在0.016~0.0256g/c m3之间,铝合金铸件浇温低,常采用密度为0.022~0.0256g/c m3的泡沫塑料模;铸钢和铸铁浇注温度高,则采用密度为0.016~ 0.022g/c m3的泡沫塑料模。

2.2 选择合理的铸型及浇注工艺参数[4、5]

合理的铸型及浇注工艺参数能加速泡沫塑料模气化,减少其分解产物中液相和固相,缩短高温分解产物与钢液接触和反应时间,可减少铸钢件渗碳。

2.2.1 采用蓄热系数大的铸型材料

采用蓄热系数大的铸型材料可提高铸件的结晶速度,这样会缩短铸钢件与处在液态或液一固态以及与其分解产物的消失模的作用时间,从而使铸钢件渗碳层变浅。铸型材料的蓄热系数越大,铸钢件的表面渗碳缺陷就越少,产生中,采用的锆砂、铬铁矿砂等作为原砂,来减少铸钢件的渗碳。

2.2.2 合适的浇注速度

浇注系统开设除影响金属液流向,还影响着金属液浇注速度。浇注速度提高后,模样热分解快,不易完全气化,产物中液相量会增加。同时,金属液与泡沫塑料模的间隙减小,液相分解物常被挤出间隙,挤到涂层和金属液之间,造成分解物和金属液接触面增加,铸件渗碳过程加剧。随着浇注速度提高,铸钢件渗碳量就增加,因此,要采用合适的浇注速度。

2.2.3 提高涂层和型的透气性

涂层和型的透气性愈高,泡沫塑料模分解产物逸出得愈快,从而降低了金属液和模样间隙中分解产物浓度,故能减少铸钢件渗碳。

2.2.4 浇注时应有合适的型壁真空度

浇注时型壁抽真空能加速泡沫塑料模的分解产物逸出涂层及型外,也有利减少铸钢件渗碳。但真空度过大会引起铸件粘砂等缺陷。由于铸钢浇注温度高于铸铁,浇注时泡沫塑料模产生的气体体积也多,所以,消失模铸钢件浇注时型壁真空度高于铸铁件时,以40.0~59.0kPa较适宜。在干砂和真空条件下,EPS(聚苯乙烯)泡沫在真空环境下进行热分解,绝大多数发生 解聚 气化,极少量出现燃烧现象。气化生成的主要是苯乙烯单体和它的低分子质量衍生物组成的气体产物,很少裂解成为氢和碳,其气体生成量与在空气中燃烧时相比也大量减少。因为真空吸力的作用实际上成倍地增加涂料透气率,对气化间隙的减压作用,使生成气体的浓度大大降低,减少裂解生成固相碳的数量;另一方面可将已生成的固相碳迅速排出型腔外。这两种功能都对减少碳质缺陷有利。如果浇注温度、浇注速度、浇注系统、涂料层及消失模模样的内外质量和真空度等配合适当,可以避免或减少产生所谓 特有的增碳 缺陷。实验和生产实践表明,在铸型有真空度的条件下,铸钢浇注温度提高到大于1550 和延长浇注后保持较长的铸型真空时间(20~30m i n),不但没有渗碳缺陷,有时反而会产生铸件表面脱碳;若在铸型无真空度的普通消失模铸造,则产生渗碳缺陷。在铸型有真空度的条件下,金属液温度高,从浇注到凝固的时间长,EPS泡沫易于气化,易于使液相浮到金属液表面并有充裕的时间气化逸出。

2.3 在模样中加入添加剂[4、5]

在模样中加入添加剂防止铸钢件渗碳。如在泡沫塑料模内加入硼酸、硼砂,使模样不易发生燃烧;或加入苛性碱、磷酸氢氨盐类以提高模样燃烧温度,推迟燃烧,从而缩短金属液和模样分解产物作用时间,以防止铸钢件增碳。在模样中加阻燃剂等,阻止泡沫塑料高温时裂解燃烧,使它不产生或少产生含碳的固态产物,由此减少铸件的渗碳。例如可加入阻燃剂0.5%~3%氯化石蜡、三磷酸盐、五溴二苯醚、三氧化二锑。同时可加入0.2%~5%二苯酰过氧化物加速含阻燃剂的泡沫塑料转变为气体。使用防渗碳涂料。在涂料中加入某些抗增碳催化剂如碱金属盐,浇注后涂料能分解出足够量的二氧化碳气体,防止铸件渗碳。或在涂料中加入一些氧化剂,促使模样分解出的碳氢气体转变为中性气体,防止铸件渗碳。

2.4 选用合适模样材料[4、5]

尽量采用EP MMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或ST MMA(EPS:EP MMA为3:7)共聚物模样材料,对解决铸钢件增碳缺陷具有积极意义。

2.5 用精复铸造工艺生产无渗碳铸钢件[5]

精复铸造是将泡沫塑料模、(下转第12页)

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孙 敏等:消失模铸钢件渗碳的原因与防止措施