系統建立低碳鋼消失模鑄造的工藝體系

　　作者，浙江凱斯特新材料股份有限公司，田軍

　　一、制約低碳鋼消失模鑄造工藝進步的“瓶頸”

　　在我國，消失模鑄造工藝從灰鑄鐵起步。以取消砂芯為優勢，在變速箱、發動機缸體、飛輪殼、電機殼，等形狀較復雜的殼體類產品上，消失模鑄造工藝進步迅速，較短時期就形成產業規模。

　　球墨鑄鐵的推廣難度稍大一些，甚至有的行業和客戶端，較長時間不接受消失模鑄造的產品。直到 2010 年前后才真正形成產能。

　　鑄鋼工藝的探索幾乎同步于球墨鑄鐵，并取得了一定的進步，一度呈現出較強的發展趨勢。但是，鑄鋼的消失模技術并未上升到更高的層次，更未達到預期和理想的效果，總體是不成功的，尤其是低碳鋼。

　　卡住工藝進步的“瓶頸”非常明確：

　　1、白模分解給鑄件帶來大量增碳，且分布不均勻和極不穩定。

　　2、大量碳渣形成的內在和外觀缺陷，嚴重制約成品率。

　　3、砂眼、氣孔缺陷大量產生，與水玻璃砂、覆膜砂工藝相比，差距非常明顯。

　　附圖 1，白模消失導致的外觀碳缺陷，

　　附圖 2，白模消失導致的內在碳缺陷

　　附圖 3，集中發生的砂眼和氣孔缺陷

　　產品質量低劣，經濟效益低下，否定該工藝方向的聲音愈來愈強烈。部分企業不堪重負，直接判定項目失敗;個別企業以高昂的成本代價，走向空殼澆注，即裝箱造型前將白模焙燒清除;更多的項目轉向先燒后澆工藝。

　　二、先燒后澆工藝積極的進步意義

　　白模分解產物造成增碳和碳缺陷的趨勢是客觀存在的，必須面對這個事實。

　　通過合理的工藝過程，將其產生的影響降到更低，是唯一方向。

　　先燒后澆就是該工藝理念下產生的，看似用一個很簡單直接、非常容易被理解的工藝方式，解決了讓消失模鑄鋼工藝舉步維艱的問題，并風靡了一個發展時期。

　　澆注前將白模燒干凈，或燒掉大部分，型腔中的白模消失或減少了，自然產生降低增碳和減少碳缺陷的效果。

　　大量生產實踐證明，先燒后澆確實有效改善和克服了增碳問題，對消失模鑄鋼工藝有積極的進步意義。

　　但其同時放大了其它方面的不利因素：

　　1、負壓狀態下，火焰在型腔內形成的分解溫度較低，只能達到幾百攝氏度。白模較低溫度富氧燃燒，氣化程度較差，殘留的碳渣非常多。

　　涂層內表面及殘留的白模表面，會形成連續的碳渣層。

　　碳渣的主要組分是碳化物，分解溫度較高，即便 1500℃以上的金屬液體，也不能使其較充分分解，澆注后必然產生更大量的碳缺陷。

　　復雜結構鑄件，白模更難燒干凈。未燃燒的白模，由于表面覆蓋了連續的碳渣層，影響了澆注過程中的充分氣化分解，促進了碳渣的更大量產生。

　　附圖 4，EPS 白模燃燒后涂層內表面形成的連續碳渣層

　　2、白模燃燒后，燃燒通道大量進氣，砂箱內的實際負壓非常低(一般會降低到 0.02MP 上下)，砂型強度嚴重下降，極易導致漲箱及鐵包砂，嚴重時造成塌箱，中大鑄件及厚大鑄件反應尤其敏感。

　　金屬液體流經位置極易形成沖砂，大量的涂層及型砂被沖入型腔，形成砂眼缺陷。

　　附圖 5，先燒后澆導致的塌箱

　　3、先燒后澆，在較低的負壓狀態下開放充型，持續大量進入型腔的氣體不能及時充分排出，極易被金屬液流捕捉，形成氣孔缺陷，尤其是殘留的白模位置。

　　附圖6，先燒后澆集中發生的氣孔缺陷

　　三、如何建立系統、平衡的工藝體系

　　相比其它鑄造工藝，消失模鑄造是更系統的工藝過程。必須充分發揮其工藝優勢，通過合理、系統的工藝設計，嚴謹的過程控制，對白模分解產物“節源開流”，才能實現理想的效果。

　　(一)、以排氣為核心

　　1、砂型強度是通過負壓得到的，負壓是通過排氣實現的。只有順暢的排氣，才能實現充足的負壓，從而保證足夠高的砂型強度，降低塌箱、漲箱風險，減少和消除鐵包砂、砂眼等鑄造缺陷。

　　2、白模消失產生大量氣體，必須瞬間排出，才能有效保持砂型所有部位的強度;保證順暢的澆注充型過程;減少金屬液體捕捉氣體的機會，從而減少和消除氣孔缺陷。

　　3、白模分解產生的游離碳，可通過排氣過程，被涂層部分吸收。排氣效果好，涂層吸收的碳相應較多。

　　排氣是消失模鑄造的工藝優勢，充分排氣是消失模工藝體系的核心，鑄造工藝設計及過程控制必須以此為核心展開。對影響排氣的所有因素，應高度敏感性地重視，以充分發揮其工藝優勢，為降低增碳最大程度地“開流”。

　　影響排氣的因素：

　　1、充足的排氣動力，

　　1)功率充足的真空泵及負壓系統。

　　排氣功率和排氣量宜大不宜小。

　　為降低電耗，可小功率多機組并聯，根據產品特點和負壓情況靈活開啟和關閉。

　　有條件的，采用變頻電機，根據負壓設定范圍自動控制開關。

　　更高層次，澆注、保壓兩套負壓系統，自動切換。

　　2)足夠高的、相對穩定的澆注負壓值。

　　結合澆注系統的設計和澆注速度，一般就高不就低，不要過多考慮附壁效應。(負壓過大能抽塌箱或將金屬液體抽出來也是不正確的)

　　澆注負壓值必須穩定在工藝設計的范圍內，范圍設定不能太大。

　　變頻控制更好。

　　專人控制在固定值最好。

　　2、順暢的排氣通道

　　1)合理的砂箱設計：負壓管路分布均勻，宜密不宜疏，加強底抽;通氣孔的總面積宜大不宜小，越大越好。

　　2)砂箱定期檢查并及時維護，保持通氣孔足夠高的透氣率。

　　3)排氣管路截面積，或總截面積足夠大，并保持暢通。包括總排氣管路、分支排氣管路、氣閥內置通道、橡膠波紋管、砂箱外排通道等。

　　3、透氣性良好的涂層

　　1)涂料的透氣性能良好。(實現涂層透氣性的內因和基礎)

　　不能為單向提高強度而降低其透氣性。選擇常溫強度、高溫強度、透氣性均良好的涂料。自配涂料：粘結劑同時具備良好的強度及透氣性能;骨料在保證有效含量的前提下，必須保持合理、穩定的粒度結構。

　　2)涂層均勻、厚度可控。合理的濃度能形成適中的表面張力，提高流平性，促進涂層均勻;濃度保持穩定，定時檢測并及時調整;避免相同方向流淌。

　　3)充分烘干。保持穩定的烘干溫度;足夠低的相對濕度;充足的烘干時間，尤其是最后一次涂料的烘干時間(建議超過 20 小時)。黃模組離開烘房至裝箱的時間越短越好，避免涂層降低至室溫并吸潮。

　　4、保持型砂充分干燥及良好的粒度結構。連續生產，保持適宜的砂溫(30～50℃);充分除塵。

　　(二)、選擇適合的鑄造專用珠粒

　　1、白模分解的產物是固態碳化物、游離碳、二氧化碳和水。

　　(高溫狀態下)二氧化碳和水是氣體，只要能及時排出，對鑄件質量不會造成不良影響。

　　以二氧化碳形式排出涂層，是排碳的最佳和主要途徑。

　　游離態的碳是極細的單體，可以被涂層小部分吸收;更多的被液態金屬吸收增碳;未被吸收或排出的碳，如果分散于鑄件表面，不會形成鑄造缺陷。如果集中出現，就形成宏觀的碳缺陷。

　　固態碳化物是大顆粒物質，不會被吸收或排出，一定以碳缺陷的形式存在。

　　為有效減少和消除碳缺陷、降低增碳，必須選擇分解氣化好、 二氧化碳產生量高、固態殘留少的珠粒制備白模。

　　2、EPS 與共聚料的區別

　　1)EPS，可發性聚苯乙烯，含碳 92%。

　　每 1 個乙烯分子結合 1 個苯分子，即苯環，形成 1 個苯乙烯分子。

　　苯環異常穩定，不易加成，不易氧化，不易分解。EPS 苯環占比高，氣化不好，固態殘留物多，會形成非常多的碳缺陷，并大量增碳(可超過 0.2%)。

　　如果聚合過程中添加穩定或阻燃的組分，氣化效果更差，固態殘留更多。

　　2)共聚料是苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的共聚物，含碳 62%。

　　甲基丙烯酸甲酯沒有結合苯環，屬易分解的分子鏈結構。苯乙烯和甲酯聚合后，聚合分子鏈苯環占比降低，甲基丙烯酸甲酯的分解又能催化苯環的分解。所以共聚料分解更充分，氣化好，固態殘留少。

　　共聚反應是復雜的化學反應過程，苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯按最佳比例參與共聚，珠粒分解產生的二氧化碳方可接近或達到峰值，促 進碳最大程度地以氣體的形式排出，游離碳和碳化物的殘留才能降到最低。

　　所以，共聚組分中甲基丙烯酸甲酯的量并非越高越好。甲酯過量提高，只能單向增加分解發氣量。單組分甲基丙烯酸甲酯的聚合物含碳量更低，發氣量更大，但 CO2產生量并非最高，相同工藝狀態下，排碳效果不是最佳。

　　共聚料(STMMA)是鑄造專用珠粒，不添加任何阻燃劑和穩定劑。根據化學反應原理，苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯按最佳比例參與聚合反應，珠粒分解氣化充分，CO2產生量接近峰值，保證碳大量排出，固態殘留物最少量產生，從而有效降低增碳，減少碳缺陷，實現最大程度的“節源”。

　　共聚料(STMMA)覆蓋了 70%以上的美國市場，國內批量應用前，已得到國外消失模鑄造領域的充分論證和認可。

　　工藝合理狀態下，共聚料形成的增碳可控制在 0.03%以下。

　　3、制備合格的白模，

　　1)滿足使用強度及白模成型需要的前提下，降低預發自然堆積密度，降低白模重量。

　　2)內外充分熔合，含水量足夠低。

　　3)重視白模室溫熟化。

　　(三)、依據鑄造性能及凝固特征合理設計鑄造工藝

　　1、相變特征

　　研究金屬的鑄造性能和凝固規律，必須對其相變過程有一定深度的了解。尤其是碳鋼產品，鑄態使用較少。

　　附圖 7，Fe-C(Fe3C)合金雙重相圖

　　1)理想狀態下：

　　亞共析鋼，共析轉變前，C 在奧氏體中的固溶度始終處于不飽和狀態，所以不會有 C(石墨)或 Fe3C 析出。

　　共析鋼，降低至共析溫度時，C 在奧氏體中的固溶度才能達到飽和狀態，共析轉變前不會有 C(石墨)或 Fe3C 析出。

　　所以，理論上，亞共析鋼和共析鋼，共析轉變前只是 Fe 的同素異構體之間的相互轉變，無穩定系結晶和亞穩定系結晶方式的區別。

　　冷卻速度對組織的影響只局限于晶粒尺寸，即冷卻速度越快，晶粒越細化，冷卻速度越慢，晶粒越粗大。

　　理想狀態下，亞共析鋼和共析鋼改變冷卻速度，對硬度和加工性能幾乎沒有影響。可采用正火的熱處理方式細化組織。

　　但是，隨著反石墨化元素含量及冷卻速度提高，共析點將相應左移。左移至共析點碳值小于實際含碳量，就會析出 Fe3C 組織。且隨著共析點碳值與實際含碳量的差值增加，析出 Fe3C 的時間相應延長，析出量相應增加。

　　2)過共析鋼，共析轉變前，根據含碳量不同，隨著溫度降低至 1148℃以下的相應溫度，含碳量超過其在奧氏體中的飽和固溶度，過飽和的 C 便會持續以 C(石墨)或 Fe3C 形式析出，直至共析轉變。

　　按穩定系的結晶方式，析出一定量石墨將降低基體的疲勞強度和延伸率。按亞穩定系結晶方式，析出一定量 Fe3C，提高基體硬度，提高耐磨性能，但降低了延伸率和沖擊韌性，組織脆性增加。

　　3)含碳量超過 0.0218%，無論共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼，都有共析轉變過程。

　　按穩定系結晶，C 趨向于以石墨形式析出，基體疲勞強度和沖擊韌性降低。所以，一般碳素結構鋼，限制硅的含量。

　　按亞穩定系結晶方式，C 趨向于以 Fe3C 形式析出，促進產生珠光體組織，提高基體疲勞強度和沖擊韌性。所以，一般碳素結構鋼，錳含量比較高。

　　一般狀態下，抑制碳的石墨化，是碳鋼共析轉變的基本需要。

　　附圖 8，鑄鋼組織結晶示意圖

　　2、低碳鋼的鑄造性能及凝固特點：

　　1)澆注溫度高(超過 1600℃)，有利于白模的氣化分解。

　　2)初晶溫度高(1500℃左右)，含碳量越低，初晶溫度越高。

　　3)隨著含碳量降低，凝固結束溫度提高，凝固速度加快。

　　4)鑄態組織粗大，一般通過正火處理細化晶粒。

　　5)為減少氧化，降低收縮趨勢，避免鑄態晶粒過度粗大，澆注過熱溫度較低(一般 100℃～150℃)，凝固較快，流動性較差。

　　6)、高溫低碳易氧化，且鋼液中的氣體和非金屬夾雜物上浮困難，極易形成內在缺陷。

　　7)、凝固收縮量較大。一般超過 2.1%，合金鋼可超過 2.5%，易變形及產生裂紋。

　　8)、順序凝固狀態下，實現自身補縮較困難，產生縮松或縮孔的熱節尺寸較小，需要更多的補縮冒口，且尺寸較大。

　　3、澆注系統的設計，應以促進形成正凝固溫度場為主。

　　有利于上液面保持高溫狀態，促進形成自下而上順序凝固，最大程度實現自上而下的補縮。

　　液面高溫，有利于白模的充分氣化分解。

　　結合鑄件高度及結構確定澆注系統的模式。

　　(四)、應重視的其它因素，

　　1、涂層性能

　　涂層是消失模鑄造至關重要的環節。良好的透氣性、足夠高的耐熱性能、足夠高的常溫強度和高溫強度，是必須同時具備的基本性能。

　　1)涂料性能，耐熱性能主要取決于骨料的耐火度。

　　常溫強度和高溫強度主要通過粘結劑組分得到。

　　影響透氣性能的主要組分是粘結劑的透氣性能，然后是骨料的粒度結構。(通過骨料粒度結構提高透氣性的空間不大)

　　2)操作和控制過程的影響粘結劑性能和骨料粒度結構優良，達到合理的濃度，形成良好的懸浮性和流平性，有助于得到更均勻的涂層。

　　未充分烘干或吸潮的涂層，透氣性、常溫強度和高溫強度均嚴重降低。

　　涂層最后一次烘干一定要充分。裝箱前，室溫暴露時間越短越好。

　　3)涂層厚度的確定相同性能的涂料，涂層增厚，耐熱性能、常溫強度和高溫強度均相應提高，透氣性則相應降低。

　　根據涂料及骨料的耐火度、透氣性能、強度指標，結合澆注溫度和鑄件結構，在滿足強度需要，尤其是高溫強度需要，保證不粘砂的前提下，涂層厚度宜薄不宜厚，以實現其透氣性最佳。

　　復雜結構鑄件，盲區或半盲區位置，盲孔、通孔或凹陷等過量受熱位置，局部厚壁處，可對相應區域預涂刷，局部涂層增厚。

　　涂層透氣性不足，將造成澆注液流不順暢，甚至形成反噴，提高增碳的趨勢，促進碳缺陷的大量產生。

　　涂層強度不足，易大量產生砂眼缺陷，高溫強度影響更大。

　　附圖 9：涂層高溫強度不足形成的表面皺皮

　　2、裝箱和澆口杯的聯接，

　　1)無需要人工輔助塞砂的半盲區結構，建議一次加砂震實。

　　2)澆口杯和直澆道的聯接，以無縫隙、型砂更遠離液態金屬為原則。

　　3)裝箱時保證黃模組涂層全干燥狀態，不建議箱內組裝。

　　3、脫氧，

　　因熔煉和澆注溫度較高，鋼液在熔煉和澆注過程中必然大量吸氧。碳含量低，更多的 O 和 Fe 結合，基體組織氧化較嚴重。如不充分脫氧，必然產生大量的氧化夾渣。

　　附圖 10，未充分脫氧導致組織嚴重氧化

　　Al 和 O、N 有較強的親和力，鋼的熔煉過程一般以純鋁脫氧定氮。

　　鋁對碳鋼組織和性能的影響，

　　1)鋁有細化奧氏體晶粒的作用，并提高晶粒粗化的溫度，從而顯著提高組織的沖擊韌性和疲勞強度;降低韌脆轉變溫度，改善低溫韌性;降低時效傾向性。

　　當殘余鋁含量超過一定值，又能促進奧氏體晶粒長大粗化。鋼種不同，此數值有較大差別。碳鋼細化晶粒的最高殘余鋁含量為 0.05%。

　　2)、鋁是較強烈促進石墨化的元素，作用僅次于硅。鐵素體鋼及珠光體鋼，如鋁使用量過多，將較強地促進組織的石墨化傾向，降低高溫強度和韌性。

　　3)強烈縮小奧氏體相區。

　　4)(較高含量)提高組織耐腐蝕性、抗氧化性、耐磨性(和其它元素配合使用)

　　5)影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。

　　6)高溫狀態下，鋁極易吸氫，脫氧鋁過量使用，易形成大量的針孔。(超過 0.06%)

　　綜合鋁對組織及性能的影響，兼顧成本，以脫氧為主要目的的鋁的使用量，在保證脫氧效果的前提下，宜低不宜高。一般 0.1～0.15%。

　　4、熔渣，造渣是煉鋼的重要環節。

　　入爐原材料必然帶入部分鐵的氧化物和其它雜質，同時，由于澆注溫度較高，整個熔煉過程伴隨著大量氧化、過度腐蝕爐襯，鋼液中不斷產生大量的液態熔渣。

　　出爐前必須充分造渣，使上浮的熔渣顆粒固化聚集，和液態金屬分離。

　　澆注過程中，高溫鋼液持續腐蝕包襯。直至澆注結束，仍有部分熔渣不斷上浮。

　　消失模鑄造很難實現封閉模式的澆注過程，更難以通過封閉式澆注系統避渣。所以，澆注過程必須有效檔渣，或使用“茶壺包”。

　　高溫出爐，低溫澆注，就是為了通過靜置過程，讓熔渣有充足的時間上浮至液面。但是，為節約電耗，提高效率，一般企業較難實現。 (高端產品，靜置過程很有必要)

　　5、烤包

　　低碳鋼初晶溫度高，澆注過熱溫度一般較低，流動性差，凝固較快。如包襯溫度較低，與其接觸部分鋼液極易快速降至接近初晶溫度，隨著液面下降，凝固于包襯表面，形成“掛包”。

　　提高出爐溫度可以促進包襯吸收更多的熱量，相應提高包襯表面溫度。但超出澆注溫度的單向提高，易導致其它方面的問題，且包襯溫度的均勻提高短時間內是很難實現的。

　　鋼液入包后，靜置狀態下，冷包將促進鋼液溫度更不均勻，始澆溫度和末澆溫差相應加大，增加澆注溫度不穩定性，降低澆注質量。

　　新修或室溫狀態下的包襯，不同程度含水，水分將被入包鋼液部分吸收，加劇鋼液氧化，增加氣孔傾向。

　　烤包非常重要。

　　五、正確的工藝理念非常重要

　　能否建立系統的、平衡的工藝體系，取決于是否具備正確的工藝理念，這非常重要。

　　正確的理念，才能確定正確的方向。工藝方向正確的前提下，才能充分結合現場資源，綜合制定和實施有效的工藝措施，形成適合本企業的工藝體系。

　　整體工藝流程就有了“靈魂”。(清楚為什么這樣做)

　　一味地借鑒別人的經驗，將思維限制在模仿更多方法的空間內，將難以系統形成自己的核心技術，更無法保證產品質量持續提高。

　　六、 成功案例

　　(一)、山東蓬萊萬壽機械有限公司，重卡車橋及零部件產品。

　　2019 年下半年開始規劃鑄鋼項目。

　　重卡車橋系列支架、連接板等，安保產品。

　　25 鋼，需要焊接在沖壓橋殼上，碳含量控制嚴格。

　　光譜分析，表面 2mm 增碳低于 0.03%，2mm 以內無增碳。

　　2020 年月產量達 700～800 噸。2021 年月產量超過 1000 噸。

　　共聚料 2#、3#規格，月用量 4 噸左右，鑄造質量一直比較穩定。

　　附圖 11：重卡車橋焊接低碳鋼鑄件的白模及黃模組

　　附圖 12：重卡車橋焊接低碳鋼鑄件

　　從低碳鋼鑄造的困境中成功突圍，需要具備系統、科學的理念：

　　1、工藝理念明確

　　2010 年就突出鑄造專用珠粒的理念，全部球墨鑄鐵和灰鑄鐵產品均選用共聚料生產。灰鑄鐵綜合成品率超過 98.5%，球墨鑄鐵綜合成品率超過 97%。并取得了相當理想的經濟效益。

　　根據碳鋼的鑄造特點，在原工藝體系基礎上，針對性系統制定和落實具體的工藝措施，直接澆注，僅兩個月就形成批量生產。

　　2、過程控制嚴謹

　　3、突出骨干員工的作用，工藝執行過程嚴格考核，產量、成品率和每個員工的收入保持制度性的聯系，保證工藝執行力。

　　無焊補狀態的綜合成品率達到 99%，很多人會持懷疑態度，但數據來自企業的管理系統，是真實的，且較穩定。

　　(二)貴州凱里市，富安鴻達精密鑄造有限公司

　　鑄鋼產品涉及重卡、鐵路機車、軍工、智能設備等領域。

　　共聚料，先燒后澆。

　　大量碳渣、砂眼缺陷，產品外觀極差，內在鑄造缺陷造成的廢品很高。

　　投產 6 年，綜合成品率一直較低。

　　附圖 13，先燒后澆工藝白模組

　　附圖 14，先燒后澆工藝

　　附圖 15，共聚料先燒后澆產生的表面碳缺陷

　　附圖 16，EPS 板材手工件，表面大量碳皺皮

　　附圖 17，排氣不暢導致的整組澆注不足

　　2021 年 5 月，與浙江凱斯特新材料股份有限公司簽署合作協議，凱斯特公司提供全方位的技術支持，建設新的工藝體系。

　　至 8 月底，先燒后澆全部改變為直接澆注。

　　附圖 18，重卡汽車零部件 35 鋼

　　附圖 19，重卡汽車零部件 45 鋼

　　附圖 20，鐵路機車零部件 B 級鋼，含碳量相當于 15 鋼

　　附圖 21：鐵路機車零部件 B 級鋼，含碳量相當于 15 鋼

　　附圖 22：低合金鋼履帶板 含碳量相當于 35 鋼

　　歷時 4 個月，顛覆性改造了原有的工藝體系，實現了從先燒后澆至直接澆注的全面轉變。

　　工藝改造過程未增加任何投資。

　　節約了燒白模的成本，工藝出品率提高 10%以上。

　　產品質量發生了質的變化：

　　外觀碳缺陷很少出現，更無集中發生，外觀質量跨越性提高;

　　加工面極少發現碳缺陷;

　　內部無增碳，加工面基本無色差;

　　表面增碳低于 0.03%，甚至很難檢測;

　　綜合成品率超過 95%。

　　工藝改造完成后，通過不斷提高管理和過程控制水平，進一步優化工藝，產品質量必將繼續提高。

　　附圖 23：較大表面鑄件的外觀(B 級鋼)

　　2020 年下半年，浙江凱斯特新材料有限公司開始策劃和推廣消失模鑄鋼技術。通過為客戶提供白區、黑區及項目策劃等更全面的技術服務，促進共聚料在鑄鋼領域的應用，進而推動消失模鑄鋼直接澆注技術。