加铸造行业群，学习铸造知识，加微信：15893249819
1990年美国铸造学会消失模铸造委员会正式统一命名的消失模铸造（Expendable Pattern Casting，以下简称“EPC”）技术有着众多的工艺分支，其中，在工业上应用最为广泛的有2种：一种是通常所说的消失模铸造（Lost Foam Casting，以下简称“LFC”）技术；另一种则是笔者所要讨论的实型铸造（Full Mould Casting，以下简称“FMC”）技术。前者的特点是通过模具将塑料珠粒发泡成形来获得铸件模样，在干砂、负压条件下完成造型和浇注过程，主要应用在中小型铸件的成批、大量生产中；后者的特点是通过将泡沫板材进行机械加工来获得铸件模样，通常在自硬砂铸造条件（也有部分情况采用干砂、负压条件）下完成造型和浇注过程，主要应用在大、中型铸件毛坯的单件、小批量生产中。
某公司机床灰铸铁件采用FMC技术在树脂自硬砂造型条件下进行生产，碳缺陷是严重影响铸件质量的难题之一。研究该条件下碳缺陷形成的影响因素和防止措施对进一步提高机床灰铸铁件的质量有着重大的实际意义，同时对情况相似的企业也有一定的参考价值。
铸件结构及缺陷描述
某公司使用FMC技术主要生产机床类灰铸铁件，如机床床身、立柱、滑鞍等部件的毛坯，生产铸件的质量为500~5000kg，铸件主体壁厚20~30mm，最小壁厚不小于15mm，最大壁厚不大于100mm，最大轮廓尺寸一般不超过4m，所得铸件尺寸公差可控制在CT10级。产品选型主要考虑其变形可控性和填砂操作可行性，产品可选范围较广，铸件主要类型及结构如图所示。
使用FMC技术生产的机床灰铸铁件经机加工后，经常在铸件顶部及侧顶部出现大量的黑色夹渣物，同时局部表面处还存在明显的皱皮、积碳的外观缺陷，导致铸件组织致密性下降，严重影响了铸件的质量。据统计，2014年FMC技术生产的铸件综合废品率为15%~16%，夹渣单项废品率约为8%，占总废品的一半以上，亟待研究与解决。
夹渣缺陷原因分析
目前使用密度为18g/L的铸造用EPS材料大板进行消失模模样的加工制作，其主要成分为聚苯乙烯。浇注铸件时，聚苯乙烯热解产物的形成过程有2个阶段：先是聚苯乙烯主链中薄弱环节断裂，降解为苯乙烯单体、二聚物、三聚物及甲苯等产物；然后这些热解产物发生二次分解，生成苯、乙苯和其它小分子气体产物。EPS的最终热解产物主要取决于二次分解程度，二次分解程度越不充分，其所含苯乙烯单体、二聚物、三聚物越多，这些产物形成一种粘稠沥青状液体。液状分解物残留在涂层靠铸件一侧，其中一部分被涂层吸收，一部分在金属与涂层之间形成一层聚合物薄膜。这层薄膜最终形成与铁液润湿性极差的碳沉积层，导致铸件表面形成皱皮和积碳缺陷。EPS的热解反应程度主要与温度有关，一般随温度增加，其小分子气体产物体积增大，如图所示。
在消失模充型过程中，金属液前沿不断将泡沫模溶解、气化并逐渐取代其位置而成形。此过程消耗了金属液前沿的大量热量，使铁液温度随离开内浇道距离的增加而不断降低。在实际生产中，为了提高内浇道处压力头，以抵抗浇注初期模样气化压力，使充型和泡沫模气化过程更平稳，多采用底注式浇注系统（经前期验证，FMC使用顶注式浇注系统时，浇注初期铁液压力不足以抵抗模样气化压力，极易产生浇道反喷、呛火，危险性大，故只在出气较好的LFC工艺中使用顶注式浇注系统），内浇道位置一般多开设在铸件的底部或底侧部，故铸件的顶部及远离内浇道的位置温度降低明显，导致泡沫模二次热解反应程度下降，液体残留物增多。它们在充型过程中除易形成表面皱皮和积碳缺陷外，如果这些残留物被裹入铁液内部也会导致碳夹渣缺陷的产生。由于液态分解残留物与EPS本身的数量及其热解气化程度有关，故碳夹渣以及表面皱皮和积碳等缺陷受不同工艺参数（如浇注温度、浇注时间、涂层厚度、EPS密度）的影响明显。
工艺参数对夹渣缺陷的影响分析
为确定浇注温度、浇注时间、涂层厚度、EPS密度工艺参数对铸件夹渣缺陷的影响程度，进行了4因子2水平阶梯试块的正交分析试验。
试验过程
通过制作泡沫模阶梯试块进行试验，试块尺寸为300mm×300mm，阶梯厚度从20mm递增至80mm。通过单一变量的控制方法，调整每件试块的EPS密度、涂层厚度、浇注温度、浇注阻流截面等参数进行分组试验：制作4组阶梯试块模样（A、B、C、D），每组4件试块（2件低密度，2件高密度），对所有试块进行编号#1~#16；奇数号流涂2遍，涂层厚度控制在1±0.2mm，偶数号流涂4遍，涂层厚度控制在2±0.2mm；A、B组进行高温浇注（1430℃），C、D组进行低温浇注（1370℃）；A、C组使用φ60mm阻流截面（慢浇），B、D组使用φ80mm阻流截面（快浇），试验分组方法如表所示。
试验结果
16个试块浇注后，经过打箱清理，然后对其上表面进行5mm、10mm、15mm加工，记录试块夹渣缺陷出现的部位、频次及夹渣形态，计算夹渣面积百分比，辅助进行PT（渗透试验）检测，确认缺陷的深度。试块夹渣位置及出现频次如表所示。
试验结果显示：
（1）试块经过5mm加工后，肉眼观测16组试块顶面都存在不同程度的夹渣缺陷，缺陷位置多集中在40~80mm阶梯厚度区，20mm厚度区出现的频次较低，可以推断在不使用集渣措施状态下进行EPS材料的FMC铸造，无论高温还是低温、快浇还是慢浇、涂层薄与厚，都无法完全消除铸件顶部的夹渣缺陷。
（2）试块经过10mm加工后，使用1cm2方格纸片对夹渣缺陷进行遮盖（纸片彼此不重叠），最后将方格纸片覆盖面积除以试块总面积得出缺陷面积百分比，作为夹渣缺陷程度的判定依据。对缺陷程度从优到劣进行排序，编号排名前6位的是#3、#7、#2、#4、#5、#6，对应缺陷面积百分比为3.3%、4.7%、6.7%、7.3%、8.7%、10%，其余10组试块缺陷面积百分比为12%~28.7%。对应试验数据可判断，高温浇注可以明显降低夹渣程度，同时慢浇、薄涂层的试块夹渣程度较低。
（3）试块经过15mm加工后，肉眼观测高温浇注的所有试块（#1~#8试块）顶部夹渣缺陷均无外漏，#9~#10试块的缺陷面积百分比＜10%。将#1~#8试块进行PT检测，发现试块边缘局部区域存在3~10mm的夹渣缺陷层，中间区域无缺陷显色反应。故可以判断浇注温度超过1430℃时，80mm以下壁厚铸件顶部夹渣缺陷深度＜15mm，侧壁夹渣缺陷深度约为3~10mm。
（4）根据不同厚度部位夹渣缺陷出现频次统计分析，夹渣容易出现在60mm、80mm厚大断面处，说明FMC铸件的夹渣程度与对应壁厚有关，壁厚越厚，液态渣残余量越多，夹渣程度越高。
工艺及过程控制改进
（1）浇注系统设计：由于EPS的热解反应程度主要与温度有关，为了防止铁液在充型过程中温度下降过快，导致铸件的顶部及远离内浇道的位置残留碳化物过多而使铸件产生夹渣。将原有单点进流浇注系统改为多点进流浇注系统，同时在横浇道靠近直浇道部分设计阻流断面，阻流截面为直浇道截面的0.8~0.9倍，以起到集渣并保证直浇道快速充满的作用，改进前后的工艺对比如图所示。改进后的浇注系统直浇道、横浇道和内浇道的截面比为1：（1.3~1.5）：（3~5），直浇道应根据铸件大小确定：一般质量在500~1000kg的铸件，采用φ70mm直浇道；质量＞1000~2000kg的铸件，采用φ80mm直浇道；质量＞2000kg的铸件，采用φ100mm直浇道。横浇道及内浇道均设计为宽窄形，具体尺寸根据铸件大小确定。为了降低高度方向的温差，可增加铸件高度方向进流点，从靠近铸件厚大端面进流，对铸件各个位置供应热铁液，保证模样充分燃烧气化。
（2）加工余量与补贴设计：在进行FMC铸造时，重要加工面要尽量保证朝下或垂直于造型方向，同时要对顶部及顶侧部的加工面增加10~15mm的补贴，这些多余补贴可通过粗加工去除。
（3）顶面的集渣措施：模样顶部及厚大部位（末端）设计球形集渣冒口，收集第一股冷铁液和消失模未完全燃烧的产物，以减少夹渣产物在铸件中的遗留，球形集渣冒口的球径与冒口的模数相对应。根据铸件顶部空间位置，使用球径为60~100mm的球形集渣冒口。
过程控制改进
（1）浇注温度的改进：为了保证FMC铸件质量，必须进行高温浇注，同时配合使用抗粘砂和透气性较高的涂料，将灰铸铁件的浇注温度由原来1380±10℃调整为1440±10℃。
（2）模样掏空处理：由于FMC铸件夹渣程度与对应壁厚有关，壁厚越厚，液态渣残余量越多，夹渣程度越高，因而在FMC泡沫模型的制作过程中，对于壁厚厚大部位，可进行局部掏空处理，以减少泡沫模的数量。
结束语
经过以上工艺及过程控制的改进，目前FMC铸件的月产能为240~250t，综合废品率已下降至10%~11%，夹渣单项废品率低于4%，改进效果明显。
