消失模铸钢件夹渣缺陷的形成机理分析

1 消失模铸钢件夹渣缺陷的普遍性

消失模铸钢件生产难度很大，目前多为一些不加工或少加工的耐磨、耐热、耐蚀铸件，或一些其他薄壁铸件。而低碳钢铸件的不均匀增碳、厚大件的夹渣缺陷是造成铸钢件缺陷的主要原因。对于具有一定厚度的铸钢件，以及大部分低碳钢铸件，增碳、夹渣或气孔缺陷所占比例高达60%以上，致使消失模低碳钢和厚大铸钢件成为消失模铸造工艺的难题，甚至认为消失模铸造工艺不适合铸钢件。

1.1 消失模铸钢件缺陷的形态

消失模铸钢件缺陷多为夹渣、气孔和增碳。缺陷的形态无一定规则，缺陷边缘无规则，缺陷密度分散性很大，表现在金相图上的颜色深浅程度不一。缺陷的积聚形态多为团簇状，边界模糊，颜色深浅分散，很难通过加工去除。

1.2 消失模铸钢件缺陷所占比例

消失模铸钢件缺陷所占比例很高。包括不加工、少加工的耐磨、耐热、耐蚀铸件，或其他薄壁及厚壁铸钢件。对于薄壁铸钢件，缺陷多为存在于浇口或冒口根部位的气孔、渣孔类缺陷；对于厚壁铸钢件，缺陷多为皮下夹渣类缺陷；对于低碳钢铸件，缺陷多为表层不均匀增碳缺陷。

1.3 消失模铸钢件缺陷易出现的部位

消失模铸钢件极易出现缺陷的部位，铸件壁厚和含碳量不同有一定的规律。对于薄壁的三耐铸件，主要出现在铸件与浇口或冒口连接的部位。与铸件连接的部位在浇注充型过程中，过流时间较长，保持高温的时间也较长，钢水使铸型材料过热，部分熔融铸型材料、钢水中吸收较多气体、夹渣通过受阻而积聚、钢水降温及凝固收缩，冷却凝固后易造成这些部位形成气孔、渣孔、缩孔的混合缺陷。

2 消失模铸钢充型的特殊性

铸件缺陷都是在铸造充型凝固过程的瞬间形成的，一般中小铸件的充型时间很短，大型铸件充型时间也较短。不同于普通的空腔铸造，消失模铸件充型的特殊性是造成消失模铸钢件夹渣缺陷形成的主要原因。

 2.1消失模铸钢件的充型形态

关于消失模铸造金属液充型过程，多数研究都基于铝合金消失模铸造充型过程，同时多数为无负压作用下充型。在这样的条件下，金属液充型的形态是，从内浇道进入铸件“型腔”后，金属液前沿呈扇形形态向前推进，在重力作用下，金属液充型前沿发生向下的变形，但总体趋势都是向着远离内浇道的方向推进，直至“型腔”被充满。金属液与模样接触的边界形态，与金属液温度、模样材料性质和充型速度有关，金属液温度高、模样密度小、充型速度快，则金属液整体推进速度就快。随合金类型、浇注温度、直浇道面积、浇注速度、模样密度、涂料高温透气性及负压大小不同而变化。对于铝合金无负压浇注的条件下，液态金属与模样界面的形态，根据不同情况分为4种模型：接触模式、间隙模式、溃散模式和卷入模式。

2.2 液态金属充型的湍流形态及附壁效应

在消失模铸钢、铸铁件生产过程中，我国企业均在浇注过程中对干砂铸型施加负压，以紧固干砂砂型，使铸型具有足够的强度和刚度，以抵御液态金属的冲击和浮力，保证铸型在浇注及凝固整个过程中完整有效，以获得结构完整的铸件。负压使得消失模铸造黑色合金铸件，在不增加砂箱高度的情况下，干砂铸型具有足够的强度和刚度，使铸造过程得以进行，在消失模铸造工艺发展中，发挥了关键性的作用。

3 钢水中夹渣来源及热力学和动力学分析

钢水中夹渣及气体的来源有几个方面，包括模样气化的热解产物残渣及气体、钢水熔炼过程中产生的渣滓及气体，以及钢水被氧化形成的氧化物渣滓，还有高温钢水对某些气体的溶解等。这些渣滓及气体由于密度较小，在充型过程和未凝固前液态降温过程中将缓慢向上浮动，同时在负压作用下向着横向压力较低处浮动。

4 减少消失模铸钢件夹渣的途径和建议

4.1直接减少钢水中原始夹杂物

减少浇注前钢水中的夹杂物是减少消失模铸钢件产生夹渣缺陷的主要途径之一。钢水的净化有多种方法，可以使用聚渣材料，依靠净化剂对夹杂物的吸附作用，将较小颗粒的夹杂物吸附在加入的净化剂大颗粒上，形成体积较大的夹杂物颗粒，有利于上浮的动力学条件得到改善。

4.2 通过工艺措施减少钢水中夹杂物，加强夹杂物排出

(1) 合理设计浇冒口系统。尽量少用一箱多铸，尽量减少钢水在浇注系统中存在的时间，即减少或取消横浇道；一箱多铸必然使浇注系统过长，钢水通过浇注系统充型时，在浇注系统的多弯道、多变截面的通道中极易产生湍流和飞溅，降低钢水温度，导致钢水氧化，冲刷浇道侧壁，增大钢水中的原始夹杂物。

(2) 减少模样粘接缝。过多的模样粘接缝隙，极易造成缝隙中用胶量变化过大，导致粘接缝处胶外凸或内凹。外凸的粘接胶由于密度较大，气化后产生的气体和残留的渣滓较多，造成总渣量增多; 内凹的粘接胶形成缝隙，在涂敷涂料时，渗透性极强的涂料极易进入内凹缝隙。

(3) 适当降低负压。负压是造成钢水充型加重湍流的重要原因。湍流的加剧导致钢水对浇注系统和“型腔”壁冲刷，钢水加剧飞溅，形成流动漩涡，极易卷入夹杂物和气体。适当的做法是，在满足干砂铸型适当强度和刚度、保证浇注充型过程中铸型不塌箱的前提下，负压度越低越好。