消失模铸钢件表面增加碳的机理及防止

用消失模铸造生产铸钢件，铸件表面增碳一直是人们争论的话题。究竟消失模铸造是否适合于生产铸钢件，特别是低碳钢铸件我们进行了大量的实验。 

（一）增碳的现象及机理 

铸钢表面增碳的形式表现在几个方面：表面增碳、体积增碳、局部增碳和表面脱碳。 

表面增碳：在钢液充型过程中，钢液前沿与固态模样之间的气隙内有大量的氢存在。说明有固相碳生成。气体产物可在负压作用下渗入涂层而排出铸型。但固相碳被吸附于涂层壁铸件的表面，造成铸件表面增碳。另外，苯乙烯、苯蒸汽在负压作用下排出时，冷凝在涂层及周围的砂子中。 

体积增碳：在浇注过程中，钢液前沿和模样之间的动态间隙内存在很大的热量梯度，间隙内的热量从钢液前沿转移到模样分解主要靠热辐射完成。靠近钢液前沿出温度最高，接近钢液温度，该处碳的生成量大，所以充型过程该处钢液液面增碳所需动力学热力学条件都很充分，此时容易形成铸件体积增碳。 

局部增碳：当钢液引入铸型的方法不当时，浇注过程中液态产物被卷入钢液内部，进而分解为固相碳和气体，气体若未能溢出钢液留在内部即导致气孔产生；固相碳直接为钢液所吸收，从而造成铸件局部含碳量提高，形成铸件局部增碳。 

表面脱碳：消失模铸造采用干砂造型，铸件冷速较慢，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。表面脱碳在较高温度下即行终止，而脱碳主要是在铸件冷却过程中形成。

（二）减少增碳的措施 

消失模铸钢件表面增碳的影响因素包括钢液的成份、铸件壁厚、铸件的冷却速度、涂料层的厚度及透气性、负压度、模样材料、模样密度、浇冒口工艺、排气方法、浇注位置、浇注温度、浇注速度等。 

1.原始钢液与模样碳浓度的平衡 

铸钢件表面碳浓度的分布，主要取决于模样分解产物中碳与钢液中碳的浓度梯度，随着钢液中原始碳量的提高，二者的浓度差缩小，可有效地抑制铸钢件表面增碳。钢液中合金元素对铸钢件表面增碳有很大的影响，如 Cr 可增加铸钢表面的增碳，但可以减少碳层的深度。 

2.选用低密度或低含碳模样材料 

模样材料的变化可显著降低模样分解产物中碳的浓度，从而减少铸件表面的增碳。模样的密度越低，不仅发气量减小，而且生成的固相碳也相应减少，所以可使模样分解产物中碳的浓度降低。低密度的模样易于气化，残存液相少，所以对钢液的冷却作用小，有利于降低铸钢局部增碳。浇铸时宜产生反喷、呛火、气孔等缺陷，可作为铸钢件的首先模样材料。 

在模样材料中增加脱碳剂，如硼酸、硼砂等，防止其燃烧；也可加入苛性碱、磷酸氢氨盐类，提高模样发火温度，推迟延缓燃烧，缩短金属液与模样热解产物的作用时间。 

3.使用高透气性涂料 

在铸钢件消失模铸造生产中，涂料是影响铸钢件表面增碳的又一个重要因素。涂料层的透气性好，可减少增碳量。骨料圆整、力度较粗且集中分布，多空结构的涂料有利于提高涂层的透气性。另外减少涂层的厚度，也可显著增强涂层的透气性。有经验表明，涂料层厚度对增碳的影响程度大于涂料材料的组成。在涂料层透气性较低的情况下，已经形成的碳排除困难，间隙中气压增大，提高了模样材料的气化温度，从而形成的固相碳相应增多，致使铸件表面增碳的倾向增大。在涂料中增加氧化性材料，可改变浇铸过程中的还原性气氛，有效地抑制住件表面增碳。

4.合理的浇铸工艺 

浇铸工艺对铸钢件表面增碳的影响比较复杂，关键是内浇道位置的选择、设置必要的排气通道和集渣冒口。采用底浇时，铸件上部的增碳量较大；采用侧铸或顶铸时，铸件顶部增碳的规律性较差，铸件下部易出现局部增碳现象。设置必要的排气通道、集渣冒口后；可引导热解产物的顺利排出，利于减轻增碳缺陷。对于壁厚不均匀的铸件，内浇道开设在薄壁处有利于减轻增碳缺陷。采用较高的浇铸温度和适当的浇铸速度，可有利于钢液的顺利充填和热解产物的顺利排出。

5.合适的型壁负压度 

适当提高负压度，有利于降低铸件表面的增碳程度。负压可降低间隙内生成的气体浓度，使模样热解产物中的固相碳数量减少；同时负压还有利于已生成的固相碳随着气体排出型外，进而减少铸件增碳。对于一般铸钢件，负压度可控制在0.03～0.05MPa。 另外，为了减少涂料层中热解碳进一步向高温铸件表面扩散，铸件应尽早进行落砂处理。