用消失模做球墨铸铁件常见缺陷及预防措施
本文主要介绍球墨铸铁件皱皮、碳黑及缩孔、缩松等缺陷的产生原因和防止措施，以期对实际生产有所帮助。
一、表面皱皮缺陷的形成与防止
皱皮缺陷常出现在金属液最后流到的部位或液流的“冷端”，一般出现在铸件顶部、垂直侧壁或死角部位。这类缺陷表面常覆盖有轻质发亮的碳薄片，以及在缺陷的凹陷处充满有烟黑碳。其形式按外观区分主要有波纹状、树枝状、滴溜状和夹渣状4种皱皮缺陷。如图1所示为皱皮缺陷。
1.形成机理
皱皮缺陷主要是因为模样材料在高温下裂解时，并在有氧的条件下，模样剧烈燃烧析出大量的游离碳，由于金属液与游离碳的密度相差悬殊，使游离碳在高温下上浮到金属液表面或被积聚于某个死角部位，在凝固过程中未能及时排出而造成的。
2.影响因素
(1)泡沫塑料模样模料FPS(可发性的聚苯乙烯)比EPMMA(可发性的聚甲基丙烯酸甲脂)， STMMA(苯乙烯-甲基丙烯酸甲脂共聚树脂)更容易形成皱皮，因为FPS含碳量比后两者高。FPS含碳92 % ， STMMA含碳69.6%，EPMMA含碳60.0%；另外，模样密度越大，分解后液相产物越多，也越容易产生皱皮。
(2)铸件化学成分的影响含碳低的铸铁件，模样分解产物中的碳可以部分溶解其中，不易产生皱皮；含碳高的铸铁件(球墨铸铁)最易形成皱皮缺陷。这是因为在球墨铸铁的浇注温度下，泡沫模样气化产生大量含碳气体，约有占模样重量50%左右的裂解碳析出，加之球墨铸铁自身碳当量和含碳量较高，这些碳分就排出在铸件表面或铁液流前沿，从而形成皱皮。
(3)浇注系统的影响浇冒口系统对铁液充型流动场及温度场有着重大影响，直接决定着模料的热解产物及其流向。加大直、横、内浇道截面积后，易产生皱皮(模料量增多)。顶注要比底注出现皱皮的机率小，因此设置顶部冒口有利于减少皱皮。
(4)铸件结构的影响铸件的体积与表面积之比即模数越小，越有利于模样热解产物排出，皱皮缺陷产生的倾向也越小。
(5)浇注温度的影响浇注温度不仅影响模样材料热解产物的类型，而且影响金属液的充型速度。当浇注温度低于某一临界温度时，模样材料液态热解产物占优势，充型速度随浇注温度的提高而增大；当浇注温度高于某一临界温度时，热解产物主要为气态产物，充型速度随浇注温度的提高而降低。
(6)涂料层及型砂透气性的影响型砂透气性越高，越有利于模样热解产物的排出，减少形成皱皮倾向。涂层越薄，以及涂料骨料和型砂粒度越粗，越有利于排气，减少皱皮缺陷。
(7)负压度的影响提高铸铁的浇注真空度，有利于排烟、排气，从而改善了泡沫塑料的气化条件，并有利于金属液迅速充满铸型，促使残留物和气体逸出。但过高的真空度易产生粘砂缺陷。
(8)工艺配合的影响视铸件大小，应适当控制浇注速度，同时配合真空度。如果配合不当，当浇注速度加大时，流股变粗，没有相应提高真空度，常会出现皱皮缺陷。
3.防止措施
在整个浇注过程中，力求避免泡沫塑料的熔融与燃烧，以防止泡沫塑料高温分解产物的形成，希望它从接触高温金属发生体积收缩开始，立即像升华一样，直接转变为气体而溢出铸型外，这是消除铸铁件皱皮的有效途径。
(1)选择适宜的铸造用泡沫塑料针对球墨铸铁件含碳量高，易产生皱皮这一特点，选用低密度的铸造专用泡沫塑料模样材料，如EPMMA共聚材料。
(2)提高浇注温度和浇注速度提高浇注温度，可以减轻皱皮缺陷。由于球化处理过程中要降温50-100℃，因此为了保证浇注温度，铁液必须有较普通灰铸铁高得多的出铁温度，至少应达1400-1420℃以上，国外生产企业的出铁温度甚至高达1500 ℃。
加快浇注速度(以保证金属液流动平稳为原则)，可弥补泡沫塑料燃烧、气化在铸型内流动的热损失，并具有足够的热能以保证泡沫塑料的气化，从而改善泡沫塑料的气化条件，有利于金属液迅速充满铸型，促使残留物和气体溢出。
(3)增加抽气量和铸型真空度实践证明，随铸型负压度的提高，有利于皱皮缺陷的减少或消除。因为负压度越高，充型速度越快，浇注时间变短，致使低粘度的液相产物来不及转变为高粘度液相分解产物，光亮碳出现减少；负压度越高，模样热解产物通过涂料层向型砂中吸排，有利于减少皱皮缺陷。推荐真空度控制为-0.06~-0.09Mpa。
(4)选择适宜的浇注系统根据泡沫塑料模样在型内气化的特点，消失模铸件的浇注方式可选用底注、阶梯浇注、顶注和雨淋式。但必须注意，应保证金属液流平稳、迅速地充满铸型。
(5)提高铸型的透气性铸型具有良好的透气性是确保获得优质真空消失模铸件的重要条件。实践证明，提高铸型透气性的主要途径是选用粗砂，提高浇注时的抽气量和真空度，以及选用合理的涂料和涂层厚度。
(6)其他使用易气化的EPS模样粘结剂。涂料中加入少量冰晶石(Na3AlF6)，使其在高温下形成活性高的NaF， AlF3等，这些高活性物质可对模样热分解出的碳产生吸附作用，使之不沉淀在铸件表面，从而消除皱皮缺陷。另外，涂料中加入一定量高锰酸钾，可减少球墨铸铁件的皱皮缺陷，保证铸件的外观品质。
二、碳黑的形成和防止
1.形成机理其机理
聚苯乙烯泡沫塑料在高温金属液的热作用下首先熔为液态聚苯乙烯，再由液态聚苯乙烯裂解为液态聚合物，其主要成分为苯乙烯、苯等，并在进一步热作用下裂解为小分子气态化合物。在浇注过程中，这些产物都要通过涂层逸出型腔。液态产物首先对涂层进行润湿，铺展在涂层表面上，然后对涂层的毛细孔隙产生渗透，在真空负压及金属液静压力作用下，渗透作用加强。由于金属液充型速度很快，液态热解产物来不及充分裂解气化，在高温和缺氧的状态下生成固态碳黑。研究认为，铸铁成分中碳含量高是碳黑产生的直接原因，而液态聚苯乙烯对涂层的润湿性是碳黑形成的主要原因。图2为有碳黑缺陷的磨球铸件。
2.影响因素及相应防止措施
(1)涂料中耐火填料对碳黑形成的影响耐火填料的种类、粒形、颗粒大小及分布都会影响液态聚苯乙烯对涂层的润湿性。液态聚苯乙烯对铝矾土涂料的润湿性要好于对硅石粉、滑石粉涂料的润湿性，这主要是由耐火填料的结构特性和表面物理特性所决定。铝钒土颗粒较圆整，堆积孔隙较大，且有多孔性的结构特点，外露的微孔可实现对液体的毛细虹吸作用，增强了液体对它的润湿性；而硅石粉颗粒为多角形，颗粒堆积相互穿插，使其孔隙变小，从而对液态产物的毛细虹吸作用降低。
(2)粘结剂对碳黑形成的影响涂层中有机粘结剂在高温金属液的热作用下，几乎同时与聚苯乙烯泡沫塑料一起熔化。若有机粘结剂与液态聚苯乙烯有亲合作用，则有利于液态聚苯乙烯对涂层的润湿与渗透。同时，有机粘结剂在高温金属液的作用下气化，使耐火填料间的孔隙增大，提高了液态产物的渗透能力，可使液态聚苯乙烯快速逸出涂层，铸件表面产生碳黑则少。
(3)涂层的高温透气性对碳黑形成的影响实践证明，涂层的高温透气性对碳黑的形成有重要影响，涂层的透气性高，则颗粒间的孔隙大，有利于液态聚苯乙烯及其裂解产物快速逸出，铸件表面产生的碳黑则少。
(4)泡沫塑料模样材料对碳黑形成的影响有关文献指出，不同模样材料其热解机制不同，产生的热解产物也不同。从模样材料的组成来看，EPMMA分子中碳、氢原子数之比为5：8，重量比为60：8；而EPS的碳、氢原子数之比为8：8，重量比为92：8。因而可知EPMMA碳含量少，裂解得到的碳质残留物仅为EPS的5/8。因此，使用EPMMA材料产生的碳黑较少，可减少球墨铸铁件碳黑的形成。
三、缩孔和缩松的防止
1.影响因素
提高碳当量，有利于石墨化，当铸型的刚度足够时，增大石墨化膨胀可减少缩孔和缩松。此外碳当量还可以提高球墨铸铁的流动性，有利于补缩。因此阻止石墨化的合金元素都会增大缩孔、缩松倾向。
2.防止措施
由于在实际生产中单纯的提高球墨铸铁的碳当量并不适用，所以我们提出以下防止措施：
(1)球墨铸铁件可采用无冒口设计由于球墨铸铁件在共晶转变过程中会析出石墨，而石墨的比容比铁大，因此会引起体积膨胀。负压干砂消失模铸造造型的刚度大(超过粘土砂和树脂砂型)，石墨化膨胀可转化为内压形成自补缩，解决凝固末期的二次收缩，避免内部缩松、缩孔缺陷。
因此，只要正确选择浇注温度和设计内浇道，可以对球墨铸铁件实行无冒口补缩。推荐的浇注温度如下：薄小件为1420~1450℃；中等壁厚件为1400 ~1420℃；厚大件应<1380 ℃。球化处理温度控制>1500 ℃，铁液从铸件细薄处进入铸型，内浇道采用薄壁梯形截面，使浇注完毕后尽早凝固并封闭通道，保证铸件内部具有足够的内压，实现自补缩。
(2)在条件不具备时，要合理地设计冒口和冷铁。
四、结语
综上所述，影响消失模球墨铸铁件缺陷的因素是多方面的，决不是单独改变一种泡沫塑料或是几种铸造工艺就能奏效的，而应围绕如何有利和加速泡沫塑料模样的气化和产物排出这一中心问题，全面考虑各方面的影响因素，才能制定出最佳的工艺方案；同时采用无冒口设计消除缩孔和缩松缺陷，从而保证获得优质的消失模球墨铸铁件。
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