（材料加工工程专业论文）消失模铸造灰铸铁石墨组织特征及其影响因素的研究.pdf

合肥工业大学 i i iiii ii iii iii i i i iiil y 18 8 6 9 8 3 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名 抓研，侈阂 导师： 蜘 毵穷 f 别乏 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权金胆工些太酆 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：调春秀 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 导师签名： 移卅弓 消失模铸造灰铸铁石墨组织特征及其影响因素的研究 摘要 消失模铸造被称为代表2 l 世纪的铸造新技术，近年来在国内外得到了广泛 的应用。然而，在消失模铸造生产灰铸铁件过程中，常出现过冷石墨，对铸件 的质量和性能产生不良的影响。目前，有关消失模铸造条件下灰铸铁石墨组织 的形成机理和各种因素对石墨组织的影响规律尚缺乏深入的探讨和研究。本文 研究了消失模铸造灰铸铁石墨形态的特征及其分布规律以及冷却速度、孕育方 法、硫含量、碳当量、炉料及熔炼工艺对灰铸铁石墨组织及性能的影响规律。 首先，通过研究阶梯试样不同壁厚处石墨组织的变化，探讨了冷却速度对 消失模铸造灰铸铁石墨组织的影响。结果表明：冷却速度对消失模铸造灰铸铁 石墨组织具有非常显著地影响。当碳当量为3 8 5 时，壁厚小于1 0 m m 的灰铸铁 组织中易出现过冷石墨，壁厚为5 m m 处过冷石墨数量达到4 0 - 5 0 。而壁厚 大于l o m m 时，基本不出现过冷石墨组织。 探索了消失模铸造特殊的冷却条件对石墨形态的影响。在消失模铸造灰铸 铁的凝固过程中，共晶阶段之前的冷却速度大于传统砂型铸造的冷却速度，共 晶阶段开始后冷却速度慢于传统砂型铸造，因此亚共晶灰铸铁在凝固时，共晶 开始前奥氏体枝晶发达，共晶开始后石墨在枝晶间较易形成d 、e 型枝晶石墨。 其次，通过改变孕育量及孕育方法，研究了孕育处理对消失模铸造灰铸铁 石墨组织及力学性能的影响。结果表明：消失模铸造灰铸铁生产的浇注过程中 进行瞬时孕育能明显改善石墨形态和基体组织，消除过冷石墨，同时提高力学 性能。当瞬时孕育量为0 2 5 时，可基本消除灰铸铁中过冷石墨，并且细化基 体，抗拉强度比采用炉前孕育提高1 5 m p a 。 然后，通过包内增硫的方法研究了含硫量的变化对消失模铸造灰铸铁石墨 组织及力学性能的影响。结果表明：当含硫量小于o 1 2 1 时，薄壁灰铸铁中过 冷石墨的数量随着硫量的增加而减少，当含硫量增至0 1 4 3 时，过冷石墨可基 本消除；在试验成分范围内( o 0 2 7 - - 0 1 4 3 ) ，随着含硫量的增加，灰铸铁的 抗拉强度及硬度先提高后降低，当硫含量在0 0 7 8 - 0 1 2 1 范围时，灰铸铁的 微观组织和力学性能最为理想；研究了不同碳当量对消失模铸造灰铸铁石墨组 织的影响，结果表明随着碳当量的降低，e 型石墨数量明显增多。 最后，通过调整炉料配比，研究了炉料对消失模铸造灰铸铁石墨组织的影 响，并探讨了熔炼工艺对石墨组织的影响。结果表明：在化学成分基本相同的 情况下，不同炉料熔炼后浇注的灰铸铁件石墨形态存在着明显的差异，表现出 较为明显的炉料遗传性。 关键词：消失模铸造；灰铸铁；微观组织；石墨组织：力学性能 s t u d yo fc h a r a c t e r i s t i c s a n da f f e c t i n g 。f a c t o r so ng r a p h i t e m o r p h o l o g yo fg r a y c a s ti r o np r o d u c e dv i al f c a b s t r a c t l f ci sr e f e r r e da san e wc a s t i n gt e c h n o l o g yi nt h e21s tc e n t u r y i th a sb e e n a p p l i e dc o m p r e h e n s i v e l ya td o m e s t i ca n do v e r s e a si nr e c e n ty e a r s b u tt h eg r a p h i t e m o r p h o l o g yo fg r a yc a s t i r o np r o d u c e db yv i al f ci su n s t a b l e ，u n d e r c o o l e d g r a p h i t ea p p e a r se a s i l y i nt h e c a s t i n gp r o c e s s t h a ta f f e c t st h e q u a l i t y a n d p e r f o r m a n c eo fc a s t i n g i n t e n s i v es t u d yo ff o r m a t i o nm e c h a n i s ma b o u tg r a p h i t e m o r p h o l o g yo fg r a yc a s ti r o np r o d u c e db yv i al o s tf o a mc a s t i n gi sl a c k i n g i nt h i s p a p e r , t h ed i s t r i b u t i o no fg r a p h i t em o r p h o l o g yo fg r a yc a s ti r o np r o d u c e db yv i a l o s tf o a mc a s t i n ga n dt h ei n f l u e n c eo ff e a t u r e so fl f co nt h eg r a p h i t em o r p h o l o g y w a ss t u d i e d b e s i d e s ，e f f e c t so fc o o l i n gr a t e ，i n o c u l a t i o nm e t h o d ，s u l f u rc o n t e n t ， c a r b o ne q u i v a l e n ta n dr a wm a t e r i a lo nt h eg r a p h i t eo r g a n i z a t i o na n dp r o p e r t i e so f g r a yc a s ti r o nc o n n e c t e dw i t ht h ep r o d u c t i o np r a c t i c ew a ss t u d i e d f i r s t l y , i n f l u e n c eo fc o o l i n gr a t eo n t h eg r a p h i t eo r g a n i z a t i o no fg r a yc a s ti r o n p r o d u c e db y v i al o s tf o a mc a s t i n gw a ss t u d i e db yo b s e r v i n gg r a p h i t eo r g a n i z a t i o na t d i f f e r e n tt h i c k n e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tg r a p h i t em o r p h o l o g yw a sd i f f e r e n t r e m a r k l ya t d i f f e r e n tt h i c k n e s s u n d e r c o o l e dg r a p h i t ew a sg e n e r a t e de a s i l yi nt h e t h i n w a l l e dp a r to fc a s t i n g t h ea m o u n to f u n d e r c o o l e dg r a p h i t er e a c h e d4 0 - - 5 0 a ts e c t i o nt h i c k n e s so f5 r a m i n f l u e n c eo ft h es p e c i a lc o o l i n gc o n d i t i o n so fl f co ng r a p h i t em o r p h o l o g y w a ss t u d i e d i nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fg r a yc a s ti r o np r o d u c e db yv i al o s t f o a mc a s t i n g ，t h ec o o l i n gr a t ew a sg r e a t e rt h a nm o u l dc a s t i n gb e f o r et h ee u t e c t i c r e a c t i o n ，b u tt h ec o o l i n gr a t ew a ss l o w e rt h a nm o u l dc a s t i n ga f t e rt h ee u t e c t i c r e a c t i o n ，t h u su n d e r c o o l e dg r a p h i t ea p p e a r e de a s i l yi nt h ec a s t i n g s e c o n d l y , i n f l u e n c eo fi n o c u l a t i o nm e t h o do nt h eg r a p h i t eo r g a n i z a t i o na n d p e r f o r m a n c eo fg r a yc a s ti r o np r o d u c e db yv i al o s tf o a mc a s t i n gw a ss t u d i e db y c h a n g i n gi n o c u l a t i o nq u a n t i t ya n di n o c u l a t i o nm e t h o d t h er e s u l t s s h o w e dt h a t g r a p h i t em o r p h o l o g y , m a t r i x m i c r o s t r u c t u r ew e r e o b v i o u s l yi m p r o v e d a n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n c r e a s e db yi n s t a n t l yi n o c u l a t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h e s u i t a b l ei n o c u l a t i o nq u a n t i t y i n s t a n ti n o c u l a t i o no f0 2 5 f e r r o s i l i c o nc o u l d e l i m i n a t eu n d e r c o o l e dg r a p h i t ea n dr e f i n em a t r i x ，t e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e db y 15 m p at h a nb l a s tf u r n a c ei n o c u l a t i o n m o r e o v e r , i n f l u e n c eo fs u l f u ro nt h eg r a p h i t eo r g a n i z a t i o na n dp r o p e r t i e so f g r a yc a s ti r o nw a ss t u d i e db ya d d i n gp y r i t et ot h em o l t e ni r o nb yc h a n g et h es u l f u r c o n t e n t ( 0 0 2 7 o 1 4 3 ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea m o u n to fu n d e r c o o l e d g r a p h i t eo fg r a yc a s ti r o nd e c r e a s e dw h e nt h es u l f u rc o n t e n tl e s st h a n0 121 a n d t h eu n d e r c o o l e dg r a p h i t ec o u l db a s i c a l l ye l i m i n a t ew h e ns u l f u ri n c r e a s e dt oo 1 4 3 w i t ht h et e s tc o m p o n e n t ，t e n s i l es t r e n g t ha n dh a r d n e s sf i r s t l yi n c r e a s e da n dt h e n d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs u l f u rc o n t e n t i nt h i se x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，t h e i d e a lm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r i t i e so f g r a yc a s ti r o nc o u l do b t a i n e dw h e ns u l f u ri n t h er a n go f0 0 7 8 0 121 a tt h es a m et i m e ，e f f e c t so fc a r b o ne q u i v a l e n to nt h e d i s t r i b u t i o no fg r a p h i t em o r p h o l o g yo fh y p o e u t e c t i eg r a yc a s t i r o np r o d u c e db yv i a l o s tf o a mc a s t i n gw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e r c o o l e dg r a p h i t ew a s e a s i l yg e n e r a t e di nt h et h i n w a l l e dp a r to fc a s t i n ga n dt h ea m o u n to ft y p e e g r a p h i t eo fg r a yc a s ti r o ni n c r e a s e dw i t hd e c r e a s eo f c a r b o ne q u i v a l e n t l a s t l y , i n f l u e n c eo fr a wm a t e r i a la n ds m e l t i n g p r o c e s so nt h eg r a p h i t e o r g a n i z a t i o no fg r a yc a s ti t o nw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tg r a p h i t e m o r p h o l o g yo fg r a yc a s ti r o nh a das i g n i f i c a n td i f f e r e n c ew h e nt h er a wm a t e r i a l w a sb a s i cs a m e ，s h o w i n go b v i o u si n h e r i t a n c ee f f e c t s k e yw o r d s ：l o s tf o a m c a s t i n g ；g r a y c a s t i r o n ；m i c r o s t r u c t u r e ；g r a p h i t e m o r p h o l o g y ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 致谢 本文是在导师程和法教授的悉心指导下完成的。在近三年的研究学习生活中，导 师的精心指导、帮助和鼓励使我克服了论文工作中所遇到的各种困难，并顺利地完成 了硕士论文。衷心地感谢导师在科研和学习上给予我无微不至的关怀，导师渊博的学 术知识、严谨的科研态度和对事业勤奋追求的精神均使我受益非浅，并成为我今后在 学习和生活中的榜样。 衷心感谢解明国高工在实验中给予的指导、支持和帮助，感谢孙洪超、金何、刘 伟、程华振、史家全及诸多工人师傅的帮助；感谢何元祥老师在实验中给予的关心 与帮助，感谢师兄刘铭、杨俊和师姐肖志玲在课题实验中的关心与指导，我还 要感谢吴进、张燕瑰等同学在学习和生活上所给予关心和帮助，对关心和支持我顺 利完成学业的老师和同学们，再次一并表示感谢。 最后，感谢所有给予我帮助的老师和同学们! 胡志君 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 消失模铸造基本概念1 1 2 消失模铸造发展历程1 1 3 消失模铸造特点4 1 3 1 消失模铸造与传统铸造的区别。4 1 3 2 消失模铸造的工艺优缺点。4 1 4 灰铸铁石墨组织影响因素的概述5 1 4 1 灰铸铁石墨形态分类。5 1 4 2 影响灰铸铁石墨组织的因素7 1 4 3 石墨形态对灰铸铁组织和性能的影响。9 1 5 消失模铸造灰铸铁石墨形态研究现状。l o 1 6 存在的问题和本文的主要研究内容1 1 第二章实验方法及过程1 2 2 1 实验方案1 2 2 2 实验材料13 2 3 试样的制备1 3 2 2 1 泡沫模样制备。1 3 2 2 2 铁水熔炼1 4 2 2 3 造型及浇铸1 4 2 4 金相组织观察。15 2 5 力学性能测试1 5 第三章实验结果及分析1 6 3 1 消失模铸造冷却条件对灰铸铁石墨形态的影响1 7 3 2 孕育方法对消失模铸造灰铸铁石墨组织及性能的影响1 9 3 2 1 孕育方法对消失模铸造灰铸铁石墨形态的影响2 0 3 2 2 孕育处理对灰铸铁基体组织的影响2 4 3 2 3 孕育处理对灰铸铁力学性能的影响2 6 3 3 含硫量对消失模铸造灰铸铁组织和性能的影响。2 7 3 3 1 硫对消失模铸造灰铸铁石墨形态的影响。2 7 3 3 2 硫对灰铸铁基体组织的影响3 l 3 3 3 硫对灰铸铁力学性能的影响3 2 3 4 碳当量对消失模铸造灰铸铁石墨组织的影响3 5 3 5 炉料配比及熔炼工艺对消失模铸造灰铸铁石墨组织的影响3 7 3 6 本章小结3 9 第四章全文总结及展望4 l 4 1 本文主要实验内容叭 4 2 主要实验结论叭 4 3 本文的创新之处一二 4 4 前景展望” 参考文献一j 硕士期间发表论文“制 插图清单 图1 i 消失模铸造工艺流程l 图1 2 消失模铸造市场份额及发展趋势预测3 图1 3 消失模铸造铝合金发动机缸体3 图2 1阶梯试样及抗拉试棒模样图1 4 图2 2 抗拉试棒尺寸1 4 图3 1不同截面厚度石墨形态1 8 图3 2 三种铸造条件下的温度变化曲线1 9 图3 - 3 不同孕育条件下5 m m 截面处石墨形态2 1 图3 4 不同孕育条件下2 0 m m 截面处石墨形态 2 2 图3 5 孕育处理温度对铁液过冷度的影响2 4 图3 - 6 孕育处理温度对石墨形态的影响2 4 图3 - 7 铁素体形态2 5 图3 8 不同孕育条件下珠光体形态2 6 图3 - 9 不同含硫量阶梯试样5 m m 处石墨形态2 8 图3 1 0 不同含硫量阶梯试样2 0 r a m 处石墨形态3 0 图3 1 1b 、d 石墨附近基体组织3 l 图3 1 2 不同含硫量试样2 0 r a m 处基体组织3 2 图3 1 3 硫对灰铸铁抗拉强度的影响3 3 图3 1 4 硫对阶梯试样各壁厚处硬度的影响3 4 图3 1 5c e 为3 7 8 时铸件5 m m 处e 型石墨3 6 图3 1 6c e 为3 7 8 时铸件1 0 r a m 处石墨形态3 6 图3 1 7 试样1 石墨形态3 7 图3 1 8 试样2 石墨形态3 8 表格清单 表1 1 石墨形态分类o 表2 1 孕育处理实验编号“ 表3 1 试样化学成分”川 表3 2 试样碳当量及抗拉强度曲 表3 3 浇包内硫铁加入量及试样化学成分2 7 表3 - 4 不同含硫量试样各阶梯石墨类型2 8 表3 5 硫对灰铸铁力学性能的影响 表3 6 不同碳当量条件下各截面石墨形态3 5 表3 7 试样化学成分o ， 第一章绪论 1 1 消失模铸造基本概念 消失模铸造是一项先进的铸造技术，又称实型铸造，国际上称为l o s tf o a m c a s t i n g ，简称l f c 。消失模铸造技术的原理是用泡沫珠粒经发泡后制作成与零 件结构和尺寸相一致的泡沫模样，模样经浸涂耐火粘结涂料及烘干后进行干砂 造型，振动紧实后浇入金属液，模样受热气化后消失，从而得到与泡沫模样形 状一致的金属零件的铸造方法【l 】。由于消失模铸造使用无粘结剂的干砂造型， 较传统湿砂型铸造减少了污染，因此，消失模铸造被铸造界权威人士称为“代 表2 l 世纪的铸造新技术 、“铸造中的绿色工程”，近年来在国内外得到了迅速 的发展i ”。 消失模铸造工艺流程如图1 1 所示，大致分为三步，首先是制作泡沫模样， 泡沫珠粒经过预发泡设备预发成一定密度的单个颗粒，经熟化处理后放入到成 形发泡设备中，单个的珠粒在模具中进行二次成形发泡，制作出与模具内腔一 致的模样，有的铸件结构复杂，需多组模片粘合成完整模样：其次，将泡沫模 样浸涂涂料及烘干，将制作好的模样在浸在配置好的涂料池中，使模样获得一 层均匀的涂料层，然后再5 0 左右的烘房里烘干2 1 0 小时；最后，造型及抽 负压浇注，将浸涂涂料烘干后的模样放入砂箱，经消失模铸造造型装置加入干 砂，振动紧实。造型后经真空抽气系统抽取负压浇注，金属液取代泡沫模样充 填型腔，金属液凝固后开箱后获取铸件。 图卜1 消失模铸造工艺流程【3 】 1 2 消失模铸造发展历程 美国是消失模铸造技术的发源地，1 9 5 8 年美国人h f s h r o y e r 用泡沫板加 工成模样，使用含有粘结剂的型砂造型，制造出铸件并取得专利。1 9 6 2 年，美 国人m c f l e m i n g s 用干砂和泡沫模样造型生产铸件，成为l f c 法的首创者。 1 9 6 4 年美国的t r s m i t h 发表了使用无粘结剂干砂造型生产消失模铸件的专 利。到了1 9 6 7 年，采用普通粘土砂和自硬砂的消失模铸造法获得了成功，并 在许多国家得到了应用，生产了成千上万吨铸件，但无粘结剂干砂实型铸造却 没得到发展，仍处于探索阶段。在整个二十世纪六十年代直至二十世纪七十 年代，消失模铸造法仅限于单件小批生产，典型产品是汽车模具、机器底座、 艺术品等。1 9 6 8 年，德国人e k r y z m o w s k i 在砂箱内抽成负压进行浇注，取得 了专利，即现在的消失模铸造c 4 j 。 2 0 世纪八十年代初，随着干砂消失模铸造专利的失效及试验研究的进展， 消失模技术才开始大规模的工业应用。福特汽车公司率先在e s s e x 工厂建成了 年产2 5 0 0 0 只铝合金进气歧管的l f c 中间试验装置，获得成功后，于1 9 8 4 年 斥资1 1 0 0 万美元建立了年产1 0 0 万只铝合金进气歧管的高度自动化生产线，生 产率达1 8 0 型h ，揭开了l f c 在先进工业国家飞速发展的序幕。在不改变原设 计及结构的前提下，采用干砂消失模铸造法生产的铝进气管铸件比普通砂型铸 造法生产的重量轻20 左右，成本约下降20 ，而发动机功率可提高4 左 右。1 9 9 0 年，通用汽车公司在s a t u r n 建成占地面积lo 万m2 、年产铸件5 5 万吨的新铸造厂，全自动的epc 生产线有三条，其中一线生产铝合金四缸缸 体，二线生产两种型号的铝合金缸盖，三线生产珠光体球铁曲轴和两种型号的 传动差动壳体。日本、英国、法国、德国及意大利等国在2 0 世纪8 0 年代均应 用消失模技术进行工业化生产【9 j 。 我国是研究和应用消失模铸造较早的国家之一，机械工业研究院和上海机 械制造工艺研究所在2 0 世纪6 0 年代中期便开始了对消失模铸造的理论研究和 生产试验，2 0 世纪8 0 年代，中国科学院长春光学精密机械研究所研究院黄述 哲教授领导的课题组在中国最早开始了消失模铸造生产线的实验设计，2 0 世纪 9 0 年代后，中国对消失模铸造的研究进入高潮，清华大学，华中科技大学，哈 尔滨工业大学，西安交通大学等高校及一些科研院所纷纷加入到对消失模铸造 的研究，第一汽车制造厂轻型发动机厂、全椒柴油机总厂、长沙发动机总厂、 赤峰富龙集团铸业有限公司和合力叉车合肥铸锻厂从国外引进整条消失模生产 线或关键设备，这些厂家消失模生产线的建立提高了我国消失模铸造的整体水 平【1 0 】，我国进入消失模技术的工业化应用时期。 消失模铸造技术发展至今已有半个多世纪的历史，工业化应用也有2 0 余 年，欧美的一些国家尤其是美国一直处于世界先进水平。美国、德国和意大利 等发达国家在几个汽车集团的积极参与下，致力于消失模铸造研究，经历了较 长的技术积累，现已进入大批量生产铝合金和黑色合金铸件的技术成熟期。图 1 2 为美国消失模铸造市场份额及其发展趋势预测。 2 图1 - 2 消失模铸造市场份额及发展趋势预测【1 0 1 2 0 0 1 年美国6 家公司消失模铝合金铸件的总产量已超过8 万t ，其中铝合 金铸件年产超过万t 的公司就有4 家【1 1 1 。据文献报道【1 2 l ，美国2 0 0 9 年铝合金 消失模铸造产量预计将达到2 2 万t ，将达到消失模铸铁产量的一半。美国等一 些发达的欧美国家在铝合金发动机缸体等一些复杂铝合金铸件的消失模铸造取 得了成功，b r p 美国公司生产的游艇铝合金发动机缸体铸件，其结构十分复杂， 将原来的几个铸件组合成一个整体铸件进行生产，铸件外形美观，结构紧凑， 见图1 3 。 图1 - 3 消失模铸造铝合金发动机缸体【1 3 1 我国消失模铸造在最近十几年进入快速发展期，近年来，我国消失模铸件 产量连续数年跃居世界第一。铸铁件的消失模铸造生产技术在我国已基本成熟， 铸钢件的消失模铸造技术在我国也基本掌握，但铝合金消失模铸件的产量达不 到总产量的0 5 ，而镁合金消失模铸造技术国内外目前仍然处于研究开发阶 段。因此，铝镁合金消失模铸造与黑色金属的消失模铸造相比，不论从规模、 技术、专用设备及自动化等方面都明显滞后【l 引。 我国消失模铸造近年来虽发展迅速，从事消失模铸造的企业有数百家之多， 但多为乡镇企业及中小型铸造配件厂，这些企业技术力量薄弱，较少注重基础 性研究，缺乏消失模铸造工程人才，导致铸件废品率较高，产品基本上为一些 3 结构简单的铸件，如灰铸铁箱体、壳体铸件，产品种类较为单一，有色金属铸 件及形状复杂铸件寥寥无几，几条引进的生产线除合力集团以外都没有很好的 应用，消失模铸造的优势没有体现出来，但也有诸如合肥铸锻厂等一些企业应 用消失模铸造获得了稳定生产。华中科技大学等一些科研院所针对铝、镁合金 的消失模铸造投入了大量的精力，有待在轻合金及复杂铸件的消失模铸造取得 突破性进展，真正体现消失模铸造的优势。 中国要成为铸造强国，必须大力发展技术含量高、难度大的近无余量、精 确成形的产品；铸造技术必须符合环境保护、可持续发展的大方向，实现清洁 生产；同时适应个性化的市场需要，产品的结构设计要有更大的自由度。消失 模铸造在以上诸多方面都能满足市场和用户的需求，是受用户欢迎的新工艺， 具有巨大的发展潜力，在2 l 世纪将会有更迅速的发展l 】川。 1 3 消失模铸造特点 1 3 1 消失模铸造与传统铸造的区别 消失模铸造技术是用泡沫制作成与零件结构和尺寸完全一样的实型模样， 经浸涂耐火粘结涂料，烘干后进行干砂造型，振动紧实，然后在抽负压条件下 浇入金属液使模样受热气化消失，而得到与模样形状一致的金属零件的铸造方 法【1 1 。消失模铸造浇注过程中因泡沫模样的存在，要求较高的浇注温度以熔化 模样，为保证模样气化产物顺利排出型腔，因此用透气性较好的干砂造型，并 抽负压以强化气化产物排出型腔的效果。因此消失模铸造工艺与普通砂型铸造 存在很大的区别，主要表现在以下几个方面：泡沫模样实型铸造、干砂造型、 浇注温度高、负压浇注。消失模铸造采用无粘结剂以及透气性较好的干砂造型， 在浇注过程中抽负压以使泡沫模样气化产物排出型腔，因此在消失模铸造充型 凝固过程中，由于泡沫模样的作用，型腔内存在模样液化及气化的吸热过程， 以及气化产物与金属液的相互作用，型腔外存在伴随着气化产物排出型腔以及 负压作用而引起的热量传递过程。消失模铸造充型凝固过程伴随着吸热、流动、 传热和传质等复杂的物理化学现象【9 l 。 1 3 2 消失模铸造的工艺优缺点 综上所述，与砂型铸造相比，消失模铸造有非常多的优越性，概括而言， 消失模铸造有以下优点： ( 1 ) 产品精度高 消失模技术采用整体的泡沫模样充填型腔，无分型面及型芯，无需起模， 因此，铸件表面光滑，无飞边毛刺，同时避免了因起模、下芯、合箱引起的尺 寸误差。同时采用干砂造型，避免了由水分、粘结物及附加物引起的铸造缺陷。 消失模铸件尺寸精度和表面粗糙度分别可达c t 5 - - c t 7 、r a = 6 3 1 2 5 1 t m ，接 近于熔模精密铸造水平【4 1 。铸件尺寸公差很小，加工余量最多为1 5 - 2 m m ，可 4 以大大减少机械加工的费用，和传统砂型铸造方法相比，可以减少4 0 - - - , 5 0 的机械加工时间。因此，消失模技术是一种近无余量、精密成形的工艺【l6 1 。 ( 2 ) 设计灵活 消失模技术可通过分片制模然后粘结成完整模样的办法制作出结构复杂的 整体铸件，不用受合箱、起模、下芯等因素的限制，这就为结构设计提供了足 够的自由度。消失模铸造具有在造型时不需要芯子的优点，使用模片组合成复 杂空间结构模样，可以精确铸造出复杂内腔，甚至多内腔的复杂铸件。越是结 构复杂，原来用砂型铸造时使用的砂芯越多、机加工量越大的铸件，采用消失 模铸造的优越性就越突出，经济效益也就越显著。 ( 3 ) 生产效率高 消失模技术只需制作出泡沫模样就可造型，省去了传统铸造中分箱、起模、 修型，组芯、下芯、合箱等工艺，使用可回收利用的干砂造型，省去了传统铸 造的混砂工艺，孔洞也可以不用型芯而直接铸出，简化了后处理工艺。因此消 失模铸造大大简化了生产工艺，缩短了生产周期，提高了生产效率。 ( 4 ) 绿色环保 消失模技术采用干砂造型，避免了湿砂造型所需的各种粘结剂而引起的污 染，同时旧砂回收利用率高。泡沫模样熔化后产生的气体可通过净化装置净化 处理，燃烧产物净化后对环境无公害。消失模铸造车间较传统铸造车间相比， 粉尘明显减少，劳动环境明显改善，容易实现清洁生产。 ( 5 ) 工艺简单 消失模铸造工艺过程较传统砂型铸造大大简化，技术容易掌握，即使是结 构复杂的铸件，一般制模工和造型工均可方便的制得，对设备要求不高，造型 材料可回收重复利用，因此，只需较少投资便可迅速投入生产，收效较快。 消失模铸造的优越性越来越多的被人们认识，并越来越广泛的受到铸造界 的欢迎，有着广阔的发展前景，其优越性不容置疑。实践证明，这项新工艺是 铸造行业中的一大革新，具有宽广的发展前途和无限的生命力，是一条多快好 省发展铸造生产的有效途径，有力的推动了铸造生产不断向前发展。但是消失 模铸造也有一定的缺点及局限性，首先消失模铸造的模具较为费工费时，且修 改起来有一定的难度；另外泡沫模样质量控制不好或者造型时操作不当则会容 易发生变形；铝合金铸件的气孔、冷隔、皱皮缺陷比较难控制，铸钢件易产生 增碳，铸铁件易产生碳缺陷；涂料及浇注温度控制不好易产生粘砂缺陷等。 1 4 灰铸铁石墨组织影响因素的概述 1 4 1 灰铸铁石墨形态分类 在灰铸铁凝固过程中，由于受到凝固条件的影响，灰铸铁片状石墨会呈现 不同的形状和尺寸。g b 7 2 1 6 8 7 灰铸铁金相把灰铸铁片状石墨分为6 种， 见表1 1 【1 7 l ，各种石墨形态如图1 1 所示。 5 表1 1 石墨形态分类 石墨类型石墨形状说明 片状( a 型)片状石墨均匀 a 型石墨是灰铸铁中最常见的石墨组织， 通常要求铸件中a 型石墨比例应占石墨总量 分布 的9 0 以上，a 型石墨是亚共晶灰铸铁在较 高共晶度、过冷度不大的条件下形成的。其 分布均匀，有良好的伸展性，无明显分枝。 菊花状( b 型)片状与点状石 b 型石墨常出现在共晶度较高、过冷度较 墨聚集成菊花 大的灰铸铁中。铸铁结晶时因过冷度较大， 因而开始生成的细小石墨共晶生长较快且呈 状分布 辐射状，随即因结晶潜热的释放生长变慢而 呈条状，最终长成的石墨的立体形状近似菊 花。b 型石墨周围聚集着较多的铁素体，故对 铸铁性能不利。通常允许铸件中有少量b 型 石墨存在。 块片状( c 型)粗大片状初生 c 型石墨只出现在过共晶灰铸铁中，是过 共晶灰铸铁在凝固过程中生成的初析厚大石 石墨 墨，往往相互连接或相距极近，周围常为铁 素体，石墨片较大，对金属基体具有较强的 割裂作用，故铸铁的性能大幅度下降。 枝晶点状( d点片状枝晶间 d 型石墨大都出现在共晶度低、过冷度大 型)石墨呈无向分 的灰铸铁组织中。在铁液石墨形核条件差、 铁液过冷度大时，奥氏体枝晶发达，石墨在 布 奥氏体枝晶间形核生长，故又称为枝晶石墨、 过冷石墨。其周围常伴生过冷铁素体，故对 铸铁性能不利。在铸件较薄的部位一般允许 有不超过5 的过冷石墨存在。 枝晶片状( e短小片状枝晶 e 型石墨为灰铸铁中短片状石墨呈一定 型)间石墨呈有向 方向分布于奥氏体枝晶间，与d 型石墨统称 为枝晶石墨。d 、e 型石墨通常不作严格区分， 分布 其特征及成因基本相似，只是e 型石墨呈明 显的方向性分布。而由于e 型石墨呈方向性 分布，对铸件的影响较d 型石墨大，沿石墨 分布方向容易引起脆性断裂，因此e 型石墨 对铸件质量有严重危害性，一般要求在灰铸 6 铁件中应严格控制e 型石墨的出现。 星状( f 型)星状石墨均匀 f 型石墨是过共晶铸铁在极大的过冷度 下形成的。 分布 1 4 2 影响灰铸铁石墨组织的因素 ( 1 ) 冷却条件的影响 冷却条件对灰铸铁石墨形态影响显著，有报道显示可用控制冷却速度的方 法获得d 型石墨灰铸铁。祝镜清【l8 】采用金属型铸造的方法提高铸件冷却速度， 在高碳硅含量条件下不加任何元素及变质剂获得的2 2 本体试棒，其基体组织 约含6 0 珠光体，石墨为d 型，中心有少量石墨为a 型；许存宁【l9 1 等人也对 金属型铸造获得d 型石墨的工艺进行了探讨；金光【2 0 】等人研究了砂型铸造条件 下冷却速度对石墨形态的影响，其研究结果表明，随着冷却速度的增大，石墨 由a 型向d 型转变的趋势增大。 冷却速度的变化，可改变铸铁结晶凝固过程，从而影响铸件石墨形态。随 着冷却速度增加，过冷度增加，初析奥氏体枝晶发达，在随后的共晶阶段就较 易形成过冷石墨；在较低的冷却速度下，石墨形态一般较为粗大，不会出现过 冷石墨。在铸造生产中，冷却速度的影响一般体现在铸件壁厚、铸型条件、浇 注温度等方面。在其它条件相同时，铸件越厚，冷却速度越慢，因此灰铸铁厚 壁处较易出现粗大的石墨；铸件越薄，冷却速度越大，铁液过冷倾向也越大， 因此薄壁铸件较易出现d 、e 型过冷石墨。铸件形状和铸型材料影响着铸造过 程中铸件的导热能力，结构复杂铸件的散热能力较结构简单铸件散热能力差， 其冷却速度也较慢；不同铸型材料导热能力不同，消失模铸造所用干砂导热较 传统铸造的湿砂型慢，在相同条件下其冷却速度就较慢。 ( 2 ) 化学成分的影响 影响灰铸铁石墨形态的化学成分主要为c 、s i 、s 等基本成分，另外一些 微量元素如t i 、c r 、c u 也会影响石墨形态。c 、s i 是主要的石墨化元素，通常 将两者折算成碳当量，根据碳当量的大小可将灰铸铁区分为亚共晶、共晶及过 共晶灰铸铁，其结晶过程不同，石墨形态受结晶过程的影响变化较大，共晶灰 铸铁以a 型石墨为主，亚共晶灰铸铁则较易出现过冷石墨，过共晶灰铸铁则会 出现c 型石墨。在相同的碳当量下s i c 比不同也将导致石墨形态的不同，有 研究表明b ，当c e 一定时，s i c 比从0 5 增加到0 9 变化时，石墨片由a 型 向d 型变化。 硫作为灰铸铁的基本元素之一，对灰铸铁的组织性能有着重要的影响，在灰 铸铁生产中一般认为s 是有害元素，尤其是冲天炉熔炼过程中一般将s 作为有 害元素加以限制，有的工厂生产灰铸铁件时硫含量限制在o 0 3 左右，有资料 显示【2 2 1 ，在灰铸铁生产中并不是硫含量越低越好，当铸铁硫含量低于0 0 5 时， 7 孕育效果差，石墨形态也变差。殷作虎研究了不同含硫量对砂型铸造灰铸铁组 织及性能的影响，其研究结果表明，在一定范围内增加硫含量可增加a 型石墨 比例，减少铸铁的白口倾向，提高铸件的断面均匀性，并能提高铸件的力学性 能。在国外，也有观点认为，硫含量对灰铸铁组织和性能影响显著，在采用感 应电炉熔炼孕育灰铸铁件时，铁液中应有适量的硫，而不是硫含量越低越好。 综上所述，提高灰铸铁中的硫含量，能改变石墨的形态，使石墨的长度变短， 末端变钝，形态变得弯曲，同时还能改善并细化共晶团，改善切削加工性能， 使灰铸铁的性能得到了改善和提高。钛是强烈促