技术领域
[0001] 本
发明涉及一种铸造加工工艺，尤其涉及一种超低碳
不锈钢消失模铸造工艺。
背景技术
[0002] 消失模铸造工艺是一种生产成本相对低廉，外观成形性好，对模具要求较低，铸件规格和钢种适应范围较宽的新型铸造工艺，被誉为二十一世纪最有发展前途的新型绿色铸造工艺之一。
[0003] 但由于白模含碳较高，在实际生产过程中，燃烧后的白模形成的积碳会卷入到
合金液体中，造成合金液增碳，迄今为止，消失模铸造工艺主要应用在
铸铁、普通铸钢中，一直无法生产出超低碳的高品质不锈钢铸件。比较近似的做法是先把白模制成壳型，再将壳型放入高温炉中把白模
气化形成空壳，通过空壳来铸造出超低碳不锈钢铸件，由于空壳的强度限制，目前该工艺仅能生产200KG重量以下的铸件，如何突破铸件规格尺寸的限制
瓶颈，是关系到该工艺能否在高端材料铸造领域具有生命
力的关键因素。
发明内容
[0004] 本发明的目的就在于提供一种解决了上述问题，通过利用消失模铸造传统的工艺原理通过创新性的改进，生产超低碳不锈钢的消失模铸造工艺，满足小批量、多品种、快节奏、成本低、
质量高等要求的高端不锈钢铸件生产的要求。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超低碳不锈钢消失模铸造工艺，方法步骤如下：
[0006] a.白模选料，选用含碳量＜32％的白模珠粒材料，并将珠粒按照铸件要求制作发泡成型白模；
[0007] b.根据产品要求进行模型制作，对发泡成型白模的模样进行切割粘合组装成型；
[0008] c.在模样中添加阻燃剂；
[0009] d.对模样上涂料并烘干；
[0010] e.在模样中加砂造型并振实；
[0011] f.浇注
[0012] 1)选取精炼后的超低碳不锈钢
钢水进行
真空负压浇注，所述钢水出炉
温度大于该钢种液相线温度以上70～100℃，出炉后
镇静3～5分钟，温度降至
过热度40℃～70℃时开始浇注；
[0013] 2)造
型砂箱应采用箱壁抽真空的结构，浇注前5分钟加上负压，型砂粒度在20～40目时，铸钢件浇注时以0.03～0.06MPa为宜；
[0014] 3)浇注时应先小流慢浇，做到白模先烧后浇，在确保有部分白模被烧掉气化，留出钢水充填必要的空间，然后大流浇注，在负压下，白模被气化后抽出，在钢水充填到冒口部位后，钢水应改大流为小流，浇注时应始终保持
浇口杯充满；
[0015] 4)浇注时确保浇注负压值不低于-0.04MPa，保压时间时间5～15分钟，保温2小时翻箱；
[0016] 5)浇注完后维持负压5～10分钟，30分钟后即可开箱。
[0017] 作为优选，步骤a中，所述白模珠粒材料其体积
密度16～20克/立方米，900℃条件下，发气量小于570mg/L，残余物含EPS料小于5％。
[0018] 作为优选，步骤b中，根据消失模固有的工艺特点、产品外形尺寸、造型工艺及涂刷烘干要求、
缺陷避免原则、金属
凝固原理、大口出流理论、真空负压方向和工艺出品率，进行模型以及浇注结构设计，使铸件在浇注过程中能
加速白模的气化作用，减少及错开其
热分解产物中液相与固相
接触反应的时间。
[0019] 作为优选，步骤c中，在白模中加入质量分数0.3％～4.0％的阻燃剂，所述阻燃剂为氯化
石蜡、三
磷酸盐、五溴二苯醚、
氧化二锑，同时加入0.2％～0.7％的二苯酰过氧化物、二月桂酰过氧化物。
[0020] 作为优选，步骤d中，涂料根据钢种PH值，涂料选用耐高温
碱性耐火材料和粘结剂。
[0021] 作为优选，所述涂料选用镁质
骨料和碱性粘结剂，所述镁质骨料、水、粘接剂按重量的配比大致为60-80∶100∶6-10，制成的涂料波美度60-80。
[0022] 作为优选，步骤d中，涂料烘干要严格制作烘干曲线，烘干时间最低不低于72小时，涂料必须分为内层与外层两种，内层涂料用耐火度较高的骨料，外层涂料选用150～170目的
石英粉，内层涂料涂一遍，厚度0.1～0.2mm，外层涂料涂两遍，总厚度1.5～2.5mm，烘干室
温度控制在50℃左右，湿度小于30％，涂料逐层烘干，待3遍涂料全部干透后，将上半模型的内腔顶部敷上水玻璃砂，吹二氧化碳让其硬化，待水玻璃砂在烘干室完全硬化后将上、下两个半型粘合在一起，
外圈接缝涂上修补膏后补刷涂料。
[0023] 作为优选，步骤e中，造型砂为无粘接剂的造型砂，采用含AL2O3≥75％以上的宝珠砂，所述造型砂待开箱后
回收利用。
[0024] 作为优选，步骤f中，进行浇注时，浇注用钢包选用可控制浇注流量、速度，避渣、预热与钢水PH值匹配的碱性钢包，在浇注过程中应选择大流开浇，浇注速度及温度要高于
铸铁或碳素铸钢，再采用摇包浇注时应先打渣，并通过
茶壶包形式避渣浇注，浇注钢包必须选用中性捣打料打结包衬或高
铝砖砌筑，不得用粘土砖或石英砂等酸性耐火材料，并且不低于800℃的预热
烘烤。
[0025] 作为优选，步骤f中，进行浇注时，浇嘴距离浇杯最佳距离为40mm，浇注方式采用底注方式。选用良好的发热保温剂，加强对浇冒口的补缩。
[0026] 与
现有技术相比，本发明的优点在于：本发明与传统的消失模铸造工艺相比，成功地解决了因白模含碳量过高，在碳化后被融入超低碳不锈钢液中，造成不锈钢增碳从而无法满足碳元素的成分控制要求的技术瓶颈。同时，相比于原有消失模空壳铸造工艺不需提前将铸型内白模气化，因此减少了气化工序，缩短了生产周期，节约了
能源；由于空壳的铸型强度限制，无法生产大型铸件，国内目前用消失模空壳工艺生产的铸件重量基本未超过200KG，而本工艺成功地解决了超低碳不锈钢大型
工件的消失模铸造问题。满足小批量、多品种、快节奏、成本低、质量高等要求的高端不锈钢铸件生产的要求。
附图说明
具体实施方式
[0028] 下面将对本发明作进一步说明。
[0029]
实施例：参见图1，一种超低碳不锈钢消失模铸造工艺，本实施例，选用的C≤0.03％的超低碳不锈钢代表性钢种为2304(国标022Cr23Ni4Mo)。
[0030] 方法步骤如下：
[0031] a.白模选料，选用含碳量＜32％的白模珠粒材料，并将珠粒按照铸件要求制作发泡成型白模；
[0032] 白模材料的优选，严格控制白模的增碳幅度，选择含碳量＜32％的白模珠粒材料，其
体积密度为16～20克/立方米，发气量小于570mg/L(900℃)，残余物含EPS料小于5％，将珠粒按照铸件要求制作发泡成型白模，解决了白模燃烧后的增碳问题，这是研发高端不锈钢铸件的关键点之一，可选用非EPS材料及共聚料。
[0033] b.根据产品要求进行模型制作，对发泡成型白模的模样进行切割粘合组装成型；
[0034]
选定材料后，根据产品要求匹配相应的材料制备工艺，利用CAD/PLC相关
制模技术和专用制模设备进行模型制作，提高铸件模样的制作质量。铸件模样能整体制作时，不采用组合制作，要尽量减少铸件模样的粘接面。要选择流动性好、耐高温、无碳或增碳少、易气化的粘接材料，并且要尽量少用粘接材料，尽可能地减少热分解的产物。要选择
变形少、易使用、不吸水的
支撑条，防止水汽进入钢液中。要注意对模型凹凸不平、转
角、R角、接头的检查处理。
[0035] 浇注结构设计，根据消失模固有的工艺特点、产品外形尺寸、造型工艺及涂刷烘干要求、缺陷避免原则、金属凝固原理、大口出流理论、真空负压方向和工艺出品率，确定不同的浇注系统方案，设计最优的专属于此种消失模铸造工艺的浇注结构。这是继白模材料选择后最不容易控制，对生产产品影响最大的一个环节。消失模铸造工艺不同于以往任何传统铸造工艺，它是无粘接剂的实型
真空铸造，传统的大多数理论和经验无法照搬于此；但是现存的消失模铸造理论大都支离
破碎，无法得到完全验证，所以浇注系统的设计尤为关键。
对流量、热量、负压的考虑决定了消失模铸造浇注系统的复杂性。对铸件的浇注工艺设计，要尽可能使铸件在浇注过程中有加速模样白模塑料的气化作用，尽量减少及错开其热分解产物中液相与固相接触反应的时间，从而减少或避免铸件的
渗碳现象发生。
[0036] c.在模样中添加阻燃剂，阻止模样高温时的裂解燃烧，使它不产生或少产生含碳的固态产物。在白模中加入质量分数0.3％～4.0％的阻燃剂，所述阻燃剂为氯化石蜡、三磷酸盐、五溴二苯醚、氧化二锑，同时加入0.2％～0.7％的二苯酰过氧化物、二月桂酰过氧化物。以加速含阻燃剂的模样转变为气体，从而减少铸件浇注过程中的渗碳工况与条件发生；
[0037] d.涂料制作并对模样上涂料、烘干：根据钢种PH值，优选粘结剂及骨料成分，优化配伍比例，镁质骨料、水、粘接剂的重量配比大致为60-80∶100∶6-10，涂料的波美度60-80，确定搅拌时间、涂刷方法，制定烘干曲线，达到工艺要求的
流平性、环保健康、常高温强度、透气性、易清理的特点。由于本工艺开发主要针对超低碳不锈钢产品，因此，涂料应优选耐高温碱性耐火材料和粘结剂，本方案采用的是镁质骨料及碱性粘结剂，完全不同于铸铁或普通碳素铸钢所采用粘结剂及骨料，防止了耐火材料对钢水的二次污染，提高了铸件质量。涂料烘干要严格制作烘干曲线，否则不得进入造型工序，烘干时间最低不低于72小时。涂料必须分为内层与外层两种，内层涂料用耐火度较高的骨料，外层涂料的骨料选用主要考虑对涂料透气性的影响，可选用150～170目的石英粉。内层涂料涂一遍，厚度0.1～0.2mm，外层涂料涂两遍，总厚度1.5～2.5mm。烘干室温度控制在50℃左右，湿度小于30％，涂料逐层烘干。待3遍涂料全部干透后，将上半模型的内腔顶部敷上水玻璃砂，吹二氧化碳让其硬化，防止模型内腔上部型砂无法充填紧实而产生溃型或型壁移动，待水玻璃砂在烘干室完全硬化后将上、下两个半型粘合在一起，外圈接缝涂上修补膏后补刷涂料。
[0038] e.在模样中加砂造型并振实：
[0039] 造型砂选择：消失模铸造工艺的造型砂为无粘接剂的造型砂，根据现有的职业健康卫生防治要求和绿色循环的产业政策，选用高端的可循环利用、破碎率少、粉尘少、流动性好、角型系数小，经过
重熔的造型砂。实践证明，采用AL2O3≥75％以上的宝珠砂能完全满足生产高质量不锈钢铸件的要求。
[0040] 造型振实：
[0041] 1)实行模型箱外修补、组合、连接，避免连接缺陷。要严格检查黄模，查补漏白，裂纹，并将修补后的黄模烘干才能装箱造型。
[0042] 2)选用高频低幅三维振实台，避免造型、变形缺陷。确定转速、赫兹、振幅及振动时间，这对造型工艺很关键。振幅＜3mm，赫兹70-100，时间10-150秒，气囊式。
[0043] 3)选用合理的雨淋、布袋加沙装备，避免填充缺陷，不易填充的部位应预先填埋或人工填塞。
[0044] 4)确定分层振实原则，选用不同的振动方向和合理的振动时间。
[0045] 5)检查型砂温度＜50度，检查型砂水分、灰分、杂质，检查排气通路。造型砂选用20～40目的石英砂，底砂高度为100mm左右，底砂预振后放入模型，造型时的重点是防止模型内腔型砂及水玻璃砂在浇注过程中移动，解决方法是将模型中间从上而下插入一根直径为20mm左右的圆钢，上下两头各露出模型外100mm左右，使其上下两端均插入紧实的型砂中即可；否则浇注过程中内腔中的型砂或水玻璃砂将上浮而造成塌箱。一边加砂一边微振，加满砂后满功率振动30～60s。
[0046] f.浇注：
[0047] 1)选取精炼后的超低碳不锈钢钢水进行真空负压浇注，所述钢水出炉温度大于该钢种液相线温度以上70～100℃，出炉后镇静3～5分钟，温度降至过热度40℃～70℃时开始浇注；
[0048] 确定合适的钢水出炉温度及
浇注温度，提高钢水洁净度，减少含气量。由于试验浇铸铸件重量不足500KG，出钢后钢包吸热及
抽取负压过程造成的大量
热损失，考虑不锈钢流动性差，我们选取的钢水浇铸时的过热度为70～100℃，对于含Ti的321不锈钢选中高值，对于2304不锈钢则选中低值；所试验的321不锈钢浇铸温度设定在1590℃～1610℃，所试验的2304
双相不锈钢浇铸温度设定在1605℃～1625℃，
[0049] 2)造型砂箱应采用箱壁抽真空的结构，浇注前5分钟加上负压，型砂粒度在20～40目时，铸钢件浇注时以0.03～0.06MPa为宜；根据工艺要求，配备大容量的真空负压系统，有利于型腔的定型，2台45KW的真空
泵有助稳定的充型和
预防意外情况的发生。
[0050] 所述造型砂待开箱后回收利用，严格控制型砂的回用处理质量，要保证型砂生产使用时符合工艺技术参数的要求，特别是型砂中粉尘的含量必须严格控制，防止浇注砂箱的透气性因粉尘而降低，造成铸件模样的热分解产物不能及时排出浇注型腔，而增大铸件的增碳几率。
[0051] 3)浇注时应先小流慢浇，做到白模先烧后浇，在确保有部分白模被烧掉气化，留出钢水充填必要的空间，然后大流浇注，在负压下，白模被气化后抽出，在钢水充填到冒口部位后，钢水应改大流为小流，浇注时应始终保持浇口杯充满；
[0052] 浇注时选择可控制浇注流量、速度，避渣、预热、与钢水PH值匹配的浇注钢包。其中，由于不锈钢相对铸铁及普通
碳钢更加粘性，因此在浇注过程中应选择大流开浇、浇注速度及温度要高于铸铁或铸钢，再采用摇包浇注时应先打渣并通过茶壶包形式避渣浇注，浇注钢包必须选用中性捣打料打结包衬或高铝砖砌筑，不得用粘土砖或石英砂等酸性耐火材料，并且不低于800℃的预热烘烤，这是确保铸件合格的第四个关键点。在浇注前要对浇包整体检查，浇嘴要修补并清理干净；在浇注时浇嘴距离浇杯越小越好，保持最优的临界高度与临界速度，最佳距离为40mm。相同的铸件浇注工艺和造型工艺不同，在相同浇注温度浇注钢液时其实际充型温度是完全不相同的。如浇注温度提高，将造成铸件模样热分解加快而不易完全气化，使热分解的产物在液相中的量增加，同时因钢液与模样的间隙较小，液相中的热分解物常被挤出间隙后，被挤到模样涂料层和金属液之间或钢液流动的冷角、死角，造成接触面增加，碳浓度增加，渗碳量也将增大。同时特别要注意，如铸件浇注工艺和造型工艺不合理，钢液浇注温度过高且浇注速度太快，将会造成冒气、反喷的生产事故发生。
[0053] 以慢--快--慢的浇注手法进行先烧后浇工艺，保持浇冒口的
大气压力状态，选用良好的发热保温剂，加强对浇冒口的补缩。浇铸时应先小流慢浇，做到白模先烧后浇，但并非全部把白模烧干净后浇铸，而是确保有部分白模被烧掉气化，留出钢水充填必要的空间，然后大流浇铸，确保钢流快速充型，在负压下，白模被气化后抽出，极少量碳化物等残渣一部分被冲到事先预留在铸型下部的泄渣孔，还有一部分在钢水充填过程中沿浇道上浮到冒口部位。在钢水充填到冒口部位后，钢水应改大流为小流，确保钢水补缩充分。
[0054] 对超低碳不锈钢铸件的浇注，应尽可能采用底注方式。使浇注钢液的充型流动平稳，模样热分解产物能顺利进入集渣腔或冒口中，从而降低和减少模样热分解产物中液相和固相的接触反应时间，降低和消除增碳几率。
[0055] 4)浇注时确保浇注负压值不低于-0.04MPa，保压时间时间5～15分钟，保温2小时翻箱；在浇注时要严密观察砂箱与真空罐的负压值，根据浇注情况灵活调整。超低碳不锈钢铸件生产浇注时，要提高浇注砂箱的真空度。造型砂箱应采用箱壁抽真空的结构，在浇注时箱壁抽真空能加速热分解物逸出涂层到型腔外，从而减少模样热分解产物的浓度和接触时间，降低或避免铸钢件的渗碳、积碳现象。型砂粒度在20～40目时，铸钢件浇注时以0.03～0.06MPa为宜。如果负压度过大，将会引起铸件粘砂及其它缺陷的发生。浇注前5分钟加上负压，负压度为-0.04～0.05MPa，过大的负压度将会造成铸件夹渣缺陷，甚至造成塌箱，钢水按以上提到的该钢种液相线温度以上一定的过热度要求出炉，出炉后镇静3～5分钟，温度降至过热度40℃～70℃时开始浇注，浇注时应始终保持浇口杯充满。本规格铸件质量约
480kg，浇注时间为50～60秒。
[0056] 5)浇注完后维持负压5～10分钟，30分钟后即可开箱。
[0057] 通过对选用优质碳素废钢及铬铁、钼铁、金属镍等铁合金进行科学配比，以实现熔炼后满足该材料的化学成分要求，再通过
冶炼、精炼获得比较纯净且符合化学成分及一定温度要求的钢水。一般静态铸造选取的钢水出钢温度比钢种液相线高30℃～100℃，由于消失模工艺是在负压下进行浇铸，抽取负压过程中热量损失更大，根据此次浇铸的工件规格大小，我们设定的出钢温度比钢种液相线高130±10℃。浇注完后维持负压5～10分钟，30分钟后即可开箱。
[0058] 6)本
专利首次公布了采用该新型工艺成功地生产出的C≤0.03％的超低碳的不锈钢2304(国标022Cr23Ni4Mo)、最大重量超过480KG的不锈钢铸件情况。其化学成分构成为(％)：
[0059]
[0060] 通过本发明采用超低碳的不锈钢2304(国标022Cr23Ni4Mo)铸造直段转鼓与锥段转鼓，进行超低碳双相不锈钢2304化学成分
跟踪如下表：
[0061]
[0062] 通过化学成分跟踪表可见，本发明对碳元素的成分进行控制要求，含碳量不大于0.03％，采用消失模工艺依然满足了超低碳的不锈钢2304国标022Cr23Ni4Mo的成分控制要求，克服了现有技术瓶颈。
[0063] 选取上述锥段转鼓试样进行性能测定：
[0064] (1)拉力实验：
[0065]
[0066] (2)冲击实验：
[0067]
[0068] (3)硬度实验：
[0069] 进行三次硬度测定，HB值为199、199、198。
[0071] 经100％PT检测和
超声波检测，未发现不可接受的显示缺陷和问题，符合JB/T 4730.5-2005 II级标准。
[0072] (5)根据金
相图报告，组织：奥氏体+铁素体α铁素体约占整个组织的50％。
[0073] 通过上述性能测定，可见经本发明工艺铸造的锥段转鼓铸件，各方面的综合性能与其它静态铸造工艺无异，均满足不锈钢静态铸造标准中的各项性能指标。
[0074] 以上对本发明所提供的一种超低碳不锈钢消失模铸造工艺进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加
权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本
说明书内容不应理解为对本发明的限制。
