石墨在精密鑄造中的應(yīng)用

精鑄件的缺陷如氧化夾雜、表面麻坑、縮孔縮松、裂紋等等都是在金屬液澆注到型殼中后的瞬間產(chǎn)生的，要避免和減少鑄件的缺陷最理想的途徑就是，一是要保證金屬液的純凈和最合適的溫度；二是要盡量使型殼的特性能適應(yīng)和順從不同金屬液在注入不同型殼時(shí)，金屬液冷凝過程中的不同變化。對(duì)于后者，業(yè)內(nèi)同仁已成功的采取了許多外部的措施，如采用加碳蓋箱法，使金屬在還原氣氛下冷卻，以防止易氧化鋼種的鑄件表面產(chǎn)生麻坑；又如將型殼澆注前局部沾水或澆注后局部吹風(fēng)噴水，改變鑄件凝固順序，以防止鑄件局部產(chǎn)生縮孔。諸如以上類似的方法很多，但大多是從型殼以外去采取的措施，本文作者受國外經(jīng)驗(yàn)的啟示，從型殼本身的材料進(jìn)行改變，將石墨材料引用到制殼材料中，從尋找合適的石墨材料以及在不同結(jié)構(gòu)鑄件和不同金屬上進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，獲得了一些實(shí)際的體會(huì)，為今后石墨砂和粉在制殼中的推廣應(yīng)用將起一定的推動(dòng)作用。

1.對(duì)石墨的基本認(rèn)識(shí)

1.1. 石墨是碳元素的同素異形體。自然界中由碳元素組成的固態(tài)物質(zhì)可分為兩大類，即一類為無定形結(jié)構(gòu)的非晶質(zhì)物質(zhì)，如木炭、焦炭、煤、活性炭等，另一類為晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，有金剛石和石墨兩種。也就是說碳有三種同素異形體，它們是金剛石、石墨和無定形碳。石墨的來源有兩種，一種是天然石墨，大自然中蘊(yùn)藏著豐富的石墨礦，中國是世界石墨礦儲(chǔ)藏量笫－位的國家，主要分布在黑龍江、山東、河南、湖南等諸多省份，我國天然石墨來源豐富：另－種是人造石墨，是以人為的方法將高純的無定形碳進(jìn)行石墨化，人造石墨的純度更高，有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2.天然石墨。根據(jù)碳原子的晶形結(jié)構(gòu)和大小的不同，可分為三類：①致密結(jié)晶狀石墨，又稱塊狀石墨。石墨晶體直徑大于0.1毫米，晶體肉眼可見，但排列雜亂無章，呈致密的塊狀構(gòu)造，其特點(diǎn)是礦中碳的品位較高，一般為60%-65%，有時(shí)達(dá)到80%-98%，可塑性和滑膩性不如磷片石墨。②鱗片石墨，石墨晶體呈魚鱗狀，為片層狀的晶體結(jié)構(gòu)，層內(nèi)的碳原子排列成平面六邊形，每個(gè)碳原子以三個(gè)共價(jià)鍵與其他碳原子結(jié)合，而層與層間的碳原子是靠分子間作用力相結(jié)合的，其特點(diǎn)是礦中碳的品位一般不高，通過多磨多選可獲得鱗片石墨精礦，它與水基溶液不易混合，它的可浮性、潤滑性和可塑性優(yōu)于其他石墨，工業(yè)價(jià)值大。③隱晶質(zhì)石墨，又稱土狀石墨。石墨晶體直徑小于1微米，在電子顯微鏡下才能見到晶形，它是微晶石墨的集合體，其特點(diǎn)是礦中碳的品位較高，一般碳含量為60%-80%，少數(shù)高達(dá)90%以上，礦石可選性差，表面呈土狀，缺乏光澤，潤滑性差，但易與水基溶液混合。

天然石墨是在高溫下形成的變質(zhì)礦床，含有SiO2、Al2O3、FeO2、CaO、P2O5、CuO等雜質(zhì)，常與石英、黃鐵礦、碳素鹽等礦物形式出現(xiàn)，還含有水、瀝青、CO2、H2、CH4、N2等氣體，雖經(jīng)過選礦處理，但使用天然石墨時(shí)至少要檢測其固定碳、硫、灰分、揮發(fā)分、等主要指標(biāo)。詳見表一。

1.3.人造石墨。它是用優(yōu)質(zhì)的粉狀的經(jīng)過煅燒的石油焦為原料，加入瀝青作粘結(jié)劑，通過擠壓、模壓或等靜壓的方法壓制成形，再在2500℃-3000℃非氧化性氣氛中進(jìn)行石墨化處理而獲得的石墨質(zhì)產(chǎn)品，如電極及各種形狀的石墨制品，由于經(jīng)過煅燒后的石油焦的碳含量高，雜質(zhì)少，又經(jīng)過高壓成形，因而這種人造石墨具有高純度、高密度、高強(qiáng)度的特點(diǎn)見表二，按純度和致密度可分為普通人造石墨和高純致密石墨，在制造業(yè)和科研上有廣泛的用途，即使用廢了，仍可將其破碎成砂和粉亦稱為石墨碎，可作為優(yōu)質(zhì)的石墨材料使用。

2.石墨的特性及在精鑄制殼材料上應(yīng)用的可行性

石墨呈灰黑色，質(zhì)軟，人為加壓成形的人造石墨質(zhì)地較硬，比重為1.9~2.3，熔點(diǎn)高達(dá)3850±50℃。它的主要特性是：耐高溫，即使在超高溫的電弧灼燒下，重量損失也很??；線膨脹系數(shù)很小為2×10-6，是電熔剛玉的1/4，鋯英石的2/5，因此抗熱震性高，溫度突變時(shí)體積變化也小，故不會(huì)因此的加入而使模殼產(chǎn)生裂紋；導(dǎo)電性極好，導(dǎo)熱性超過鋼鐵等金屬材料，特別的是導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低，在高溫下石墨幾乎是絕熱體；化學(xué)穩(wěn)定性好，不與酸堿及有機(jī)溶劑起反應(yīng)；此外還有很好的可塑性、潤滑性和高溫強(qiáng)度。

在鑄造生產(chǎn)中，對(duì)石墨并不陌生，如在金屬熔煉中用石墨作為增碳劑，電弧爐煉鋼用的電極及熔化有色金屬的坩堝都是石墨制品，在鑄鐵及有色金屬的砂型和金屬型鑄造中用石墨作鑄型表面的涂料也非常普遍。根據(jù)石墨的許多優(yōu)良特性，在精密鑄造制殼材料中有選擇的使用石墨材料，以達(dá)到以下幾個(gè)目的應(yīng)是可行的。

2.1.利用石墨在高溫下與氧反應(yīng)，形成還原性氣氛，保護(hù)注入鑄型的高溫金屬不被氧化。石墨在低溫下幾乎不氧化，400℃以上才開始輕微氧化，隨著溫度升高氧化速度加快，并生成CO2或CO, 當(dāng)在1000℃以下時(shí)C + O2 ＝ CO2 ，在1000℃以上時(shí)2C + O2 ＝ 2CO ，因此為達(dá)到這一目的，可在過渡層中選用高純致密的人造石墨砂作撒砂材料，－當(dāng)高溫金屬進(jìn)入型殼的型腔中，產(chǎn)生的還原氣氛更靠近型殼面層接觸的金屬，對(duì)金屬防氧化的較果更好，但同時(shí)也不必?fù)?dān)心過渡層的石墨砂會(huì)在型殼焙燒中燒蝕而潰退，一方面是高純致密的人造石墨砂氧化失重速度很慢，見表三，另一方面石墨砂是被包復(fù)在硅溶膠的漿料中有一定的保護(hù)作用，而且在箱式焙燒爐中焙燒型殼時(shí)，都是在缺氧狀態(tài)下且焙燒時(shí)間短，石墨砂粒失重有限，不足以影響型殼強(qiáng)度。

2.2.利用石墨在高溫下的絕熱性，可增加金屬液對(duì)型殼薄壁型腔的充型能力，還可改變型殼局部散熱能力，達(dá)到改變鑄件的冷卻凝固順序。為了達(dá)到這一目的可在型殼的笫三層及以后層次用人造石墨砂代替煅燒高嶺土砂，表四是我們使用的石墨砂的主要成分，由于石墨在高溫型殼中的隔熱作用，金屬液注入型殼后散熱慢，延長了金屬流動(dòng)時(shí)間，其好處是一方面鑄件特簿部位不易欠鑄，另一方面是由于金屬凝固時(shí)間延緩，厚壁鑄件的補(bǔ)縮通道不致很快堵塞，從而增加澆冒口對(duì)鑄件的補(bǔ)縮能力，而且還可在型殼需要緩冷部位，單獨(dú)的撒石墨砂，使型殼各部有不同的冷卻速度，彌補(bǔ)工藝設(shè)計(jì)的不足，克服鑄件的縮孔縮松傾向。

2.3.利用石墨在型殼焙燒過程的氧化逸散，在型殼中形成均勻彌散的微孔，從而增加了型殼的透氣性和潰散性。為實(shí)現(xiàn)這一目的，可在背層漿料的最后兩層和封漿層中加入一定比例的天然石墨粉，可以選用塊狀或土狀天然石墨粉，我們使用的天然石墨粉的成分見表四，由于石墨顆粒細(xì)小，天然石墨中固定碳稍低且有揮發(fā)物，故在型殼焙燒中就會(huì)部分燒失，既使型腔成還原氣氛又增加型殼透氣性，若單純?yōu)榱嗽黾有蜌さ耐俗屝?，使簿壁長形的鑄件不致因收縮受阻而裂紋，并不計(jì)較其準(zhǔn)確的尺寸時(shí)，即可在背層的前幾層漿料中就加入石墨粉，加入量也可適當(dāng)增加。

3．應(yīng)用舉例

3.1 應(yīng)用于形成還原性氣氛

有些材質(zhì)的金屬液在凝固過程中對(duì)還原性氣氛有特別要求，但有的鑄件往往受結(jié)構(gòu)和工藝條件的限制，制造的還原性氣氛難以滿足鑄件的要求克服“麻點(diǎn)”。如圖四鑄件的材質(zhì)ZG20Cr13，質(zhì)量34.3Kg。在圖示“A”區(qū)59mm處有個(gè)肥厚塊，即有個(gè)相對(duì)獨(dú)立的熱節(jié)區(qū)，設(shè)置的冒口受23mm兩槽的影響，極易在兩槽的轉(zhuǎn)角處形成縮裂，澆注完后采用兩至三次的補(bǔ)澆冒口解決了縮裂，但卻延誤了最佳的“蓋箱”時(shí)間，鑄件的表面已在氧化性條件下凝固結(jié)殼而出現(xiàn)大面積的“麻點(diǎn)”。 我們采用在制殼的第四層撒石墨砂替代莫來砂，當(dāng)金屬液澆入型殼后，石墨在殼型內(nèi)形成一道“CO”的還原性氣膜絕熱層，同時(shí)鑄件的表面凝固時(shí)間被推遲，一方面金屬表面“麻點(diǎn)”的形成條件受到了限制，同時(shí)也使金屬液的“補(bǔ)縮”通道向著順序凝固的有利方向走，等補(bǔ)澆完畢再“蓋箱”，雖然中間有4～5分鐘的時(shí)間，鑄件清理后的“麻點(diǎn)”問題卻很少見或不可見。

圖五為紫銅鑄件重5.1Kg，一串兩個(gè)和澆注系統(tǒng)共重21Kg。純（紫）銅是純金屬，液態(tài)純金屬的凝固與合金不同的是沒有凝固區(qū)域，固體與液體由同一界面(稱為凝固前沿)清楚地分開,由外至里逐層向內(nèi)凝固，這樣的凝固方式其凝固時(shí)間特長。純銅極易氧化和吸氣，是因?yàn)橹饘幽毯湍虝r(shí)間特長所引起的。故鑄件表面易產(chǎn)生針孔、麻面、黑色的裂口等缺陷，鑄件斷面組織粗大。若采用在還原性氣氛條件下冷卻能有效的控制質(zhì)量。這點(diǎn)不難理解，如果是采用砂型鑄造一般都會(huì)采用干型并在其型腔表面刷石墨涂料，這就昭示了前述的還原性氣氛條件下的冷卻方法。針對(duì)此件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的凝固特性，補(bǔ)縮采用向澆冒口補(bǔ)澆4～5次銅液，時(shí)間間隔共有幾分鐘。如果再采用常規(guī)的硅溶膠制殼工藝制殼，“蓋箱”所制造的還原性氣氛，遠(yuǎn)不能滿足及時(shí)性的要求而沒有什么作用。為此我們制定的制殼工藝是在第三層撒16～30目的石墨砂，第四層撒10～16目的石墨砂，共七層加封漿，之前之后的硅溶膠的制殼工藝沒有改變。焙燒溫度設(shè)定850℃，保溫時(shí)間25分鐘，鑄件加工后沒有發(fā)現(xiàn)問題。圖五右展示的是將澆注后的模殼敲破后的斷面和與金屬液接觸的表面狀況。觀察其澆口杯處（方框內(nèi)）已不見黑色的石墨砂顏色，即可認(rèn)為是被完全氧化了，但也沒有出現(xiàn)明顯可見的被“燒”掉的孔洞存在；在其下部石墨砂層仍“犬牙交錯(cuò)鑲崁”在涂料層間依稀可認(rèn)。之前焙燒溫度設(shè)定1050℃，保溫40分鐘，鑄件澆注后清理型殼時(shí)，石墨層把加固層分離，面層和過渡層依附在鑄件上，此兩層的石墨顏色由黑變褐黃，清理后的鑄件表面全部是“麻坑”，大的有4～5mm大，小的也大于1mm以上,棱角也不清晰，鑄件全部報(bào)廢。我們將在此溫度和保溫設(shè)定下焙燒好后的模殼打開，斷面的顏色同前述基本一致，那么可以肯定的是與金屬液的澆注溫度和速度無關(guān)，主要在焙燒上，由于“過燒”致使“碳”成分被氧化掉，當(dāng)銅液澆入型殼后，還原性氣氛的基本物質(zhì)條件不存在了，因此出現(xiàn)上述問題的癥結(jié)也就在情理之中了。

3.2．解決厚薄不均的模殼結(jié)構(gòu)而引起的焙燒不透現(xiàn)象

有些鑄件的溝槽或結(jié)構(gòu)性的局部位置凹陷，形成的模殼層間連在一起形成“搭橋”，本是四層的或五層的型殼，此處可能就是乘以2倍的關(guān)系，變成八層十層或更厚了，在一個(gè)模殼里壁厚相差懸殊太大，焙燒爐內(nèi)是很難燒透和燒均勻的。過厚的局部地方燒不透鑄件上易形成侵入性氣孔，反之另一種情況是將肥厚的地方焙燒透了，費(fèi)時(shí)費(fèi)能源的同時(shí)還易產(chǎn)生變形或伴隨其它問題的發(fā)生。同時(shí)過厚的模殼也使蓄熱系數(shù)增大，散熱慢鑄件此處容易產(chǎn)生縮孔、縮松等問題。圖六示鑄件的材質(zhì)是“SCS13”，鑄件的中部有一凹槽，模殼工藝要求7層加封漿，制完殼后此凹槽處剛好填平（在粘漿的過程中此槽也容易淤漿也是造成填平的原因之一），此處的模殼層實(shí)際厚度最少是12層的結(jié)構(gòu)。模殼的焙燒時(shí)此處很難燒透，易產(chǎn)生“麻點(diǎn)”。我們?cè)捎眠^第五層后填砂，但由于封閉困難，焙燒后漏砂致使在澆注過程中出現(xiàn)“漏鋼”，斷芯或孔變形、或兩孔間不同軸現(xiàn)象的缺陷?，F(xiàn)采用在第五層后撒石墨砂，在焙燒的過程中石墨即使完全被氧化（燒掉），但此層的涂料漿形成的網(wǎng)絡(luò)仍是相互連接的，燒損的只是鑲崁的石墨而已，事實(shí)也證明了它的基本強(qiáng)度仍可抵御金屬液的沖擊，這是其一；其二當(dāng)焙燒燒到石墨層時(shí)，石墨的“高溫絕熱”性質(zhì)便開始發(fā)揮“效益”了，如果我們把它理解為有一種“放熱”作用，那么這個(gè)石墨層就是一個(gè)“熱火層” 。因而此處的型殼焙燒時(shí)間不但不需要延長，相反還可縮短。由于石墨砂的加入，模殼的焙燒層間被割裂，就是說模殼的焙燒厚度要比實(shí)際的模殼厚度薄多了；其三在焙燒的過程中，石墨砂受焙燒時(shí)間的長短和氧化氣氛或氣場強(qiáng)弱影響，必然出現(xiàn)或多或少的“燒損”而出現(xiàn)空隙，空隙利于保溫，如果石墨未燒盡，它本身就是保溫絕熱的。對(duì)鑄件而言利于透氣，對(duì)澆注系統(tǒng)而言利于補(bǔ)縮；其四由于石墨層受澆注后的金屬液繼續(xù)高溫和氧化作用，石墨出現(xiàn)更多的“燒損”而成為灰分，使模殼層間出現(xiàn)更多的空隙，相對(duì)震殼清砂就容易多了。

3.3．應(yīng)用于改變型殼局部的冷卻速度

作為熔模鑄造工藝對(duì)組樹、制殼、清理和打磨而言，在滿足鑄件要求的條件下應(yīng)是越簡單越好，但其中有些結(jié)構(gòu)性問題需要增加一些措施以防止鑄件的縮孔、縮松，如模殼做到一定的層數(shù)后在其某部位上刷蠟后再制殼，焙燒后某部位形成空隙，即“空隙保溫法”。此法對(duì)鑄件局部補(bǔ)縮效果好但操作有些麻煩。

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圖七右文字說明的位置，在未加石墨砂前容易發(fā)生縮孔，因?yàn)樽詈竦谋诤衽c孔壁厚度差是2.5:1，盡管球形冒口有足夠的補(bǔ)縮能力，但因孔壁與下壁厚相差太大，下部還未冷卻需要金屬補(bǔ)縮時(shí)，孔壁的卡“脖子”使冒口的金屬液補(bǔ)不下去而出現(xiàn)圖示處的縮孔。圖七左示那片區(qū)域的那一面，在第五層撒入石墨砂后，補(bǔ)縮的通道通了，縮孔問題也隨之解決。不然的話要設(shè)置“馬鞍形”澆口才得以保障不出現(xiàn)縮孔，同時(shí)還會(huì)給澆口的分離和工藝出品率等帶來不利的影響。其基本原理同前3.2所述一樣。

3.4．解泱脫殼清理的困難

模殼清砂難的解決辦法很多，但在實(shí)施過程中往往受鑄件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、大小、批量和場地等因素的影響，這里需要特別指出的是鑄造材質(zhì)的影響最為突出。

圖八所示全部為銅合金(含青銅和普通黃銅)鑄件，重量最重的有1.67Kg，最輕的才5.5g。銅合金鑄件在澆注過程中，金屬液與碳無化學(xué)反應(yīng)，凝固過程中產(chǎn)生的還原性氣氛也有益于銅不被氧化，但銅合金沒有紫銅對(duì)還原性氣氛要求得那么強(qiáng)烈。石墨經(jīng)焙燒和與銅合金液接觸后的再“燃燒”，使得模殼只剩下漿料的網(wǎng)絡(luò)架，但還沒有“散架”，其鑲崁的石墨砂粒已燒蝕分離，不像其它的氧化質(zhì)耐火材料（如莫來石砂）仍“死死地”鑲崁在涂料漿形成的網(wǎng)絡(luò)架里，這樣就給脫殼清理工作帶來了很多的便利。使用石墨砂后，在同樣的漿料情況下相比用石英砂質(zhì)材料的硅溶膠型殼，還是加石墨砂的好清砂些。這是由于模殼的焙燒溫度相對(duì)的低，再加之鑄造的銅合金材質(zhì)的澆注溫度較鑄鋼件而言也低得多。在這種條件下用熔融石英來改善脫殼性也是不可行的，因?yàn)樵阢~合金的澆注溫度下熔融石英不可能實(shí)現(xiàn)晶形轉(zhuǎn)變。為此我們對(duì)于小于0.5Kg的銅鑄件，在第二層（過渡層）就直接撒石墨砂，連續(xù)作兩層或三層。一般情況下大于0.5Kg的銅合金鑄件,考慮到金屬的重力產(chǎn)生對(duì)型殼的的脹力給鑄件表面和尺寸可能帶來的影響，石墨砂要做到過渡層之后比較可靠。這樣對(duì)現(xiàn)場而言，盡量地減少材料品種和使用設(shè)備，對(duì)工藝管理也是有利的。

4．結(jié)束語

4.1在硅溶膠精鑄型殼中，多方面和多種產(chǎn)品上使用石墨砂的實(shí)踐，說明石墨砂在形成型殼內(nèi)腔的還原氣氛以及它在高溫下的絕熱性和燒蝕后的潰散性等三個(gè)方面的特性，對(duì)優(yōu)化精鑄型殼工藝和改善精鑄件的質(zhì)量的作用是不容質(zhì)疑的。早在上世紀(jì)九十年代美國有些精鑄企業(yè)為克服400系列不銹鋼精鑄件表面麻點(diǎn)的缺陷，就在過渡層使用了石墨砂。國內(nèi)也早有企業(yè)在最后兩層漿及封漿中加入石墨粉以提高型殼透氣性和潰散性。

4.2. 對(duì)石墨砂粉的使用應(yīng)該是有選擇的，而不能作為一個(gè)通用的工藝，我們使用石墨砂粉的目的是補(bǔ)充完善原有通用型殼特性的不足，因此應(yīng)由工藝人員根據(jù)鑄件不同金屬材質(zhì)和不同形狀結(jié)構(gòu)來決定石墨砂粉的使用工藝，即用什么規(guī)格要求的石墨砂或粉，用在哪－層上等等，并且應(yīng)通過試驗(yàn)取得確實(shí)效果后才能編入正式的制殼工藝中。

4.3. 選擇質(zhì)量合適的石墨砂是關(guān)鍵，為達(dá)到使石墨砂用在過渡層，當(dāng)高溫金屬液進(jìn)入型腔后能及時(shí)形成還原氣氛的目的，就必須使用能耐高溫的石墨砂，使它在焙燒過程中不致提前被燒蝕。如前所述，石墨的種類很多，用途各不一樣，目前我國尚未開發(fā)和形成適用于精鑄專用的石墨砂，我們推薦使用以高純石油焦為原料，經(jīng)高溫石墨化的人造石墨制品的破碎料稱為石墨碎，這種石墨碎還不能直接使用，必須經(jīng)過篩分，使粒度符合過渡層和背層砂的要求，顆粒要均勻且不夾有粉料，這種人造石墨砂才具有高純度、高密度和高強(qiáng)度的特性，也才具有抗高溫的性能。因此對(duì)這一工藝有興趣的單位，可優(yōu)選合適的石墨制品企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，通過行業(yè)交流形成我國精鑄行業(yè)的一種特殊的專用制殼材料。