消失模铸造缺陷分析[1]

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第一章模型缺陷

消失模铸造工艺第一步工序是生产模型。原始珠粒含有发泡剂，其粒度与食糖相当，首先通过加热进行“预发泡”得到“预发”后珠粒。然后再使预发珠粒冷却，再通过加料枪吹入模具制作模型之前，一般需要将预发珠粒存放4—8小时，使它稳定化。预发珠粒吹入模具之后，模具加热使珠粒进一步膨胀而融合在一起。模型生产以后，需要存放大约一个月使其充分稳定化，然后可运往铸造厂进行浸涂、干燥、填砂紧实和浇注，下面概括介绍消失模模型可能引起的缺陷。

1．1模型充填不足

模具充填珠粒是模型成型操作的关键工序，充型不足会造成模型局部不完整或密度不够。图1表示充型不足的两个实例。充型不足是由于吹入模具的珠粒数量不够造成的，珠粒不能充满整个模腔，这种情况可能是由于充型时间过短、排气孔或加料枪堵塞造成的，充型不足的表现是模具内珠粒数量不足，模型表面

（B）图1 充型不足的两个实例不光滑，这样使模型表面比较粗糙，局部密度低，而且模型尺寸难以控制。充型不足也可能是由于模具上加料枪位置不合理或型号错误所致。在设计模具时应充分考虑珠粒进料的基本方式。必须事先确定加料枪的数量和位置。模型局部厚大部分排气孔的数量和位置以及每个加料枪所充填的模腔体积。如果充填效果不好，可稍使模具开启或提高充填吹气压力，可以改善珠粒的充填效果。

模型未融合与充填不足模型缺陷的外观看上去很类似。在未融合的情况下，充入模具型腔的珠粒是足够的，但是由于模具温度低或加热时间不适当造成珠粒不能充分膨胀和融合，在模具充填不足时，虽然珠粒可以充分膨胀，但还是不能充满整个模具型腔。

1．2 珠粒状模型表面

在模型充填不足或珠粒未融合的情况下，很容易造成珠粒状的模型表面，如图2所示，在浸涂时珠粒状表面容易造成珠粒间（B）图2融合不良的珠粒状模型表面导致侵涂期间涂料渗入珠粒间隙

图示为在10×放大条件下，注意珠粒之间的间隙及有限的接触

（A）图3 聚苯乙烯模型表面光滑、融合良好的珠粒表面（A）10×（B）20×（B）

图4 光学显微照片表明聚苯乙烯模型表面（A）融合不良（B）融合良好25×

渗入涂料，这样在浇注时，珠粒融化热解使涂料层尖峰直接与流动的熔融的金属相接触，涂料层尖峰被冲刷掉入铸件中产生涂料夹渣，而气孔缺陷则与涂料所吸附的聚合物热解直接相关。

1．3 表面珠粒融合不良

模型表面珠粒融合不良的原因在于模具温度低、蒸汽压力低或融合时间不当。融合不良的模型表面容易使涂料向表面珠粒间隙中渗透，在浇注期间容易造成涂料层脱落，在铸铝及铸铁件中容易形成非金属夹杂物和气孔缺陷。模型内部珠粒融合不完全在铸铝件中减少皱皮缺陷，然而，表面珠粒融合良好对生产高质量铸件是至关重要的。

珠粒表面光滑、融合良好的聚苯乙烯模型如图3所示。珠粒边界融合紧密，耐火涂料不会向珠粒之间渗透。边缘融合不良及融合良好的模型表面如图4（A）及4（B）所示。这两张照片是用一般光学显微镜，把模型放在目镜之上进行拍摄的。在边缘融合不良的模型表面珠粒之间具有间隙。如图4（B）所示，珠粒紧密结合，所形成的边界具有最小间隙。

（A）（B）

图5脱模顶杆下面珠粒融合不良放大10×

在脱模顶杆下表面融合不良的珠粒如图5所示。在顶杆下面的模型部位由于蒸汽不足，珠粒不能达到良好的融合。

浇注系统往往采用聚苯乙烯板材切割而成，其内部有许多孔洞，很容易造成涂料向表面珠粒深处渗透。涂料向横浇道切割表面深处渗透的情况如图6所示。在有些情况下，涂料可以渗透到表面珠粒以下深达

2.54mm。铸铝及铸铁件珠粒状表面是由于珠粒状模型表面造成的，这部分内容将在本书第二节“铸铝件缺陷”进行讨论。图6 珠粒状表面表明珠粒融合不良导致横浇道断面涂料渗入

1．4 表面珠粒过烧

模型表面过烧缺陷如图7所示。为清楚地描述珠粒过烧的部位，图中模型表面喷涂渗入了一层颜料。

过烧造成表面珠粒破坏的外观如图8所示。模具局部温度过高容易造成这种缺陷。过烧通常是蒸汽压力过高、蒸汽通入时间过长或模具局部过热造成的。模具局部温度过高容易使珠粒过热，引起珠粒晶胞过分膨胀、燃烧和破坏。珠粒破坏使模型局部表面十分粗糙，不能满足生产要求。图7 表面过烧缺陷处涂以渗透颜料后放大1.5×图8 表面过烧导致表面珠粒破坏的外观分别放大（A）10×和（B）20×

图9模具配合不符引起的模型出现飞边

飞边使模型胶合面积增大并消耗较多的胶合剂

1．5 珠粒飞边或毛刺

为避免在模具分模面处形成飞边，必须减小模具的尺寸公差。图9列举了模具定位不当引起飞边的实例。模具配合面处的飞边一定要去除，否则在分块模型胶合时由于所需胶量过多在胶合面之间产生气体，表面光滑的模具会提高模型的质量，由于铸件严格复现模型，如果这些飞边不去除，就会出现在铸件上，关于铸铝件的飞边将在本书第二章“铸铝件缺陷”进行讨论。

1．6 模型尺寸偏差

模型尺寸偏差及不稳定是由于起模、储运、熟化时间不稳定及成型周期不严格，模型产生无法预料的膨胀或收缩而造成的。使模型尺寸偏差加大的原因包括：模型生产控制不合理（模型密度不一致，局部排气孔和顶杆设计不当，珠粒中戊烷含量不稳定或蒸汽分布不均匀）、模型熟化控制不当（熟化周期不稳定、熟化温度控制不稳定、模型熟化时间及模型密度不同）以及模型操作不合理，尺寸偏差与传统铸造中收缩余量不当十分类似。

熟化是指模型从成型到使用所间隔的时间。模型从模具中脱模后，其晶胞温度还较高，而且可渗透空气、蒸汽及戊烷。脱模时晶胞壁还处在柔软阶段，这样脱模后模型尺寸变化迅速，这是因为蒸汽和戊烷的冷凝、模型吸入空气及水蒸汽所造成的，模型放置几周后产生的较大收缩是由于戊烷的逸出、聚合物结构中的应力释放所引起的。收缩是无法避免的，但是通过采用恒定的成型周期和使用前固定的存放时间，模型尺寸还是可以控制的。

由密度为0.021g/cm3的聚苯乙烯“T”珠粒制作的模型其收缩曲线如图10所示。该图表明在成型后的最初几小时模型尺寸变化很快。戊烷含量、珠粒密度、端面尺寸、存储环境和存储时间对模型尺寸变化都有一定的影响，必须控制以获得可重复生产和时间（日）

图10 密度为0.021g/cm3聚苯乙烯制作的“T”模型的收缩曲线

尺寸精确的模型。一般情况下，高密度模型收缩量小于低密度模型。

在研究某些聚苯乙烯模型尺寸时所用的测试锥台如图11所示。其中对“A”、“B”和“C”处尺寸的测量是从脱模后大约10周后对0.025g/cm3的锥台试件测出的。“A”和“C”的尺寸变化与原始模具尺寸相比

分别如图12和13所示。“A”的尺寸非常靠近加料枪。脱模时模型上尺寸“A”比模具尺寸大约大0.6％，熟化期间尺寸“A”缩小，直到10周后比模具尺寸大约大0.1％为止，如图12所示，大部分模型的尺寸在脱模时都稍小于模具尺寸，而熟化的收缩到小于模具尺寸大约0.7％—0.8％。

尺寸“C”随时间变化如图13所示，脱模时尺寸“C”大约比模具尺寸小0.6%，熟化10周后大约小于模具尺寸的0.7%，尺寸“C”距加料枪最近。

这些数据说明模型几何尺寸和加料枪位置对模型收缩和尺寸的影响，虽然“A”和“C”两处的相对收缩量相同（≈0.5%）最终尺寸还是稍有差别（“A”超过模具尺寸0.1%，而“C”小于模具尺寸1.1%）。模型尺寸的这些偏差可能需要翻修模具。

模型的其他处理过程也会引起尺寸变化：包括排气孔位置，蒸汽分布、蒸汽温度、脱模温度及熟化温度，但变化量非常小。

模型尺寸的变化的测量用目测是无法进行的，为确定模型尺寸的准确性，可以使用样板、坐标测量仪或非接触测量仪进行精确测量。

存放时间（分）

图12和原模具尺寸相比13个密度为0.025g/cm3EPS锥台测试模型“A”尺寸

存放时间（分）

图13和原模具尺寸相比13个密度为0.025g/cm3的聚苯乙烯

锥台测试模型尺寸“C”的变化

1．7 模型污染

模型污染是一个不太严格的用语，表示模型中含有的任何类型的杂质。杂质可能是来自加料枪的灰尘或锈癍、来自压缩空气管道的粉尘、来自压缩空气系统进入空气管道的油污，或在某些情况下来自生产过程的聚合物残渣。

图14中所描述的污染情况是相当明显的，其他类型的污染如聚合物残渣，可能是非常难以清除的。在光线较暗处检测时往往可以看到聚合物残渣，因为它具有荧光性质。

薄壁模型也可以用强背光进行检查，因为它可使聚合物残渣在模型薄壁处产生可见的阴影。图14这种类型的模型污染（1×）是很明显的，实际上其他类型的污染是很难清除的1．8 脱模缺陷

从模具模腔中脱模时必须十分仔细，因为在脱模时模型温度仍然较高而且十分柔软，但容易损坏。

用于脱模的压缩空气所造成的珠粒压陷如图15和16所示，由于压缩空气破坏珠粒表面而造成压陷。（A）(B)图15从温度较高的模具中用压缩空气使模型

脱模时造成的珠粒压陷，A（10×），B（20×）

（A）（B）图16从温度较高的模型中用压缩空气使模型脱模时

造成的珠粒凹陷A（10×），B（40×）

用顶杆脱模也会损坏柔软的模型表面，由机械脱模顶杆引起的模型损坏如图17所示。如果只顶模型的某些部位或顶在成型机某个角上或集中顶在托架某个部位，都有可能造成模型损坏。

图17机械脱模顶杆对柔软的图18储运不当造成模具凹

模型表面造成的损坏痕的一个实例

图19图示为管理不当造成模型损坏的实例中的两幅照片（10×）

1．9 储存、管理和运输造成的损坏

为避免模型损坏和变形，在储存和运输中必须谨慎操作，包装箱可采用木材或其他硬质材料，但模型应该用聚苯乙烯薄片或板条支撑和间隔起来。在装运过程中不小心造成的压痕会如实地复现在铸件上。管理不当造成模型损坏的几个实例如图18—20所示。

图20图示为泡沫模型管理不当造成损坏的照片

第二章铸铝件缺陷

铸造厂接受模型后，首先进行胶合及装配、浸涂、干燥并准备好最后进行生产铸件。浇注前的准备工作包括组装横浇道和直浇道、浸涂、干燥、放入砂箱、填入干砂并将模型周围的干砂震动紧实以便在浇注过程中提供支撑。

2．1 冷隔

冷隔往往在铸件表面呈线形不连续分布，表示在此处两股液态金属前沿相遇但未完全融合。冷隔通常出现在铸件的薄壁处及距离内浇道较远的部位。液态金属在充入铸件过程中常常出现流股分离，流股前沿相遇时不能完全融合。

冷隔处通常含有氧化物薄膜和模型热解残留物，可用光学及电子显微镜进行观察。使冷隔情况加剧的原因包括浇注温度低、液态金属氧化、模型质量低（密度过高、密度不均匀、用胶量过多、表面胶合不良等）以及液态金属充型出现紊流等。

356铸铝汽缸盖断口表面的氧化物冷隔如图21所示。这种冷隔一般出现在液态金属必须流经较长薄壁端面才能到达的部位，在冷隔表面常伴有氧化物薄膜。冷隔表面没有发现肉眼可分辨的

图21356铝气缸盖铸件断面上出现的氧化物冷隔

其他有机残留物，汽缸盖铸件上出现的类似冷隔缺陷如图22所示。

冷隔停流或冷隔折痕类似于冷隔，在铸件表面往往表现为不连续分布，冷隔停流是由于液态金属温度过低在两股金属流相遇

图22与图21所示的356铝汽缸盖铸件上类似的冷隔缺陷

图23消失模铝铸件中薄壁横断面的冷隔

处不能融合。铸铝件薄壁横断面的冷隔停留如图23所示。

造成冷隔停流发生的主要原因是液态金属流动性差（浇注温度低、金属中合金成分不合理及氧化铝含量较高）、模型质量低（密度过高、密度不均匀、用胶过量及模型表面珠粒粗糙），这样在金属充填时加速了热量损耗，以及涂层导热系数过高。

冷隔及冷隔停流与传统铸造工艺所内容能观察到的铸件表面冷隔、轻度冷隔、氧化皮及光亮碳等在性质上是类似的。

2．2 浇不足

浇不足常出现在浇注时，铸件不能完全充满的部位，通常发生在铸件的薄壁处，尤其是液态金属从内浇道必须流经较长距离才能到达的部位。

造成浇不足发生的主要原因是，浇注温度低、金属凝固区域宽、液态金属中含有较高的氧化物聚集、模型密度过高、涂层及

图24铸铝试件薄壁处浇不足缺陷干砂透气性较差以及液态金属充型出现紊流等。铸铝试件薄壁处浇不足缺陷如图24所示。在传统铸造工艺中也可观察到类似的缺陷。

2．3 气孔

铸件中局部气体压力超过金属压头时就会出现气孔。较高的气体压力容易使正在凝固的金属中产生或多或少的球形气孔。气孔通常出现在或接近铸件表面，起直径范围从针头大小到直径6.35mm或更大的孔洞。气孔往往因孔壁表面光滑而和收缩缺陷相区别。气孔缺陷形成的原因是，涂层过湿、模型或胶合剂的有机物残渣、模型珠粒表面融合不良及金属中含有气体。

加剧气孔发生的原因包括：模型密度过高、模型表面粗糙、涂层过厚、用胶量过多、充型时金属紊流卷入气体、聚苯乙烯被包围造成有机物残渣、涂层及干砂透气性过高以及金属浇注温度过高或过低。

356铸铝汽缸盖中的气孔缺陷如图25所示。这种气孔缺陷是

图25 356铸铝气缸盖发生的气孔缺陷注意气孔内表面附有一层黑色碳膜

由铝液包围模型解热产物所造成的，这可由孔隙内部存在的含碳涂层薄膜加以证实。

图26铸铝件薄壁断面处出现的更为分散性气孔图27靠近两股金属前沿相遇冷隔处的与图26所示相似的气孔

铸铝件薄壁断面处更为分散性气孔如图26所示，在靠近两股金属前沿向遇形成冷隔停留处也有类似的孔洞。如图27所示。图26和27所示的孔洞离内浇道有一定的距离。很有可能气体是在金属液流经铸型时卷入的，在靠近内浇道处反而未出现孔洞。图28照片所示413B铸铝排气歧管靠近胶合面的气孔缺陷

图29上图所示为413B铸铝排气歧管缺陷部位抛光断面照片413B铸铝水冷排气歧管中的气孔缺陷如图28所示，模型采用0.027g/cm3聚苯乙烯珠粒制成，浸涂铝硅耐火涂料。气孔缺陷沿内外管之间的胶合面出现，气体逸出途中在此部位受阻。

高密度胶合剂的热解产物产生的气体大于涂层与干砂的综合排气能力，气体背压引起金属在此部位未完全充满前就已凝固。缺陷部位抛光断面如图29所示，缺陷处并无外来物质。

2．4 金属杂质

杂质金属或铁豆都是陷入铸件内未完全熔化的球形金属小颗粒。铁豆通常呈圆球壮，有时包有一层碳质有机残留物质，而且一般都与气孔缺陷相关。在传统铸造工艺中也可以观察到铁豆缺陷。铁豆是在金属进入铸型时冷却凝固的，但在充填铸型后未能与金属重新熔合。

由于充型时金属的紊流，流动的金属前沿也能形成球形金属图30 356铸铝气缸盖断面出现的铁豆缺陷，（A）4×，（B）3.7×

液滴，这样液滴凝固后在铸型完全充满时未能重新熔化，这些液滴可能被液态聚合物所包围，聚合物分解产物被熔融金属包围后产生气相物质不能从铸件中排出。在型壁塌陷处的气孔缺陷中，少量金属渗入孔隙也可形成铁豆。

356铸铝汽缸盖断面上铁豆的两个实例如图30所示，铁豆和铸件皮下气孔密切相关。在气孔内表面有时还会出现碳质残留物。

2．5 显微缩松

显微缩松具有海绵状特性，使金属密度降低。显微缩松一般是分散的，表明它是在凝固阶段形成的。缩松是由于凝固期间不能补缩枝晶间的收缩而造成的。金属中溶解的气体可能与缩松混在一起使缩松体积增大。显微缩松由表面不规则的微孔组成通常出现在枝晶发达的区域，在传统铸造工艺中也经常发生。

加剧显微缩松发生的原因包括，金属中溶解气体，浇注侵涂干燥不彻底的模型，金属充型时发生紊流及浇注温度过高等。图31上图所示为铸铝消失模试件的珠粒状表面

2．6 珠粒状铸件表面

珠粒状铸件表面是由于模型表面融和不良引起的、严重出现珠粒状模型表面造成铸件表面也呈现珠粒状。

具有珠粒状表面的铸件不宜用作承受疲劳及动态载荷的场合，因为珠粒间渗入的涂料可能产生应力集中形成初始裂纹。

356铸铝试件的珠粒状表面如图31所示。铸铁件的珠粒状表面如图32所示。珠粒状表面可与传统砂型铸造中由粗砂或铸型涂料不足造成的粗糙铸态表面相比。

2．7 浇不满

铸型充型不合理会造成浇不满，浇不满可能是由于气体背压造成的。铸型透气性差、浇注系统设计不合理引起气体背压或浇注温度低都会造成浇不满。这种缺陷在传统工艺中也能观察到。图32上图所示为铸铁消失模铸件的珠粒状表面

图33 照片所示为铸件模具错位缺陷

2．8 模具错位

铸件上错边缺陷实际上是与模型生产密切相关的。模具错位往往会导致在错位处产生多余珠粒。模具错位在铸铝锥台试件中心孔处产生的飞边如图33所示，以观察到在加料枪下面珠粒未完全融合，在传统铸造的合箱对位不准确通常很容易造成错箱。

2．9 粘砂和烧结

粘砂和烧结缺陷是砂粒和金属混合在一起粘附在铸件表面金属穿过涂层的裂缝或微孔进入周围的砂粒中就会形成这种缺陷，清除粘砂层时仔细检查粘砂部位通常可以证实铸件表面在凸出的不规则金属带或脉纹状毛刺。涂层裂纹通常是由涂层和砂粒之间结合不良或热膨胀差别过大所引起的，裂纹一般发生在于砂膨胀机械受阻的热节点出如孔及受限的部位。穿透涂层裂纹使金属进入高温干砂中。

319铸铝进气岐管螺栓孔处的粘砂缺陷如图34所示，该铸件采用0.024g/cm3聚苯乙烯模型并浸涂波美度为55—60的耐火涂料，螺孔水平放置，粘砂发生在干砂难以充填紧实的区域。在下面低倍放大的照片（图34（B））中还可发现上述螺孔部位出现冷隔。冷隔是由于模型的解热产物被金属包围所造成的。

图34 319铸铝件发生的金属粘砂缺陷，其中（A）表示砂箱方向穿过粘砂层断面抛光照片如图35所示，在涂层损坏的地方也可发现粘砂，起原因可能是干砂未能提供足够的支撑，铝液穿过裂纹进入密度较低的干砂中。图35 319铸铝件螺栓孔处金属粘砂缺陷的断面照片25倍

烧结是在金属及砂型界面金属和干砂混合不太严重的情况，一般可通过喷丸清理加以清楚。356铸铝测试锥台的烧结情况如图36所示，烧结发生在铸件的尖角处。尖角处干砂持续承受液相线以上的高温，涂层受结构上的约束，使干砂和涂层之间的热膨胀差别加大，尖角处干砂也难以紧实。

图36 356铸铝试验锥台件上的烧结缺陷

2．10 偏芯或漂芯

当砂芯刚度或高温强度不够而承受不住金属充填及凝固期间造成的静、动态压力时，在消失模铸件中也可能发生偏芯或漂芯现象。

图37 采用0.025g/cm3聚苯乙烯模型生产的铸铝件上出现的偏芯和砂芯上浮

（A）此局部断面带有一个盲孔，是从试块的取样

（B）表示铸件涂料和粘砂的一个断面，25×放大

356铸铝件盲孔中的偏芯如图37所示，盲孔下部的小块渗进了涂料，模型的气体热解产物不能通过密实的涂层排出，在铸件表面造成气孔缺陷。盲孔中干砂和涂料受浮力迫使砂芯浮向铸件表面。此类缺陷的另一个实例如图38所示。图38 照片所示为采用0.025g/cm3聚苯乙烯模型生产的356铸铝试块出现的偏芯

（A）型芯断裂伸向铸件面，低倍放大

带有盲孔德一角图示为#280号块

第三章铸铁件缺陷

采用消失模生产铸铁件其工艺过程与生产铸铝件类似，主要区别在于模型所用的涂料具有更高的透气性和耐火度，采用透气性更好的背砂在浇注期间使模型热解气体产物容易排出。

3．1 碳夹杂物缺陷

碳夹杂物是模型或胶合剂解热产物卷入金属所形成的，碳夹杂物在铸型上表面使铸件产生皱皮和折叠，形成冷隔或凹坑。卷入的解热产物通常形成碳薄膜或窄条。由气体造成的小孔也与碳夹杂物有关。

造成碳夹杂物缺陷的因素包括，涂料和干砂系统透气性或导热性差、模型质量低（密度过高、用胶量过大）、浇注系统不合理（金属充填不平稳、金属压头过低、浇注时间过长）、模型放置方向或位置不当（大平面位于铸件上部）以及浇注条件不合理，包括浇注温度低及真空度不够等。

在传统铸铁件生产中也会出现类似的缺陷，称为亮碳缺陷。在传统铸造中是由铸型和砂芯的附和物、粘结剂和分型剂形成的残留物卷入铸件所造成的。亮碳缺陷的外观类似于消失模铸造件中的碳夹杂物。

（A）（B）

图39铸件杆状井盖铸件上出现的碳夹杂物，（A）0.9×（B）200×

重量为2.3Kg的灰铁下水道井盖铸件的碳夹杂物缺陷如图39所示。模型采用0.021g/cm3聚苯乙烯制成，用玻美度为55的陶瓷耐火涂料浸涂，结果铸件表面出现皱皮缺陷。穿过皱皮经抛光的断面，在皱皮处出现碳膜，如图39（B）所示。

铸件采用顶注，设有四个5.1×5.1mm的内浇道，在流经薄壁

（A）（B）

图40 灰铁阀体法兰铸件上的碳夹杂物（A）50×（B）200×图41图40（B）所示试样的碳膜EDX光谱分析结果

断面时充填速度低，使充填不平稳，造成聚合物解热产物（碳残留物）被卷入。加大内浇道面积提高充型速度可消除这种缺陷。

重量为45Kg的灰铁阀体铸件的碳夹杂物缺陷如图40所示。模型采用0.021g/cm3聚苯乙烯制成，用波美度为67—69的铝矾土耐火涂料浸涂，结果在上表面产生皱皮，外观常与碳缺陷物有关。从缺陷断面的基体上发现大片状碳化物，它主要由碳构成，其X-射线能谱分析结果如图41所示。此缺陷处还发现有气孔，气体可能是模型热解产物卷入后产生的。

薄壁灰铁钢套铸件上的碳夹杂物缺陷如图42所示。模型采用0.019g/cm3聚苯乙烯制成，用玻美度为59～69°的陶瓷耐火涂料浸涂，结果产生的皱皮缺陷外观常与碳残留物有关，如图42（A）所示此部位断面如图42（B）所示。此缺陷发生的位置是不多见的因为它出现在铸件的侧面，直接位于内浇道底部，而碳夹杂物缺陷通常出现在铸件的上表面。采用不同的涂料可以消除这种缺陷。

在球铁星型齿轮铸件中碳缺陷与气孔有关，如图43所示，模型采用0.040g/cm3聚苯乙烯板材手工切割制成，为使表面光滑涂上一层石蜡，其X-射线（EDX）能谱缺陷分析的结果如图44所示，缺陷主要由碳组成，同时围绕基体含铁量增多，使用石蜡打光模型粗糙表面及密度相对较高的聚苯乙烯产生的碳残留物难以通过涂料消除，这样就造成了缺陷。

（A）（B）

图42 灰铁汽缸套上的碳缺陷（A）0.9×（B）50×

球铁铸件沿胶合面包含的碳夹杂物如图45所示。在这种情况下，胶合剂解热形成碳缺陷，从胶合面经抛光的断面如图45所示，碳层沿断面表面出现。三个其它消失模铸件上的典型碳残留夹杂物如图47到图49所示。

3．2 粘砂和干砂烧结

（A）（B）

图43 球铁链轮部分的碳夹杂物缺陷（A）25×（B）200×

图44 球铁链轮部分碳缺陷的EDX光谱分析结果

粘砂和干砂烧结缺陷由砂粒和金属的混合物组成，粘附在铸件表面。这种情况是有金属透过涂层的裂纹或孔隙进入周围的干砂中所形成的。

加剧粘砂缺陷趋势的因素包括，局部干砂紧实密度过低、涂层透气性过大，承受高温的部位涂层过薄、金属压头过大以及金属浇注温度过高等。

（A）（B）

图45 球铁铸件沿胶合面包含的碳夹杂物（A）25×（B）200×图46 球铁铸件胶合面上的碳残留物断面（B）200×烧结就是薄层干砂、涂层和金属粘附在铸件表面上，也属不太严重的粘砂，可通过喷丸清理加以清除，粘砂和烧结两种缺陷一般与两个条件有关，即局部干砂紧实不够及铸件表面凝固之前砂温较高，在消失模铸铁及铸铝件中都可产生，但在铸铁件中更

为普遍，因为铸铁温度高、表面张力小以及压头较高。在铸铝件中这种缺陷通常与干砂紧实密度较低有关。在传统铸铁件产生中也会出现类似的缺陷，称为机械粘砂和金属渗漏。这种缺陷一般出现在砂温较高及紧实密度较低的部位。图47 球铁件碳夹杂物

图48 球铁件碳夹杂物缺陷

图49 消失模铸件中典型的碳残留夹杂物缺陷

消失模铸铁件螺栓孔处的粘砂如图50所示。金属凝固之前螺栓孔处砂温较高以及干砂紧实不够二者共同造成这种缺陷。图51

图50 照片所示为铸件穿过螺栓孔的金属粘砂图51 由于紧实不当引起的铸铁件粘砂表示另一个类似的缺陷。注意模型的悬垂部分使干砂在此部位难以充填和紧实。

其他一些铸铁件金属粘砂的情况如图52所示。这种缺陷常发生在内浇道附近，在浇注期间这些部位砂子被过热到很高温度，并且在金属凝固刚开始之前一直保持高温。

图52 铸件靠近内浇道的金属粘砂

图53 灰铁阀盖铸件的金属粘砂50×，干砂密度为1.50g/cm3从灰铁阀盖内部清除的金属粘砂如图53所示，模型采用0.021g/cm3聚苯乙烯制成，用玻美度为51的硅酸铝耐火涂料浸涂，结果缺陷发生在干砂难以充填和紧实的部位以及有厚大金属断面所包围的较薄砂层部位。涂层上产生的裂纹使金属透过涂层将砂粒包裹。与消失模铸型紧实密度要求达到1.62—1.68g/cm3相比，该缺陷部位干砂紧实密度大约为

1.50g/cm3.3．3 紧实变形铸件尺寸变化可能是由于模型变形引起的，模型变形往往是在干砂紧实期间由于砂粒的大量迁移所造成的。这些缺陷在铸铝及铸铁件中都可能发生，尤其在面积较大的薄壁铸件中最为普遍。

加剧紧实变形缺陷的因素包括，砂粒充填速度过快、紧实期间震动加速度过大、砂粒充填不均匀、砂箱震动不平衡、涂层刚性过低（刚度低或涂层太薄）、模型簇设计或放置不当以及模型质量低（胶合面强度过

低、模型密度太小）等。

在传统铸铁件生产中也会出现类似的缺陷，其原因一般是模型翘曲、干砂紧实期间模样及铸型刚性不够以及铸件落砂过早。图54 球铁排气歧管铸件的EPS模型变形，模型密度为0.021g/cm3球铁排气歧管的变形如图54所示，模型采用0.020g/cm3聚苯乙烯珠粒制成，用玻美度为70的硅酸铝耐火涂料浸涂，设两个内浇道，在砂箱中垂直放置，在紧实期间干砂的震动造成排气管变形。改进模型簇设计提高组合刚度可使铸件变形大大减轻。

3．4 非金属夹杂物

非金属夹杂物是由卷入的非金属有机残留物形成的，典型的非金属夹杂物包括干砂、夹渣、氧化物及带入金属内的涂料等。非金属夹杂物常常出现在或靠近模型上表面。由于通常附有碳的残留物，因此非金属夹杂物常显黑色。

加剧非金属夹杂物形成的因素包括，模型质量低（珠粒表面融合不良、内浇道和横浇道用板材切割表面粗糙使涂料渗入、涂层过薄、涂层从模型上脱落）、金属处理不合理（夹渣混入、金属氧化、浇注断流）、浇注操作不当（浇口杯掉砂、干砂隔离不当）以及金属充型速度过快等。

（A）（B）

图55 球铁齿轮轮毂铸件上出现的夹杂物（涂料）缺陷（A）25×（B）200×

在传统铸铁件生产中也经常出现夹杂物缺陷，这些夹杂物可能由夹渣、砂粒、浮渣及耐火涂料组成。

采用表面珠粒融合不良的模型，当金属通过浇注系统快速

（A）（B）

图56球铁齿轮轮毂铸件上出现的夹杂物（涂料）缺陷（A）25×(B)200×浇注时，珠粒之间渗入的涂料就会被带入铸型。气孔缺陷常与涂料夹杂物有关，因为热解产物首先凝结在涂层上，然后被金属包围时分解产生气体，在传统铸造生产中也经常发现气孔与非金属夹杂物混在一起，缺陷与夹渣有关。

冲刷进入某球铁齿轮轮毂的涂料浸蚀碎片如图55所示，图55（B）中的箭头指的是铸件中侵入的砂粒。用硅酸铝耐火涂料浸涂0.024g/cm3PMMA模型进行生产后，浸蚀性涂料在整个缺陷部位不再出现。在球化不良的某些部位还会出现气孔。图57 图56所示的夹杂物缺陷的EDX光谱分析结果

图58 硅酸铝基涂料的能谱X-射线光谱分析结果，其中主要成份为铝和硅

球铁件中的非金属夹杂物如图56所示，金属包围的片状涂层明显可见，在图56（A）中还出现了夹渣。

图56所示涂层的EDX光谱分析结果如图57所示，涂层部分主要由硅和铝组成，并含有少量氧化钙、二氧化钛、三氧化二铁和碳等，其中碳可能来自模型的热分解。附在模型上涂料经EDX（X-射线能谱）光谱分析结果如图58所示。在缺陷的部位可发现含量较高的三氧化二铝、二氧化硅、氧化钙、二氧化钛及三氧化二铁等微区。金和钯的微区来自涂料中的导电材料，片状石墨的行貌表明夹渣可能也是这种夹杂物形成的一个因素。图59 球铁铸件上出现的夹杂物

球铁铸件断口上的非金属夹杂物如图59所示，模型采用0.021g/cm3聚苯乙烯珠粒制成，用硅酸铝耐火涂料浸涂，在高倍显微镜下观察两个缺陷的行貌如图60所示，其夹杂物的组成为夹渣、二氧化硅砂粒和涂层的混合物。

球铁件加工表面的夹杂物如图61所示，模型采用EPMMA：EPS为75：25、密度为0.024g/cm3的聚苯乙烯制成，用硅酸铝耐火涂料浸涂，其夹杂物由二氧化硅砂粒和球铁中的氧化物组成，图61（B）中标有的“A”的氧化物的EDX光谱分析结果如图62所示，其中二氧化硅、氧化镁和三氧化二铁处能峰很高，并带有

图60 照片所示为球铁铸件中由夹渣、砂粒和涂料造成的夹杂物缺陷

（A）200×，（B）25×

所示。其中二氧化硅、氧化镁和三氧化二铁处能峰很高，并带有三氧化二铝、氧化钙及氧化镁的较小能峰。产生这些氧化物最可能的原因是球铁中的局部夹渣产物。氧化物的来源可能包括浇注期间空气的卷入以及模型中含有水分所致。图61（B）中标有“B”的二氧化硅砂粒的EDX光谱分析结果如图63所示。

球铁铸件加工表面的夹杂物如图64所示，其铸造工艺与产生

图61 球铁件中的非金属夹杂物（A）20×（B）60×

61所示缺陷的工艺类似，从夹杂物的抛光断面如图65所示。图65（B）中的残渣有夹渣产物和涂料组成。图65（B）中标有“A”的夹渣产物的EDX光谱分析结果如图66所示，这些产物由三氧化

图62 图61（B）标有“A”的夹杂物的EDX光谱分析结果

图63 图61（B）标有“B”的金属的EDX光谱分析结果

二铝“B”的涂层颗粒的EDX光谱分析结果如图67所示，它主要由硅酸铝组成，氧化性气体也有可能形成这种缺陷。

3．5 偏芯或漂芯

当砂芯刚度或其高温强度较低不能承受充型和凝固造成的静、动态压力时，在消失模铸造中也会发生偏芯和漂芯现象。砂图64球铁铸件中的气孔和非金属夹杂物

图65 球铁铸件中的气孔和非金属夹杂物（A）100×（B）500×

芯透气性差也可能产生偏芯，模型热解生成的气体可能引起局部干砂呈流态化，使砂芯刚度降低，这样和金属静压头共同作用可图66 图65（B）标有“A”的基本材料的EDX光谱分析结果

图67 图65（B）标有“B”的基本材料的EDX光谱分析结果图68 照片表示某EP灰铁铸件中的漂芯缺陷使用高温强度大的涂料可增加砂芯上浮的阻力，填砂紧实时提高干砂温度、施加真空并使砂芯垂直放置，使砂芯承受压力而不受拉力和剪切力，可以防止缺陷的产生，消失模铸造砂芯变形和漂浮与传统铸造非常相似。

铸铁生产比铸铝生产更容易发生偏芯，因为前者金属和干砂密度相差较大。只有涂料的高温强度和砂粒之间的相互嵌套作用力才能保持砂芯处于适当的位置，涂层必须具有足够的强度以抵抗作用在砂芯上的浮力。灰铁铸件中的漂芯现象如图68所示，砂芯长约61mm，垂直放置，涂料的高温强度低不能承受浮力作用，迫使气体分解产物通过砂芯的排出通道受阻或延长，也可能降低砂粒之间的相互嵌套作用。作用在砂芯上的浮力使涂层产生裂纹，使砂芯向螺栓凸台一边漂移。使用高温强度较高的涂料可以消除漂芯现象。

图69 阀盖灰铁件中的干砂流态化模型漂浮缺陷

3．6 模型漂浮

模型漂浮是浇注期间产生的过量气体和金属压力造成的，铸型内部静、动压力较高，将干砂呈流态化，造成模型“上浮”使铸件尺寸涨大，在传统铸件中也有类似的缺陷，称为“抬箱”。

灰铁阀盖铸件箱上的模型漂浮缺陷如图69所示，模型顶部砂层高度不够，在模型分解气体的共同作用下，使干砂流态化，金属静压头迫使铸件移向砂箱顶部，使用压铁、增大顶部砂层高度或抽真空排除气体、提高干砂相互之间的摩擦力都可以消除这种缺陷。

3．7 铸型侵蚀

铸型侵蚀使铸件产生粗糙斑点和多余金属。侵蚀是浇注过程金属冲刷涂层造成的，通常发生在高速流动的金属冲击铸型表面的部位，如曲率半径较小和断面减小的地方。浸蚀缺陷一般是难以接受的，因为冲入铸件的杂质产生非金属夹杂物，导致机械加工问题。图70 此图为由浇注工艺不合理造成的直浇道铸型溃散

缺陷加剧铸型浸蚀缺陷的因素包括，内浇道小使金属充型速度过快、浇注温度过高以及涂层高温强度过低等，在传统铸造生产中也有类似的缺陷，称之为浸蚀、冲砂。

3．8 热裂

热裂是铸件中的拉伸断裂，发生在高温阶段当干砂被加热（膨胀）和金属冷却（收缩）的部位。热裂通常出现在热节处，此处膨胀的干砂约束了金属的收缩。在铸件壁上热裂一般表现为线形或平面裂纹，热裂处往往颜色较暗，因为高温使裂纹表面发生氧化。在传统铸造生产中也发生热裂。

3．9 铸型溃散

铸型或砂芯溃散是干砂从型壁、砂芯或吊砂部位脱落时发生的，铸型或砂芯溃散通常是由于浇注中断造成的，浇注中断使金属前沿停止流动，但因为金属的辐射加热使模型继续烧失，这样使金属和模型之间产生间隙。如果涂层强度不足以承受干砂的压力，就会造成铸型溃散。图71 由浇注速度过慢造成的直浇道铸型溃散缺陷

抽真空提高铸型刚度，快速连续浇注可以使铸型溃散减小到最低程度。在传统铸造中铸型溃散称为“塌箱缺陷”。

消失模工艺底注铸件中发生的铸型溃散情况如图70所示，铸型溃散可能是浇注中锻造成的，液体金属一旦从直浇道排空，干砂压力就造成直浇道砂型溃散。某个类似的缺陷如图71所示。

3．10 结论

以上内容介绍了模型、铸铝和铸铁件在消失模生产中某些常见的缺陷。消失模铸造工艺正在不断发展，可能还会发现更多的其他缺陷。由于描述消失模铸件缺陷的术语比较混乱，这只有通过对资料齐全的缺陷的讨论和认真分析才能最终解决。

在未来的研究中，不仅要对常见的缺陷清楚地分析其主要原因，而且要提出消除这些缺陷的有效方法，这需要人们付出艰巨的努力。消失模铸造铸铁件的皱皮缺陷

消失模铸造（印C）的复印能力极好，可以获得高精度的铸件。但由于受EPS质量、铁水温度，涂料透气性能，真空度等因素的影响，铸件表面会形成皱纹状或桔皮状凹陷，此种缺陷我们称皱皮缺陷。

根据凹陷深度，对皱皮缺陷的程度简单分级如下表：

皱皮深度（mm） <0.1 0.2—0.4 0.5—0.7 0.8—1.0 >1.0

缺陷等级 1 2 3 4 5

《皱皮缺陷的形成》

泡沫模型所用的EPS珠粒各生产厂家的质量不尽相同。铸造用泡沫希望获得较小的密度和较短的气化时间。实验证明，有的EPS泡沫发气时间只有30秒，有的长达100秒，这是由于聚苯乙烯的聚合度、分子量以及发泡剂的含量有所差别，成型发泡工艺条件不同所致。

铁水注入型腔时，EPS泡沫集聚收缩，呈玻璃状塑胶物，同时裂解气化。随着浇注过程的延续，EPS的分解向前推移。

浇注过程中，一部分分解产物通过真空系统排放到大气中；一部分低聚合物在型砂或涂料的空隙，再次凝聚成液状物；还有一部分焦状残留物附着在涂料层内表面（型腔）或卷入铁水里。聚苯乙烯泡沫气化分解过程中吸收大量热能，铁水前沿温度下降很多，假如浇注时残留的胶状物来不及气化，而是呈瘤状物存在于涂层和铁水之间，铁水凝固期间，聚合物进一步分解，因此导致了碳缺陷和皱皮缺陷。

铁水由型腔底部平稳注入时的EPS分解过程。1：EPS型 2：涂料 3：玻璃状EPS 4：气化区 5：铁水

6：亮碳区 7：皱皮区

《EPS密度与铸铁件皱皮缺陷的关系》

实践证明，在相同的铁水温度条件下，EPS的密度直接影响皱皮缺陷的发生。下表是普通铸铁在1380℃浇注时，不同密度EPS模型的皱皮缺陷：

EPS模型密度（g/cm3）皱皮缺陷等级

0.016 0

0.018 1

0.020 2

0.024 4

在生产需要机加工的铸件时，密度大于0.018g/cm3的聚苯乙烯泡沫不宜选用。特别是采用冲天炉熔化铁水，升温困难时，一定要选用低密度的泡沫作模型，能防止皱皮缺陷发生。

《浇注温度与铸铁件皱皮缺陷的关系》

实践证明，相同密度的条件下，铁水的温度高皱皮发生的轻微或不发生；反之，低温铁水一定要发生皱皮缺陷，下表是0.018g/cm3密度的泡沫模型，浇注球墨铸铁件，不同温度时皱皮发生的情形：

浇注温度℃（g/cm3）皱皮缺陷等级

1450 0

1420—1390 0—1

1390—1370 1—2

1370以下 2—4级以上

提高铁水温度，可以加速EPS分解，减少玻璃EPS4及残留物的产生，有利于减轻皱皮缺陷的产生。

《初始负压度》

很多文章对初始负压度列举的绝对值出入很大，常常起误导作用。

笔者多年的实践经验中体会到，负压的绝对值不是固定不变的。为了获得理想的铸件，克服铸件的内在缺陷和外在缺陷，要根据铸件几何形状的不同，型砂粒度的不同，涂层厚薄不同，铁水温度不同和铸件组合的多少而灵活操作。因为，负压绝对值直接影响浇注速度，所以，控制负压值的目的，不要把注意点集中在EPS分解物吸出方面；而要控制铁水的给进速度和EPS气化分解速度同步。因此，笔者的经验是，在保证砂型不塌箱的前提下，负压绝对值越小越好。（请参看笔者的消失模铸造的皮下气孔和增碳一文）

《铸件几何形状与皱皮缺陷的差异》

铸件的相对表面积越大，越有利于EPS分解产物的排出，因此，有人借用模数概念定量地描述EPS模型是否出现皱皮的程度： V

M=—（cm）

F式中：V——EPS 模型体积（cm3）

F——EPS 模型表面积（cm2）

M值越小，皱皮与亮碳缺陷倾向也越小。

试验结果表明，球型铸件，皱皮倾向最大，平板件基本上不产生皱皮。

《结论》

克服铸铁件的皱皮缺陷最关键的有三点：

1 选用低密度的EPS泡沫作模型。

2 高温铁水浇注。

3 控制浇注速度与EPS气化速度同步。