铸钢件气孔缺陷的分析及预防

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　　摘要：熔模铸件容易形成气孔及充型不完整的缺陷，文章对铸钢件气孔缺陷进行调查分析，发现铸钢件气孔缺陷中的侵入性气孔铸件加工易导致铸件报废，而其他气孔缺陷也较为常见，并在分析气孔形成因素基础上提出了预防措施。
　　关键词：钢铸件;气孔缺陷;预防;熔模铸造
　　中图分类号：TG245 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）12-0109-02
　　目前采用铸造的铸钢件占有很大的市场比例。铸件的形状复杂程度及质量要求越来越高，对铸造的铸钢缺陷的防治是铸件成品率及使用寿命的有效途径。铸钢件气孔缺陷为熔模铸造常见生产缺陷，在中温蜡硅溶胶精密铸造中，气孔缺陷常在铸钢件皮下，在机械加工后暴露出来。铸钢件具有较高的内在要求，如果其加工部位多或全身加工，则对铸钢件的危害就非常大，最终导致铸钢件报废，从而给企业带来极大浪费和经济损失。本文基于熔模铸件气孔缺陷的相关类别为切入点，分析气孔缺陷特征，而后针对本公司铸钢件生产条件，应用热蚀方法对熔模铸钢的气孔缺陷进行调查，并分析了预防铸钢件气孔缺陷的方法。
　　1熔模铸钢件气孔缺陷类别
　　气孔，又叫起眼，为熔模铸造的重要缺陷之一。常见于铸件的近表面层、内部及表面等处，且大小不等，形状各异，既有聚集成片的气孔，也有单个的气孔，色彩上多为白色，孔壁光滑。在钢铸件中常见的气孔，依据气孔缺陷形成机理，可以将气孔分为卷入型、反应型、析出型及侵入型等。具体如下：
　　侵入气孔。指的是浇注铸件环节中，金属液体在热的激烈作用下，铸型中的粘接剂、水分等发生气化、燃烧或分解，其产生的气体同型腔中存在的气体在熔模铸件表面聚集，这些气体一些浸入金属液体内部而无法溢出，从而形成空洞。
　　析出气孔。指的是金属液体中溶解的气体，因其溶解度下降，凝固冷却环节中因无法逸出而形成气体。析出类气孔缺陷的尺寸较小，数量多，常表现为针状、圆形或椭圆形，大面积分布在铸件断面，此气孔多是氮气和氢气孔，且较为普遍和常见。导致析出气孔的原因主要是在外界作用条件下，金属扩散溶解剂吸附气体，致使金属液体表面的凝固阻力超过气体浮力，从而产生气孔。
　　反应气孔。多指金属液体的成分间，或金属液体同铸型间发生化学反应所形成的气孔。金属铸型的反应气孔常均匀分布在铸件的表皮之下，多见于表皮下1-3毫米处，需经热处理后方可发现，或机械加工后显现出来。熔模铸钢件的皮下反应气孔多为针状，直径通常是Ф1～3毫米，1～10毫米的长度，针孔方向垂直于表面，孔壁光滑。
　　卷入气孔。在充型及浇注过程中，金属液体中会卷入一定量的气体，这些卷入气体在熔模铸件内产生气孔。该类气孔通常是孤立存在，气孔较大，常见为椭圆形和圆形，多位于铸件中上部。
　　2熔模铸钢件气孔缺陷检查
　　2.1铸钢件生产环境
　　我公司主要生产低合金钢铸件及碳素钢铸件，采用中温蜡硅溶胶铸造工艺。过渡层、表面层均为锆英砂/j盼，莫来粉用于加固层，粘接剂为硅溶胶，撒锆英砂/粉所用机器为浮砂机，蒸汽脱蜡，型壳焙烧，温度为1150℃，炉熔炼频为中频，生产废品中有少量变形及渣孔，其余为气孔，气孔废品率较高。
　　2.2收集样品及其制备
　　在生产加工现场调查720件气孔废品，收集生产样品90件，以砂轮切割机横剖样品气孔缺陷处，先用水砂纸（180目）粗磨，而后用水砂纸（320目）细磨，应用三氧化二铝悬浮液为抛光液进行机械抛光后，将其放入盐酸水溶液内侵蚀，此后即刻用水冲洗干净，以酒精棉擦拭磨面，且吹干，对缺陷进行着色探伤检测。侵蚀剂为盐酸水溶液（1：1），侵蚀温度为60至70℃，侵蚀时间为低合金钢和中碳钢25分钟，低碳钢20分钟。
　　2.3鉴别缺陷
　　常见的气孔缺陷主要为析出型、侵入型、卷入型等气孔。熔模铸钢件析出气孔侵蚀面的整个截面均匀分布有微裂纹和细小孔洞，钢铸件表面很少见到气孔缺陷。而在侵入气孔缺陷鉴别方面，侵蚀面铸件的表皮处存在椭圆形和圆形孔洞，此外其他的都很完整，加工铸钢件的表面表现为局部蜂窝状和单个气孔。铸钢件的表面存在较大的单个孔径气孔，多见于铸钢件上部。
　　3缺陷检查结果和缺陷分析
　　3.1缺陷检查结果
　　在90件样品中，发现侵入气孔缺陷68件，占比75.6%;卷入气孔缺陷13件，占14.4%;析出气孔缺陷9件，占10%。生产现场的720件生产废品中发现侵入气孔缺陷的废品最多，有625件，占86.8%，而卷入气孔仅67件，占9.3%，渣气孔缺陷28件，占3.9%。可见，在熔模鑄钢件中会存在许多的析出型气孔，该类气孔的孔径较小，在加工铸件时给熔模铸件造成的影响相对较小，不至于报废此铸钢件，当然，尽管也存在卷入型气孔，而同侵入型气孔比较，其数量占比很少，而侵人性气孔的熔模铸钢件则最多，占75.6%。为此，在熔模铸钢件生产中，应重点关注侵入气孔缺陷，其是导致熔模铸钢件产品报废的重要因素。
　　3.2气孔缺陷形成分析
　　3.2.1侵入气孔缺陷分析
　　浇注熔模铸钢件过程中，在钢水热作用下，型壳壁产生挥发物质，造成钢水一型壳壁界面生成一定的气体，如果此气体压力符合以下条件，此气体就侵入到钢水内部。P腔+P阻+P液
　　（1）粘接剂类型：硅溶胶型壳湿强度低及干燥速度慢，制壳周期长，若烧温过高会出现热裂陷，加上其收缩性超过铸铁，因此极易出现缩孔缺陷。（2）耐火材料类型：耐火材料类型对型壳透气性也具有重要影响，相较于其他耐火材料，在高温下，石英晶形状的转变则会导致石英砂型壳形成微裂纹，增强其透气性。（3）撒砂粒度及涂料粘度对型壳透气性的影响也较大，增加涂料粘度，则型壳透气性会降低，极为致密表面层会影响到铸件加固层，但同型壳透气性相比，其对型壳透气性的影响更大。如果型砂颗粒度发生改变，则其型壳的透气性也发生变化，型砂颗粒越细，其透气性就越差。撒砂的可燃性附加物不断增加，则其透气性也会随之急剧上升。在型壳材料相同的情况下，型壳层数越多，则其透气性就越弱。（4）焙烧时间及温度对型壳的影响：焙烧温度影响型壳透气性，温度越高其透气性就越强，这是因为在高温下，型壳体积发生膨胀，进而会形成显微裂纹。 　　预防侵入气孔缺陷的措施是：不浇注受潮型壳，应浇注红壳（热壳）;充分干燥后方可制壳，以防止形成涂料堆积，中温蜡硅溶胶铸造脱蜡过程中，快速处理蜡液，确保冒口、补贴及冷铁按顺序凝固，应用壁厚均匀、无尖角、直角的结构，减少型壳层数，以改变型壳透气性和退让性，同时，必须充分焙烧，焙烧后型壳口无冒烟。
　　3.2.2卷人性气孔缺陷
　　熔模铸钢件浇注、没浇注的型腔系统均会被大气占领，在浇注过程中，金属液体流因其不平稳性会将气体卷入型腔内，从而产生气孔。此气孔缺陷成因与侵人性不同，卷人性气孔源自型腔中的大气，但侵人性气孔气体主要有铸造物质本身产生的气体;卷入型气孔中的气体较为被动，金属液体则处于主动地位，而侵入气孔气体则是主动的。熔模铸造中其浇注结构非常简短，填充速度快且浇注时间不常，极易卷入气孔。
　　缺陷预防措施是：在熔模铸造方案的设计中，必须充分考虑铸造件排气的方便性，保证金属液体充型能够平稳有序。在充型末端设置溢气槽、集气包、出气口及排气边等。
　　3.2.3析出气孔缺陷分析
　　析出气孔分为过溶、反应等气孔缺陷类型，具体如下：
　　（1）过溶析出气孔。在熔模铸钢件浇注钢液时，液体中含有大量气体，此类气体主要是氮、氢，二者在钢溶液凝固时会突然下降，而液态钢中溶解的氮、氢在凝固时处于饱和状，过溶的将力求析出，若二者的压力超过外界压力，则会析出形成气泡，在凝固温度状态中氢溶液于液态钢的溶解度为0.0025%，溶解于固态钢的溶解度为0.001%，所以液态钢氢含量超过0.001%时凝固过程中会析出氢而形成气孔，但实践中氢浓度稍低于该值即可析出气孔。在钢中氢还可导致裂纹，出现氢脆现象。此外，钢的含氮量低于0.02%，且存在形态为稳定氮化物，同锶、铝等具有亲和力，易形成氮化物，若钢中存在此类元素则自由氮的析出会剧烈下降，防止形成氮气孔，对钢气孔形成无太大影响。
　　氢原子所致的气孔缺陷防止措施：做好炉料清洁，保持炉料、工具、烧包、炉体及铁合金等的干燥。
　　（2）反应析出气孔。反应析出气孔为液体金属发生化学反应后产生气体析出所致的。其中氧的影响最大。氧以氧化铁的方式存在钢液中，若在不脱氧情況下浇注钢液，会看到冒火花，即为一氧化碳气泡外溢。如果钢液氧化严重，一氧化铁明显高出其与碳的平衡关系，反应生成的一氧化碳压力超过外界压力时会产生气泡外溢，有些则在浇注钢液前离开液面，有的则在进入铸型后上浮凝固，形成气孔，且多在铸件上方。若钢液脱氧不完全，钢液氧化铁含量趋于平衡值，浇注时无气泡形成，但铸件凝固过程中因钢液温度下降则会生成氧化碳，氧化铁同碳的平衡打破，若氧化碳压力大于外界压力则会析出小针孔，分布均匀，且大面积分布在铸件断面。
　　总之，熔模铸钢件气孔缺陷形成同焙烧温度、时间、冶炼时间、炉料清洁情况等因素有很大关系，防止铸钢件气孔缺陷的形成需要降低型壳中产生气体的物质、保持炉料清洁和实施钢液脱氧等措施，以减少熔模铸钢件的气孔缺陷。
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