如何避免球鐵的皮下氣孔缺陷

在球墨鑄鐵生產(chǎn)中最常見的缺陷就是皮下氣孔，在濕型砂鑄型，特別是比表面積大的小型鑄件中最易發(fā)生皮下氣孔。皮下氣孔往往位于鑄件表面以下0.5~1mm處，呈細(xì)小的圓形或橢圓形孔洞，孔徑多為0.5~2mm的針孔，內(nèi)壁光滑(內(nèi)表面有時附有石墨膜)，呈均勻分布在鑄件上表面或遠(yuǎn)離內(nèi)澆道的部位，但在鑄件側(cè)面和底部也偶爾存在。在鑄態(tài)時，皮下氣孔不易發(fā)現(xiàn)，但經(jīng)熱處理后，或是經(jīng)機(jī)械加工則顯露。皮下氣孔影響鑄件的表面質(zhì)量，并且在出現(xiàn)皮下氣孔的部位，往往伴隨有片狀石墨，因而惡化了該部位的力學(xué)性能，嚴(yán)重的會使鑄件報(bào)廢。某產(chǎn)品的鑄造毛坯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該鑄件材質(zhì)為QT450，最薄處壁厚為6 mm，在頭弧部、尾弧部是非加工表面，技術(shù)要求規(guī)定在其表面不允許有深度大于1 mm的皮下氣孔，單件鑄件質(zhì)量為1.1 kg，鑄造總質(zhì)量為50 kg。采用濕砂型鑄造，氣壓造型。鑄件內(nèi)腔用覆膜砂熱芯成形，從一端芯頭排氣，初期采用5t沖天爐熔煉鐵液，鐵水出爐溫度1 430℃左右，球化包底筑成凹坑式，采用沖入法球化處理，球化劑為FeSiMg8RE7，孕育劑為FeSi75Al0.5，總加入量為0.5%~ 0.8%，分多次加入。鑄件滾光清理后表面光潔平整，經(jīng)第二次噴砂處理后，在鑄件表面發(fā)現(xiàn)彌散分布的小圓坑，孔徑為0.5~2 mm，經(jīng)解剖后確定為皮下氣孔。為了消除這種流行性缺陷，針對在濕型生產(chǎn)球墨鑄鐵件易出現(xiàn)的特征，工藝上除注重這種缺陷對鑄件“壁厚效應(yīng)”的敏感性，即它的形成同鑄件凝固速度有內(nèi)在聯(lián)系，還應(yīng)從形成原因上分析，找出相應(yīng)對策。

1、皮下氣孔成因分析

皮下氣孔是濕型球墨鑄鐵件常見的鑄造缺陷，所以說它帶有流行性缺陷，且對薄壁鑄件特別敏感，原因是薄壁件凝固速度快，氣體來不及形成氣泡，厚壁件凝固速度慢，氣體形成氣泡后有足夠的時間上浮排出，不會滯留在鑄件表層。影響皮下氣孔形成的主要因素有:

①殘余鎂量和殘余稀土量，當(dāng)鎂殘留量>0.06%時，皮下氣孔顯著增加。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，濕型球墨鑄鐵件ω_Mg殘留=0.05%時，皮下氣孔缺陷率為7%，當(dāng)ω_Mg殘留=0.065%時，皮下氣孔缺陷率劇增，高達(dá)33%。殘留鎂量越高，形成皮下氣孔的傾向性越大。稀土元素會增大鐵液的表面張力，能有效防止皮下氣孔產(chǎn)生傾向，以ω_RE殘留=0.025%左右為佳。

②鐵液中硫含量高，容易引起皮下氣孔，含硫量越高，情況就越嚴(yán)重。這是因?yàn)槌擞袣渲缕は職饪淄猓€可能由于H₂S氣體而使缺陷情況更為嚴(yán)重，球化處理后會產(chǎn)生氧化物和硫化物(包括MgS)渣滓，若扒渣不凈MgS隨鐵液流進(jìn)型腔，上浮至金屬一鑄型界面的MgS同界面水氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物H₂S氣體也會形成皮下氣孔。

③鋁和鈦的影響，鐵液中Al>0.03%時，皮下氣孔增加，若殘留鋁和殘留鈦兼有時，則皮下氣孔急驟增加，生產(chǎn)實(shí)踐證明：球墨鑄鐵件Al<0.03%時，一般不會產(chǎn)生皮下氣孔，但如果同時Ti >0.01%，則會促使鑄件產(chǎn)生皮下氣孔。

④鑄型水分>5%時，濕型球墨鑄鐵件易出現(xiàn)皮下氣孔。因?yàn)殍F液與鑄型界面上的水分存在化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生H₂、H₂S氣體，在鑄件快速凝固時，來不及上浮，就停留在靠近鑄件表面上，形成皮下氣孔。

⑤爐料有水、球化劑和孕育劑吸潮及鐵液中含氫量增加均會導(dǎo)致皮下氣孔較多。

⑥熔渣過多和鐵液氧化夾雜是產(chǎn)生皮下氣孔的重要原因(渣為觸媒導(dǎo)致皮下氣孔產(chǎn)生)。

⑦鐵水出爐溫度低，或澆注溫度低，易形成皮下氣孔。

⑧澆注速度慢，鐵液易氧化、降溫、進(jìn)渣，易形成皮下氣孔。

上述諸因素單獨(dú)出現(xiàn)時，皮下氣孔雖有可能產(chǎn)生，但不會十分嚴(yán)重，如果兒種因素同時肴加一起作用，則皮下氣孔傾向大大增加。根據(jù)我公司鑄造廠的生產(chǎn)實(shí)踐，逐一對上述因素進(jìn)行對照、分析、排查，最后確定其中②、⑥、⑦三種因素的影響較為嚴(yán)重。硫?qū)裥颓蚰T鐵件皮下氣孔的影響機(jī)理，目前尚無系統(tǒng)確切的理論依據(jù)，但原鐵液硫含量高易產(chǎn)生皮下氣孔，卻是不爭的事實(shí)，原因是高硫鐵液易形成較多的硫化物夾雜物(MnS、FeS、MeS等)，引起渣產(chǎn)生皮下氣孔，另外，熔煉與處理過程中形成氧化物熔渣(如FeO、MnO、AlO、SiO等)，鐵液與型砂表面水分發(fā)生反應(yīng)生成的氧化物熔渣等，都可能成為氣體形核的襯底，吸附氣體分子聚集成氣泡，鐵液中殘留鎂量過高，鎂在脫硫、脫氧時產(chǎn)生的氧化物和硫化物越多，球墨鑄鐵的皮下氣孔會急劇增加，將澆注溫度提高到1380℃以上，可以有效地防止皮下氣孔，實(shí)質(zhì)上鐵液溫度越高，夾雜物越少，其原因是:一方面氧化反應(yīng)在高溫下不易進(jìn)行；另一方面高溫下夾雜物易于上升排除。

另外，涉及到鐵液的化學(xué)成分、熔煉溫度和純凈度，這是鐵液冶金質(zhì)量的3個主要指標(biāo)?；瘜W(xué)成分控制得越嚴(yán)格，有害元素硫含量越低；鐵液溫度越高，夾雜物越少；鐵液的冶金質(zhì)量越高，則產(chǎn)生皮下氣孔的可能性越小。所以，提高鐵液冶金質(zhì)量，是生產(chǎn)濕型球墨鑄鐵件中防止皮下氣孔的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。

2、防止皮下氣孔的工藝措施

防止皮下氣孔的工藝措施主要有：

①脫硫處理。所謂脫硫，就是盡量將鐵液中的硫向爐渣中轉(zhuǎn)移，并隨之排除，鐵液中FeS量越少，脫硫效率也就越高，適當(dāng)提高脫硫渣的堿度與鐵液溫度、減少爐渣中氧化亞鐵的含量，有利于促進(jìn)脫硫，因此，加大爐渣量，提高熔渣的流動性、加強(qiáng)攪拌、提高鐵液與熔渣溫度都有利于脫硫的充分進(jìn)行，及時扒渣，防止回硫。采用爐外脫硫處理的方法，利用由碳化鈣和氧化鈣組成的鑄造專用工業(yè)電石作為脫硫劑進(jìn)行脫硫處理，加入量約占鐵液質(zhì)量的0.5%~1.5%。

②提高鐵液純凈度為了提高鐵液的純凈度，減少熔渣。曾采用在小澆包內(nèi)加集渣劑二次除渣的措施，皮下氣孔的數(shù)量(出現(xiàn)個數(shù))有所減少，但未得到根除。在鑄型表面抖敷冰晶石粉可以消除皮下氣孔，但使用情況表明并不理想。鑄件清理后，表面仍會出現(xiàn)一些小的渣孔，有時與皮下氣孔轉(zhuǎn)變成的小凹坑極為相似，表面質(zhì)量仍不符合產(chǎn)品質(zhì)量要求，這可能是冰晶石與鐵液中的夾雜物反應(yīng)(主要指固態(tài)渣)生成液態(tài)溶渣，仍然滯留在鑄件表面無法排除的原因，因此，對球墨鑄鐵件在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時要盡可能加設(shè)過濾網(wǎng)和擋渣裝置。

③調(diào)整焦鐵比，優(yōu)化熔煉工藝。提高沖天爐出鐵溫度，有利于消除和減輕遺傳性和提高鑄件品質(zhì)，因此可以說，沖天爐出鐵溫度的高低，反映了現(xiàn)代鑄鐵的生產(chǎn)水平，爐前測溫達(dá)到1470℃以上，同時采用脫硫、集渣措施，特別是在加商品集渣劑時，將定量的冰晶石粉(氟鋁酸鈉Na₃AlP₆，熔點(diǎn)994℃)作為熔劑一并加在鐵液表面，并適當(dāng)攪拌靜置，提高了集渣效果，從而防止了界面鐵液層的吸氫，可以有效地抑制球墨鑄鐵件皮下氣孔的產(chǎn)生，效果顯著，工藝出品率也明顯提高。

④對化學(xué)成分的控制。化學(xué)成分雖不作為驗(yàn)收依據(jù)，但它是生產(chǎn)高韌性鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵件的前提，嚴(yán)格控制和計(jì)算爐料配比，控制終硅量（Si<3.0%），在保證鐵素體的條件下盡量降低硅量。另外，含錳量不宜高，過高（Mn>0.65%）時，也會造成渣氣孔，控制Mn<0.30%，可避免鑄態(tài)下形成滲碳體。同時使用低硫、低磷的純凈爐料，嚴(yán)格限制白口化和反球化元素含量，也是必須遵循的原則。

⑤提高鑄型的透氣性，有利于減輕皮下氣孔。

⑥采用5t中頻無芯感應(yīng)電爐熔煉球墨鑄鐵鐵液，皮下氣孔得以控制。電爐熔煉時成分易于控制，鐵液溫度可以升高到1530℃~1550℃出鐵。由于不使用熔劑，保證了鐵液的純凈度，電爐不用焦炭(特別是高硫焦炭)，不會增硫，鐵液的冶金質(zhì)量大大提高和穩(wěn)定，為高質(zhì)量球墨鑄鐵件的生產(chǎn)創(chuàng)造了硬件設(shè)施。

3、結(jié)語

熔煉球墨鑄鐵鐵液，在鑄型水分、鐵液中的含氣量、球化元素殘留量及其他有害元素都得到有效控制的情況下，同時提高脫硫、除渣效果，保證鐵液有較高的純凈度，并輔以較高的熔煉處理和澆注溫度，提高鐵液的冶金質(zhì)量是防止皮下氣孔的**有效措施。

本文轉(zhuǎn)自：百鑄聯(lián)盟

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