淺談球墨鑄鐵皮下氣孔形成機理及防治方法

【摘要】 球墨鑄鐵是一種高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，某些條件下能滿足制造有一定強度、韌性、耐磨性及受力復雜要求的零件。當然球墨鑄鐵件在生產中也存在著諸如球化不良和球化衰退、縮孔和縮松、皮下氣孔等缺陷。皮下氣孔影響鑄件的表面質量，并且在出現皮下氣孔的部位，往往伴隨有片狀石墨，因而惡化了改部分的力學性能，嚴重的皮下氣孔會使鑄件報廢。

【關鍵詞】 球墨鑄鐵 皮下氣孔 形成機理 防治措施

鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金，經過高溫熔融和鑄造成型而得到，石墨呈球狀時的鑄鐵就叫球墨鑄鐵。球墨鑄鐵是一種高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，某些條件下能滿足制造有一定強度、韌性、耐磨性及受力復雜要求的零件。皮下氣孔影響鑄件的表面質量，并且在出現皮下氣孔的部位，往往伴隨有片狀石墨，因而惡化了改部分的力學性能，嚴重的皮下氣孔會使鑄件報廢，下面就皮下氣孔缺陷進行探討。一般對于中等壁厚度的球墨鑄鐵件來講，容易出現皮下氣孔的壁厚范圍主要是在8～15mm，

一、目視特征

皮下氣孔大多數情況下是由多個直徑為1～3mm的小氣孔，成串橫列于鑄件表面以下1～3mm處。氣孔內壁光滑，呈均勻分布在鑄件上表面或遠離內澆道的部位，但在鑄件側面和底部也偶爾存在。一般為圓球形、團球形、淚滴形、長針形。在鑄態時，皮下氣孔不易被發現；但是，鑄件經熱處理后，或是經機械加工后則顯露。

二、形成機理

球墨鑄鐵鐵液澆入濕型后，金屬與鑄型界面的水氣會被Fe、Al、Mg還原，產生原子態的氫（H）。

2Al+3H2O→Al2O3+6H↑

Mg+H2O→MgO+2H↑

界面的鐵液層富氫，凝固時可以形成氫氣核，繼而長大形成氫氣泡由于氫是從被包封的液態中析出，所以最后形成的氣孔呈球形或者淚滴形。由于中等壁厚的球墨鑄鐵件使界面的化學反應速度、界面鐵液層氫氣核形成、長大速度及凝固速度易于匹配，再加上球墨鑄鐵中的Mg能使界面水氣強烈的被還原，因此球墨鑄鐵產生皮下氣孔的傾向較大。

三、防治措施

3.1控制鐵液質量

1、殘留鋁量 濕型球墨鑄鐵件的危險殘留鋁量為0.03%～0.05%，此時會出現皮下氣孔，小于0.03%時，一般不會出現。在不影響金相組織的前提下，澆注前添加0.2%以上的鋁，就可以消除皮下氣孔。但是鑄鐵中的鋁主要來自孕育劑，濕型孕育的球墨鑄鐵件，在鐵液中加入過多的硅鐵孕育劑時，則是鑄件產生皮下氣孔的原因之一。2、殘留鈦量 鑄鐵中殘留鋁和殘留鈦都有時，過量的殘留鈦會使鑄鐵產生嚴重的皮下氣孔。球墨鑄鐵件殘留鋁量小于0.03%時，一般不出現皮下氣孔，若此時殘留鈦含量超過0.01%時，則會產生皮下氣孔。鈦鋁共同作用下，加劇界面水氣還原，使得界面鐵液含氫量更高，更易形成皮下氣孔。殘留鈦主要來自熔煉爐料生鐵錠，應注意生鐵錠的含鈦量，含鈦量高的與低的搭配使用，控制鈦量。3、錳、硫 對于濕型球墨鑄鐵件，從防止皮下氣孔的角度來講，硫元素是有害元素。當硫元素含量超過0.094%時容易產生皮下氣孔，硫含量越高，出現缺陷的情況越嚴重。除此之外，產生的H2S可能會使缺陷更加嚴重。球化處理之后產生的氧化物、硫化物渣，清理干凈。否則產生在界面處產生H2S氣體也會形成皮下氣孔，這種皮下氣孔周圍的石墨球化不良。4、添加稀土元素 加入稀土元素能夠脫氧、脫硫，提高鑄鐵液態的表面張力，能夠有效的防止皮下氣孔的產生。球墨鑄鐵一般用稀土鎂硅鐵合金做球化劑，澆注前鐵液中加碲（Te）0.002%（20ppm），加入量很少就可以起到明顯的效果。5、澆注溫度 為防止球墨鑄鐵件產生皮下氣孔，選擇正確的澆注溫度，避免落入危險的澆注溫度范圍。6、控制鐵液原始含氫量 實踐證明當鐵液含氫量到4～5ppm，此時易產生皮下氣孔，一般原始鐵液含氫量控制在2～2.5ppm以下，開爐后1.5～3.5小時內，含氫量較高不適宜澆注。

3.2鑄型因素的控制

1、濕型型砂的水分、死粘土和附加物 水分應少于5%，當水分從4.5%到6.5%時，球墨鑄鐵的皮下氣孔出現的幾率會增加7～10倍。在砂型中添加煤粉（4%～6%）、赤鐵礦粉（2%）、二氟化銨（2%～2.5%）等各種附加物都有利于防止皮下氣孔。2、流水線生產時，對于皮下氣孔非常敏感的的球墨鑄鐵，不能用冒熱氣溫度超過35℃的熱砂造型，否則極易在鑄件過熱部位出現皮下氣孔，不解決熱型砂造型問題，其他防治措施的效果不理想。因此在砂處理系統設計上舊砂回用的砂冷卻裝置，容量足夠的貯砂斗等設備設施，工藝上定時添加新砂及合理的濕型型砂壁厚度等，保證生產制造時不出現熱型砂造型的問題。3、型腔表面抖敷熔劑粉 常用的熔劑粉是冰晶石粉或者氟化鈉粉，據有關統計，抖敷的氟化鈉粉的同不抖敷的相比較，可使球墨鑄鐵皮下氣孔產生的缺陷由25%降至5%，有利的減少皮下氣孔。

參 考 文 獻

[1]郝石堅，宋緒丁. 《球墨鑄鐵》. 化學工業出版社， 2015.2.1

[2]吳德海 .《灰鑄鐵球墨鑄鐵及其熔煉》.中國水利水電出版社， 2006.3.1

[3]小林俊郎 野口. 《球墨鑄鐵的強度評價》. 東北大學出版社 ，2002.1.1