鑄鋼件氣孔缺陷的分析及預防

馮偉

摘要：熔模鑄件容易形成氣孔及充型不完整的缺陷，文章對鑄鋼件氣孔缺陷進行調查分析，發現鑄鋼件氣孔缺陷中的侵入性氣孔鑄件加工易導致鑄件報廢，而其他氣孔缺陷也較為常見，并在分析氣孔形成因素基礎上提出了預防措施。

關鍵詞：鋼鑄件;氣孔缺陷;預防;熔模鑄造

中圖分類號：TG245 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0109-02

目前采用鑄造的鑄鋼件占有很大的市場比例。鑄件的形狀復雜程度及質量要求越來越高，對鑄造的鑄鋼缺陷的防治是鑄件成品率及使用壽命的有效途徑。鑄鋼件氣孔缺陷為熔模鑄造常見生產缺陷，在中溫蠟硅溶膠精密鑄造中，氣孔缺陷常在鑄鋼件皮下，在機械加工后暴露出來。鑄鋼件具有較高的內在要求，如果其加工部位多或全身加工，則對鑄鋼件的危害就非常大，最終導致鑄鋼件報廢，從而給企業帶來極大浪費和經濟損失。本文基于熔模鑄件氣孔缺陷的相關類別為切入點，分析氣孔缺陷特征，而后針對本公司鑄鋼件生產條件，應用熱蝕方法對熔模鑄鋼的氣孔缺陷進行調查，并分析了預防鑄鋼件氣孔缺陷的方法。

1熔模鑄鋼件氣孔缺陷類別

氣孔，又叫起眼，為熔模鑄造的重要缺陷之一。常見于鑄件的近表面層、內部及表面等處，且大小不等，形狀各異，既有聚集成片的氣孔，也有單個的氣孔，色彩上多為白色，孔壁光滑。在鋼鑄件中常見的氣孔，依據氣孔缺陷形成機理，可以將氣孔分為卷入型、反應型、析出型及侵入型等。具體如下：

侵入氣孔。指的是澆注鑄件環節中，金屬液體在熱的激烈作用下，鑄型中的粘接劑、水分等發生氣化、燃燒或分解，其產生的氣體同型腔中存在的氣體在熔模鑄件表面聚集，這些氣體一些浸入金屬液體內部而無法溢出，從而形成空洞。

析出氣孔。指的是金屬液體中溶解的氣體，因其溶解度下降，凝固冷卻環節中因無法逸出而形成氣體。析出類氣孔缺陷的尺寸較小，數量多，常表現為針狀、圓形或橢圓形，大面積分布在鑄件斷面，此氣孔多是氮氣和氫氣孔，且較為普遍和常見。導致析出氣孔的原因主要是在外界作用條件下，金屬擴散溶解劑吸附氣體，致使金屬液體表面的凝固阻力超過氣體浮力，從而產生氣孔。

反應氣孔。多指金屬液體的成分間，或金屬液體同鑄型間發生化學反應所形成的氣孔。金屬鑄型的反應氣孔常均勻分布在鑄件的表皮之下，多見于表皮下1-3毫米處，需經熱處理后方可發現，或機械加工后顯現出來。熔模鑄鋼件的皮下反應氣孔多為針狀，直徑通常是Ф1～3毫米，1～10毫米的長度，針孔方向垂直于表面，孔壁光滑。

卷入氣孔。在充型及澆注過程中，金屬液體中會卷入一定量的氣體，這些卷入氣體在熔模鑄件內產生氣孔。該類氣孔通常是孤立存在，氣孔較大，常見為橢圓形和圓形，多位于鑄件中上部。

2熔模鑄鋼件氣孔缺陷檢查

2.1鑄鋼件生產環境

我公司主要生產低合金鋼鑄件及碳素鋼鑄件，采用中溫蠟硅溶膠鑄造工藝。過渡層、表面層均為鋯英砂/j盼，莫來粉用于加固層，粘接劑為硅溶膠，撒鋯英砂/粉所用機器為浮砂機，蒸汽脫蠟，型殼焙燒，溫度為1150℃，爐熔煉頻為中頻，生產廢品中有少量變形及渣孔，其余為氣孔，氣孔廢品率較高。

2.2收集樣品及其制備

在生產加工現場調查720件氣孔廢品，收集生產樣品90件，以砂輪切割機橫剖樣品氣孔缺陷處，先用水砂紙（180目）粗磨，而后用水砂紙（320目）細磨，應用三氧化二鋁懸浮液為拋光液進行機械拋光后，將其放入鹽酸水溶液內侵蝕，此后即刻用水沖洗干凈，以酒精棉擦拭磨面，且吹干，對缺陷進行著色探傷檢測。侵蝕劑為鹽酸水溶液（1：1），侵蝕溫度為60至70℃，侵蝕時間為低合金鋼和中碳鋼25分鐘，低碳鋼20分鐘。

2.3鑒別缺陷

常見的氣孔缺陷主要為析出型、侵入型、卷入型等氣孔。熔模鑄鋼件析出氣孔侵蝕面的整個截面均勻分布有微裂紋和細小孔洞，鋼鑄件表面很少見到氣孔缺陷。而在侵入氣孔缺陷鑒別方面，侵蝕面鑄件的表皮處存在橢圓形和圓形孔洞，此外其他的都很完整，加工鑄鋼件的表面表現為局部蜂窩狀和單個氣孔。鑄鋼件的表面存在較大的單個孔徑氣孔，多見于鑄鋼件上部。

3缺陷檢查結果和缺陷分析

3.1缺陷檢查結果

在90件樣品中，發現侵入氣孔缺陷68件，占比75.6%;卷入氣孔缺陷13件，占14.4%;析出氣孔缺陷9件，占10%。生產現場的720件生產廢品中發現侵入氣孔缺陷的廢品最多，有625件，占86.8%，而卷入氣孔僅67件，占9.3%，渣氣孔缺陷28件，占3.9%。可見，在熔模鑄鋼件中會存在許多的析出型氣孔，該類氣孔的孔徑較小，在加工鑄件時給熔模鑄件造成的影響相對較小，不至于報廢此鑄鋼件，當然，盡管也存在卷入型氣孔，而同侵入型氣孔比較，其數量占比很少，而侵人性氣孔的熔模鑄鋼件則最多，占75.6%。為此，在熔模鑄鋼件生產中，應重點關注侵入氣孔缺陷，其是導致熔模鑄鋼件產品報廢的重要因素。

3.2氣孔缺陷形成分析

3.2.1侵入氣孔缺陷分析

澆注熔模鑄鋼件過程中，在鋼水熱作用下，型殼壁產生揮發物質，造成鋼水一型殼壁界面生成一定的氣體，如果此氣體壓力符合以下條件，此氣體就侵入到鋼水內部。P腔+P阻+P液

（1）粘接劑類型：硅溶膠型殼濕強度低及干燥速度慢，制殼周期長，若燒溫過高會出現熱裂陷，加上其收縮性超過鑄鐵，因此極易出現縮孔缺陷。（2）耐火材料類型：耐火材料類型對型殼透氣性也具有重要影響，相較于其他耐火材料，在高溫下，石英晶形狀的轉變則會導致石英砂型殼形成微裂紋，增強其透氣性。（3）撒砂粒度及涂料粘度對型殼透氣性的影響也較大，增加涂料粘度，則型殼透氣性會降低，極為致密表面層會影響到鑄件加固層，但同型殼透氣性相比，其對型殼透氣性的影響更大。如果型砂顆粒度發生改變，則其型殼的透氣性也發生變化，型砂顆粒越細，其透氣性就越差。撒砂的可燃性附加物不斷增加，則其透氣性也會隨之急劇上升。在型殼材料相同的情況下，型殼層數越多，則其透氣性就越弱。（4）焙燒時間及溫度對型殼的影響：焙燒溫度影響型殼透氣性，溫度越高其透氣性就越強，這是因為在高溫下，型殼體積發生膨脹，進而會形成顯微裂紋。

預防侵入氣孔缺陷的措施是：不澆注受潮型殼，應澆注紅殼（熱殼）;充分干燥后方可制殼，以防止形成涂料堆積，中溫蠟硅溶膠鑄造脫蠟過程中，快速處理蠟液，確保冒口、補貼及冷鐵按順序凝固，應用壁厚均勻、無尖角、直角的結構，減少型殼層數，以改變型殼透氣性和退讓性，同時，必須充分焙燒，焙燒后型殼口無冒煙。

3.2.2卷人性氣孔缺陷

熔模鑄鋼件澆注、沒澆注的型腔系統均會被大氣占領，在澆注過程中，金屬液體流因其不平穩性會將氣體卷入型腔內，從而產生氣孔。此氣孔缺陷成因與侵人性不同，卷人性氣孔源自型腔中的大氣，但侵人性氣孔氣體主要有鑄造物質本身產生的氣體;卷入型氣孔中的氣體較為被動，金屬液體則處于主動地位，而侵入氣孔氣體則是主動的。熔模鑄造中其澆注結構非常簡短，填充速度快且澆注時間不常，極易卷入氣孔。

缺陷預防措施是：在熔模鑄造方案的設計中，必須充分考慮鑄造件排氣的方便性，保證金屬液體充型能夠平穩有序。在充型末端設置溢氣槽、集氣包、出氣口及排氣邊等。

3.2.3析出氣孔缺陷分析

析出氣孔分為過溶、反應等氣孔缺陷類型，具體如下：

（1）過溶析出氣孔。在熔模鑄鋼件澆注鋼液時，液體中含有大量氣體，此類氣體主要是氮、氫，二者在鋼溶液凝固時會突然下降，而液態鋼中溶解的氮、氫在凝固時處于飽和狀，過溶的將力求析出，若二者的壓力超過外界壓力，則會析出形成氣泡，在凝固溫度狀態中氫溶液于液態鋼的溶解度為0.0025%，溶解于固態鋼的溶解度為0.001%，所以液態鋼氫含量超過0.001%時凝固過程中會析出氫而形成氣孔，但實踐中氫濃度稍低于該值即可析出氣孔。在鋼中氫還可導致裂紋，出現氫脆現象。此外，鋼的含氮量低于0.02%，且存在形態為穩定氮化物，同鍶、鋁等具有親和力，易形成氮化物，若鋼中存在此類元素則自由氮的析出會劇烈下降，防止形成氮氣孔，對鋼氣孔形成無太大影響。

氫原子所致的氣孔缺陷防止措施：做好爐料清潔，保持爐料、工具、燒包、爐體及鐵合金等的干燥。

（2）反應析出氣孔。反應析出氣孔為液體金屬發生化學反應后產生氣體析出所致的。其中氧的影響最大。氧以氧化鐵的方式存在鋼液中，若在不脫氧情況下澆注鋼液，會看到冒火花，即為一氧化碳氣泡外溢。如果鋼液氧化嚴重，一氧化鐵明顯高出其與碳的平衡關系，反應生成的一氧化碳壓力超過外界壓力時會產生氣泡外溢，有些則在澆注鋼液前離開液面，有的則在進入鑄型后上浮凝固，形成氣孔，且多在鑄件上方。若鋼液脫氧不完全，鋼液氧化鐵含量趨于平衡值，澆注時無氣泡形成，但鑄件凝固過程中因鋼液溫度下降則會生成氧化碳，氧化鐵同碳的平衡打破，若氧化碳壓力大于外界壓力則會析出小針孔，分布均勻，且大面積分布在鑄件斷面。

總之，熔模鑄鋼件氣孔缺陷形成同焙燒溫度、時間、冶煉時間、爐料清潔情況等因素有很大關系，防止鑄鋼件氣孔缺陷的形成需要降低型殼中產生氣體的物質、保持爐料清潔和實施鋼液脫氧等措施，以減少熔模鑄鋼件的氣孔缺陷。