鑄鐵件砂孔和渣孔缺陷的研究與防治

任現偉

(洛陽古城機械有限公司,河南洛陽 471023)

砂孔是在鑄件內部或表面形成的相對比較規則的孔洞，其形狀與砂粒或砂團的外形較為一致，通常分布在鑄件下方和易沖砂的內澆口等附近。從高倍放大鏡下目測，可見孔內有微黃色透明發亮的硅砂顆粒。對于尺寸較大的砂孔缺陷，在經過拋丸處理后，仍可從孔內掏出細小的硅砂顆粒。多個砂孔同時存在時，鑄件表面呈灰色橘子皮狀。

渣孔是外形不規則的暗孔或明孔，孔中局部或全部被熔渣所填塞。由于熔渣相對于金屬液的比重較輕，所以渣孔一般分布在鑄件上半部分、鑄件頂面、內澆口附近或鑄件拐角處。渣孔多以網狀分布或呈現帶有褶皺的不規則云彩狀，也有以團絮狀和片狀夾層存在于鑄件內部。在鑄件上有時只是單個的，但聚集成片的渣孔也較為常見。另外，渣孔也是鑄件形成裂紋的根源之一。

1 渣孔和砂孔的危害

不論是砂孔還是渣孔，對于鑄件的危害都是不容小覷的。首先，渣孔和砂孔破壞鑄件結構的連續性，使鑄件整體形狀不完整；其次，砂孔和渣孔減少鑄件的有效承載面積，削弱鑄件承受載荷的能力，可能會導致微裂紋缺陷的產生與擴展，從而引起材料宏觀力學性能的劣化；此外，由于砂孔和渣孔缺陷的存在使鑄件在空洞邊緣極易引起應力集中，應力集中可使鑄件產生疲勞裂紋，降低鑄件的機械性能，甚至會發生靜載斷裂。

2 砂孔形成的原因

砂孔，顧名思義就是鑄件中出現了硅砂顆粒或其他造型材料引起的孔洞類缺陷。我們可以從砂孔缺陷中的硅砂來源查起，以便對癥施策。

2.1 原材料方面

由于原材料不合格，特別是鑄鐵回爐料的不合格導致砂孔產生的情況是我們經常會遇到的。目前，仍有一些鑄造企業將不經表面處理的回爐料作為爐料直接投入熔爐中參與熔煉，往往這樣的回爐料表面粘附有大量的硅砂顆粒。雖然有的鑄造企業會采用抓起、放下使回爐料從高空落下與相互撞擊的方式除去回爐料表面粘砂，目測來看，大部分的粘砂可以去除，但是我們不得不承認，還有相當一部分和金屬本體粘連緊密的砂粒是不能被有效去除的。在中頻感應電爐中使用這樣的回爐料進行熔煉，需要消耗大量的電能，而且還要耗費大量的人力和使用過多的除渣劑，而且往往去除不徹底。因硅砂的主要成分是二氧化硅，二氧化硅的熔點高達1650℃，而鑄鐵的過熱溫度一般不超過1530℃，所以，金屬液中仍懸浮有難熔的硅砂顆粒。如果這樣的金屬液被用于澆注，那么就會在鑄件上形成微小的砂孔缺陷。

2.2 砂處理方面

很多情況下，有的鑄造企業為了確保型砂的透氣性，忽略了型砂的緊實率和強度。緊實率和強度偏低，特別是熱濕拉強度偏低的型砂，造出的鑄型往往很難經受住高溫金屬液重力加速度的沖擊和炙烤，在澆注充型過程中，鑄型局部就會被金屬液破壞，金屬液又會將脫落的砂粒或砂塊沖到鑄型的其他流速較慢的部位，于是形成砂孔缺陷。

2.3 模具方面

模具制作時，特別是澆注系統設計時，如果澆道之間的角度、方向和圓角設計的不合理，尤其是內澆口的尺寸和位置設計的不合理，就有可能使造出的鑄型局部出現尖角砂，在充型過程中，這些尖角砂也很難經受住金屬液的沖刷，如果這些尖角砂塊被沖入鑄件在型腔中的相應位置，就會導致砂孔的產生。另外，如果澆注系統沒有拔模斜度或過渡圓角，也會使型腔局部強度過低，造成砂孔的產生。選擇的澆口杯如果形狀和尺寸不合理，也會在澆注過程中將砂粒沖入型腔中。當然，如果模具上的修補材料脫落而又沒有被及時發現的話，也會導致型砂顆粒進入鑄型，從而產生砂孔缺陷。

2.4 造型方面

在造型過程中，特別是在自動造型機造型過程中，往往會因為造型速度過快，而疏忽了合型前和合型后的型腔質量，如果此時模具局部粘砂或鑄型局部掉砂，造好的鑄型在澆注后就會在固定的位置出現砂孔缺陷。此外，造好的鑄型在合型前，沒有做好防護處理，很有可能使從造型機中吹出來的砂粒和其他異物落入合型前的鑄型內；對于合型完畢尚未被澆注的鑄型，如果沒有做好防護處理，也有可能使砂粒或其他異物從澆口杯處落入型腔中，從而在澆注后形成砂孔缺陷。

2.5 澆注方面

澆注過程中充型不平穩，也會使浮于澆口杯內液面上的砂粒，直接進入型腔；如果澆注液流沒有正確的對準澆口杯，就有可能將型腔以外的沙粒或砂團隨金屬液帶入型腔，從而在澆注后形成砂孔缺陷。

3 渣孔形成的原因

渣孔是在金屬液中的一些非金屬夾雜物、難熔高熔點合金、金屬化合物等物質在型腔中相互作用后凝固在鑄件上的產物，一般都是一些金屬氧化物夾渣或溶劑夾渣。對于渣孔產生的原因，我們仍然需要從來源查起。

3.1 原材料方面

如果使用的廢鋼和生鐵等原材料氧化和銹蝕嚴重，甚至是含氮、氫等元素過高的原材料，特別是涂有油漆、鍍鉻、鍍鋅和含硫、含錳、含鈦高的廢鋼都是產生渣孔的主要原因。含鋁高的孕育劑、球化劑以及合金等材料，也可能導致渣孔產生。

3.2 模具方面

如果模具上的澆注系統設計的不合理，在對這樣的模具造出的鑄型進行澆注的過程中就會產生大量的紊流現象，金屬液在型腔中還會再次氧化，并且加大氫、氧、氮等氣體在金屬液中的溶解度。此外，金屬液互相沖擊的過程中還會加大S 元素和Mn、Mg 等元素的化合反應，產生大量的MnS和MgS 等夾雜物。

3.3 熔煉和澆注器具

如果使用的熔爐、球化或蠕化包、金屬液轉運包以及澆注包的包襯保溫材料的強度不高，耐火度不夠，這些不牢固的保溫材料很有可能在熔煉、轉運、球化或蠕化、以及澆注過程中落入金屬液中。由于這種保溫耐火材料在金屬液中很難做到完全被去除，所以，使用這樣的金屬液澆注后的鑄件，其上會形成和包襯材料顏色相近的微紅色渣孔。

3.4 熔煉過程

金屬液在熔煉過程中會吸入大量的氣體，如果金屬液在熔爐內的保溫時間過長，特別是過熱時間偏長都會使金屬液大量吸氣而過分氧化，氧化過度的金屬液被澆注后，就會在鑄件上形成氧化夾渣。

3.5 金屬液中有害元素

如果金屬液中S 含量過高，就會和Mn 元素發生化學反應，生成大量的MnS 夾雜物。此外，S元素還會與球化劑或蠕化劑中的Mg 反應生成大量的MgS 夾雜物。

3.6 澆注方面

澆注過程中如果充型不平穩，也有可能在卷入氣體的同時裹入大量的夾雜物，從而產生渣孔缺陷。如果撈渣不及時、不徹底，金屬液中的夾渣還會與金屬液一起被澆注進型腔內。如果選擇的除渣劑質量太差，非但起不到除渣作用，反而會與金屬液接觸后造出大量的稀渣。另外，過濾網在澆注系統中放置的位置不正確，同樣起不到避渣的效果。

4 砂孔缺陷的防治

4.1 原材料方面

回爐料必須經過完全拋丸處理，去除表面上的粘砂；避免使用表面粘有浮砂和缺料的砂芯。

4.2 砂處理方面

在確保型砂透氣性的同時，必須兼顧型砂的緊實率和強度。避免因型砂的緊實率和強度太低，從而使鑄型經不起高溫金屬液的沖擊和炙烤而產生砂孔缺陷。

4.3 模具方面

在設計模具澆注系統的時候要充分考慮澆道之間過渡的角度、方向和圓角是否合適，確保不在橫澆道、直澆道和內澆口附近造成易于沖砂的條件。還要注意澆口杯是否和模板邊緣平齊，如果有落差的話，造出的鑄型就會在這個部位帶有片狀砂翅。另外要確保模具上的修補材料沒有任何脫落，從而保證模具本身不會引起鑄件砂孔缺陷的產生。

4.4 造型方面

在造型過程中，要通過安裝在造型機上的攝像頭或反射鏡觀察模具上是否有粘砂現象。每次生產前，要確保造出的鑄型內部沒有脫落的砂粒或砂塊。對于使用砂芯和冷鐵的鑄型，應觀察砂芯或冷鐵下入型腔后的狀況，避免下入的砂芯或冷鐵定位不準，造成合型后鑄型局部掉砂。對于最先造出的已經合型完畢尚未澆注的鑄型，要采用開箱檢查的方法排除掉砂和擠型等現象。對于等待澆注的鑄型還要做好防護措施，避免砂粒或其他異物從澆口杯、排氣通道落入型腔內。

4.5 澆注方面

確保澆注過程中持續充型平穩，避免不連續澆注導致的澆口杯液面上方漂浮的砂粒被沖入型腔；每次澆注時，要確保金屬液流對準澆口杯，減少或避免型腔以外的砂粒或砂團隨金屬液進入型腔。

5 渣孔缺陷的防治

5.1 原材料方面

不使用氧化和銹蝕嚴重的廢鋼和生鐵。對于涂有油漆、鍍鉻、鍍鋅和含硫、含錳、含鈦高的廢鋼，要經過完全拋丸或烘烤處理后，方能使用。不使用含氮、氫等元素過高的原材料。使用鋁含量適中的孕育劑、球化劑以及合金材料，避免渣孔缺陷的產生。

5.2 模具方面

設計適合所生產鑄件的澆注系統，使金屬液在澆注系統中的流動盡量呈層流狀態。

5.3 熔煉和澆注器具

筑包時使用耐火度高、強度高的爐襯和包襯耐火材料。同時，要注意爐襯和包襯的修補質量。烘烤爐襯和包襯時，要先采用小火，充分預熱后逐漸將火焰調大，避免烘烤方式錯誤，造成爐襯和包襯發生裂縫和開裂現象。

5.4 熔煉過程

在保證金屬液化學成分和足夠的出爐溫度后，要盡快出爐澆注，避免金屬液隨著熔煉時間的延長吸收過多的氣體。

5.5 金屬液中有害元素

盡量減少金屬液中的S 含量，避免生成過多的MnS 夾雜物。此外，在保證球化率或蠕化率的同時，盡量減少球化劑或蠕化劑的使用量，以減少MgS 夾雜物和避免因殘Mg 含量過高造成的縮松缺陷。此外，還應特別注意球化劑或蠕化劑中實際的Mg 含量。

5.6 澆注方面

澆注前要做到充分撈渣處理，盡量減少金屬液中的夾渣物。澆注過程中持續保持充型平穩，避免金屬液面上漂浮的夾渣物進入型腔中。使用除渣效果明顯的除渣劑。過濾網要放在澆注系統中能夠起到避渣的位置。

6 結束語

鑄件表面上的砂孔和渣孔很容易被識別，但是鑄件內部的砂孔和渣孔必須在精度很高的X 光等無損探傷設備下才能被發現，也有可能在機械加工的時候暴露出來。如果嚴重的砂孔和渣孔缺陷沒有被檢查出來，很有可能在最終客戶使用的過程中發生安全事故。因此，不管是表面的還是內部的砂孔和渣孔缺陷對于鑄造企業來說都是必須要重點關注和優先解決的缺陷類型。因此，作為鑄造工作者，我們仍然還要對鑄造過程中產生砂孔和渣孔的來源、形式、狀態等諸多方面進行仔細的剖析，才能在此基礎上進一步避免和減少此類缺陷的產生，為研究和生產優質鑄件提供更多的實際參考價值。