鑄鋼件氣孔缺陷的分析及預(yù)防研究

張俊豐

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司機電技術(shù)服務(wù)中心，天津 300452）

0 引言

鑄鋼件是指用鑄鋼制作的零件，由于鑄造工藝原因在鑄造的過程中易出現(xiàn)氣孔缺陷，不僅極易影響鑄鋼件的產(chǎn)品品質(zhì)，而且會極大地降低鑄鋼件的結(jié)構(gòu)強度，在長期使用中就有可能出現(xiàn)受力斷裂等，極大地影響了鑄鋼件的使用安全。根據(jù)統(tǒng)計目前鑄鋼件的澆注合格率僅95.4%，為了提升澆注質(zhì)量，一般通過優(yōu)化澆注流量等方式來進行生產(chǎn)，但在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)該方式不僅對鑄鋼件一次合格率的提升有限，而且極大地影響了鑄鋼件的生產(chǎn)效率，難以滿足鑄鋼件高效、高質(zhì)的實際生產(chǎn)需求[1]。

根據(jù)對鑄鋼的整個工藝流程分析，鑄鋼過程中的氣孔主要是鑄鋼型腔內(nèi)未排出的空氣在澆注時浸入鋼液內(nèi)導(dǎo)致的，而在實際生產(chǎn)中鑄鋼件內(nèi)的空氣實際上很難完全排空，因此需要從鑄鋼件氣孔缺陷和形成的原因進行入手，針對性地進行專項預(yù)防。根據(jù)實際應(yīng)用表明，優(yōu)化后鑄鋼件的一次生產(chǎn)合格率提升到了97.4%，鑄鋼件內(nèi)的氣孔數(shù)量可以降低67.3%，對提升鑄鋼件的生產(chǎn)穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。

1 鑄鋼氣孔缺陷分類

鑄鋼在生產(chǎn)過程中會受到多方面因素的影響，均會對鑄鋼氣孔的形成產(chǎn)生一定作用，根據(jù)對鑄鋼件氣孔缺陷形成的機理和表象，將鑄鋼的氣孔類別分為侵入型氣孔缺陷、卷入型氣孔缺陷、析出型氣孔缺陷、反應(yīng)型氣孔缺陷四種[2]。

通過對各種鑄鋼氣孔缺陷的分析，侵入型氣孔缺陷數(shù)量占據(jù)了整個氣孔缺陷的76%以上，卷入型氣孔缺陷占據(jù)氣孔缺陷數(shù)量的約14%，析出型氣孔缺陷占據(jù)整體缺陷數(shù)量的7%，反應(yīng)型氣孔缺陷占據(jù)整體缺陷數(shù)量的3%，各種氣孔缺陷的表象如下。

1.1 侵入型氣孔

在鑄造過程中，由于水分的蒸發(fā)、有機物的燃燒等形成了大量的氣體，其中部分的氣體能夠通過砂型模具溢出，而還有部分的氣體則無法通過砂型模具溢出，導(dǎo)致這些氣體逐漸的集聚在鑄鋼液和型腔的內(nèi)表面處，鑄鋼液在逐步凝固的過程中，就會在表面形成明顯的表面空洞，其結(jié)構(gòu)如圖1-1 所示。

圖1 鑄鋼氣孔示意圖

1.2 卷入型氣孔

卷入型氣孔是指在澆注過程中，鑄鋼溶液把空氣卷入到金屬溶液中，隨著鑄鋼液的逐漸凝固，在金屬內(nèi)的空氣無法及時排除，因此在鑄鋼件的內(nèi)部形成了典型的氣孔，其主要出現(xiàn)在鑄件的中上部區(qū)域，而且氣孔的體積相對較大，氣孔內(nèi)表面光滑。

1.3 析出型氣孔

析出型氣孔是指在澆注過程中，卷入到鑄鋼溶液中的空氣在外界因素的作用下其溶解速度逐漸發(fā)生變化，在凝固的階段的冷卻環(huán)節(jié)，會有部分的氣體析出，進而影響到鑄鋼的凝固。析出型氣孔的尺寸相對較小，而且會密集地分布在鑄件的表面，呈針狀或者小橢圓狀，其結(jié)構(gòu)如圖1-2 所示[3]。

1.4 反應(yīng)型氣孔

主要是指金屬液體成分之間發(fā)生變化，導(dǎo)致在鑄鋼表面下層產(chǎn)生氣孔的現(xiàn)象。所產(chǎn)生的氣孔主要分布在鑄鋼表面下層約2 mm 的位置，從外表無法發(fā)現(xiàn)內(nèi)含氣孔，只能通過特殊的探測設(shè)備進行探測。

2 鑄鋼氣孔缺陷的預(yù)防

根據(jù)以上分析，侵入型氣孔缺陷和卷入型氣孔缺陷是導(dǎo)致鑄鋼生產(chǎn)效率低、質(zhì)量一致性差的關(guān)鍵因素，占據(jù)了氣孔異常的90%以上[4]，因此本文重點對氣孔異常的控制方案進行研究，降低氣孔缺陷數(shù)量，提高鑄鋼生產(chǎn)合格率。

2.1 侵入型氣孔缺陷預(yù)防

根據(jù)上文所分析的侵入式氣孔的形成機理，可以從減少產(chǎn)生氣孔的氣體壓力、加大進入注漿液內(nèi)的阻力并增強氣體在金屬液中的析出能力三個方面進行優(yōu)化[5]。首先可以利用粗糙度較大的原砂來制作砂型芯，增強氣體的可滲透性。其次可以在砂型芯中排布一些細微的通氣孔，人為地提高砂型芯的可透氣性。若通過以上優(yōu)化措施，均無法滿足注漿液澆注時的排氣需求，則可以在砂型芯上增加芯頭增加砂芯的排氣能力。總括起來就是要提高砂型芯的透氣性，從而滿足澆注時快速排氣的需求，降低在澆注過程中的侵入型氣孔缺陷，增設(shè)芯頭的改善方案如圖2 所示[6]。

圖2 砂型芯增設(shè)芯頭改善示意圖

2.2 卷入型氣孔缺陷預(yù)防

該缺陷是在澆注過程中，鑄鋼溶液把空氣卷入到金屬溶液中產(chǎn)生的，因此重點是在澆注過程中要保證澆注的平穩(wěn)性，避免造成鑄鋼液的劇烈翻騰。同時項目組還從鑄鋼液澆注工具入手，將傳統(tǒng)的圓柱形的澆注漏斗更改為不同心的錐形澆注結(jié)構(gòu)，從而有效地降低在澆注過程中澆注液在漏斗內(nèi)的轉(zhuǎn)動，減少澆注液的翻騰，新型澆注漏斗結(jié)構(gòu)如圖3 所示[7]。

圖3 新型澆注漏斗結(jié)構(gòu)示意圖

為了進一步降低澆注液在漏斗內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，可以在漏斗底內(nèi)設(shè)置十字形金屬網(wǎng)片[8]，對澆注過程中澆注液的變化姿態(tài)進行修正，提高澆注的穩(wěn)定性。

析出型氣孔缺陷。主要可以通過保證在澆注過程中內(nèi)外部的壓力差來實現(xiàn)，降低氣體析出對鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的影響[9]。

3 應(yīng)用實例分析

某大型構(gòu)件，采用了鑄鋼生產(chǎn)工藝，但在批量生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)出現(xiàn)氣孔的比例達到了90%以上，且以侵入型氣孔缺陷和卷入型氣孔缺陷為主，大的氣孔直徑約為0.5 cm，小的約為0.1 mm，當對表面進行拋光或者噴砂處理后，在表面上出現(xiàn)大量的麻點，不僅極大地影響了產(chǎn)品的外觀，而且還降低了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度，根據(jù)質(zhì)量控制部門的統(tǒng)計，該大型構(gòu)件的一次合格率僅95.4%，平均分布氣孔數(shù)量約為147 個，難以滿足品控需求。

當采用新的工藝，對鑄件澆注過程進行控制后，該大型構(gòu)件的一次合格率提升到了97.4%。平均氣孔數(shù)量約為48.1 個，比優(yōu)化前降低了67.3%，極大地提升了鑄鋼件生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，目前已經(jīng)在多個冶金生產(chǎn)企業(yè)投入了應(yīng)用，取得了極好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

針對鑄鋼在生產(chǎn)過程中氣孔數(shù)量多，生產(chǎn)質(zhì)量一致性差的不足，在對鑄鋼件內(nèi)氣孔類型和成型原因進行分析的基礎(chǔ)上，針對性地提出了改善砂型芯結(jié)構(gòu)、開發(fā)新的澆注工裝、保證澆注過程中的壓力差平衡等優(yōu)化措施，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

1）鑄鋼的氣孔類別分為侵入型氣孔缺陷、卷入型氣孔缺陷、析出型氣孔缺陷、反應(yīng)型氣孔缺陷四種。其中侵入型氣孔缺陷和卷入型氣孔缺陷占據(jù)了90%以上。

2）通過提高砂型芯的透氣性，滿足澆注時快速排氣的需求，能夠有效降低在澆注過程中的侵入型氣孔缺陷率。

3）采用錐形澆注結(jié)構(gòu)能夠降低在澆注過程中澆注液在漏斗內(nèi)的轉(zhuǎn)動，從而有效的降低卷入型氣孔缺陷率，優(yōu)化后鑄鋼件的一次生產(chǎn)合格率能夠提升到97.4%，鑄鋼件內(nèi)的氣孔數(shù)量可以降低67.3%，極大地提升了鑄鋼件的質(zhì)量。