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          1. 炉料
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            树脂砂铸造铸件产生气孔的原因及如何防止气孔的产生

            2022-03-24 10:04:57

            树脂砂铸造铸件产生气孔的原因及如何防止气孔的产生

            气孔是树脂砂铸造中Z常见的缺陷之一,采用自硬树脂砂造型工艺尽管铸件气孔缺陷大为减少,但如果工艺、熔炼、浇注等措施不当,气孔缺陷也时有发生。气孔(气眼、气泡、呛火)主要在铸件内部、表面或近于表面处于有大大小小不等的光滑孔眼,形状有圆的、长的及不规则的、有单个的、也有聚集片的,颜色为白色或带一层暗包,有时覆有一层氧化皮。

            目前,比较常用树脂砂铸造灰铸、球铁、合金铸铁、碳钢以及低碳合金钢,都会产生气孔,从铸件的气孔来看,主要有侵入性气孔、析出性气孔、反应性气孔等,它们对铸件的质量有不同的影响,但影响大多比较的大,甚至造成铸件的报废,因此,我们要想方设法的去防止、控制、阻止它的产生。

            1 气体的来源

            在树脂砂铸造铸件中,铸件产生气孔是比较常见的,主要是由各种气体形成的,想要更好的去防止、控制、阻止它的产生,就必须找到气体的来源,它的来源主要在熔炼、铸型、材料、浇注等过程中产生。 

            1.1熔炼过程[1] 

            熔炼过程中气体的来源,如表一所示,主要来自各种炉料的锈湿以及周围气氛中的水分、氮、氧、以及Co2、Co、So2、H2及有机物燃烧产生的碳氢化合物等。 

            表一熔炼过程中气体的来源

            气体种类     气体来源

            氢      1、炉料中的水分、氢氧化合物、有机物。

            2、炉气中的水分、氢气。

            3、炉前附加物(孕育剂等)含有氢、水分及有机物等。

            4、炉衬及炉前工具的水分。

            5、出炉时周围气氛中的水分。

            氧      1、炉料中的氧化物。

            2、熔炼时使用的氧化剂。

            3、炉气及熔炼用工具的潮湿。

            4、炉衬及炉前工具的水分。

            氮      1、炉料中的氮。

            2、炉气及出炉时周围气氛中的氮气。 

            1.2铸型

            来自铸型中的气体,如表二所示,即自硬树脂砂中的树脂、固化剂分解、浇注系统型腔内气体(空气、水汽等)、浇注前的水分吸收、涂料、铸型中发气物、有机物受高温而气化等。

            表二铸型中气体的来源

            气体种类     气体来源

            氢      1、树脂中水分

            2、固化剂的分解

            3、各种有机物的分解

            4、铸型的返潮

            氧      1、铸型中的发气物

            2、有机物的分解

            3、浇注系统、型腔内的气体(空气、水汽等)

            4、型砂空隙中氧气

            氮      含氮的各种树脂

            1.3浇注过程

            浇包未烘干,铸型浇注系统设计不当,以及浇注速度控制不当或型腔内气体不能及时排除,由于温度急剧上升,气体体积膨胀而增大压力,都会使气体进入金属液,增加金属种气体的含量。还有浇注过程中铸型产生的气体、铁液析出的气体或铁渣反应生成的气体。

            铸件中的气体主要是氢,其次是氮和氧,氢主要来源各种金属的炉料、熔剂、炉气、浇包、炉前加入物及铸型等中的水分。炉气和大气中的氢,虽然也能被吸收,但氢的分压力极低,故微不足道。

            烟台鑫诺科铸造材料有限公司作为炉料厂家,主要生产炉衬材料,干打料,耐火炉料,耐火材料,耐火打炉料,浇注料,酸性炉衬材料,碱性炉衬材料,耐火浇注料,铸造用炉衬材料,铸造耐火材料,铸造炉衬材料,铸造炉料,浇注料,如有需要,欢迎您的来电咨询。


            2 气孔对铸件质量的影响

            气孔不仅能减少铸件的有效截面积,且能使局部造成应力集中,成为零件断裂的裂纹源,尤其是形状不规则的气孔,如裂纹状气孔和尖角形气孔不仅增加缺口的敏感性,使金属强度下降,而且能降低零件的疲劳强度。

            反应性气孔是合金铸件、灰铸铁、球墨铸铁的常见缺陷,此气孔出现在铸件表层1-2mm处,呈现内壁光滑,直径1-3mm的密集性小孔,多发生在8-15mm厚铸件上,严重影响铸件的质量,往往占废品总数的30%。个别铸件在某个时期甚至100%因皮下气孔报废。

            对要求承受液压和气压的铸件,若含有气孔,能明显的降低铸件气密度。

            金属含有气体也影响到它的铸造性能。铸件凝固时析出气体的反压力,阻碍金属液的补缩,造成晶间疏松,即缩气孔。

            气孔对铸件质量的影响是这样的,因此我们只有搞清各种气孔产生的原因,才能有效地采取错,来防止、控制、阻止气孔的产生,Z终保证铸件的质量。

            3 若干气孔的产生原因及防止[2]

            3.1析出性气孔

            3.1.1特征

            金属液在冷却和凝固过程中,因气体容度下降,析出的气体的气体来不及排除,铸件由此而产生的气孔,叫做析出性气孔。

            这类气孔是铸件断面上呈现大面积分布,而靠近冒口、热节点等温度较高区域分布较密集,形状呈球形或裂纹状多角形花哦断续裂纹状或混合状。通常金属含气量较少时,呈裂纹状,含气较多,则气孔较大,且呈团球形。这类气孔通常发生在同一炉或同一包浇注的一批铸件中。

            析出性气孔,主要来自氢气,其次是氮气,在铸钢件、铸铁件时有出现。

            3.1.2形成过程

            金属液中溶解析出,浇入铸型后,氢、氧、氮等气体的溶解度随着温度下降而减少,也就说金属溶解气体是一个可逆过程,即气体随着金属温度的上升不断吸入,温度下降则不断析出。

            3.1.3防止和消除析出性气孔的措施

            控制金属液中的含气量,熔炼金属时,要尽量减少气体元素溶入金属液中,主要取决于所用的原材料,合理熔炼操作和合适的熔炼设备。

            (1)要求炉料干燥、干净,金属液中溶解的氢气主要来自水汽,携入炉中的水分变成水汽,在1000℃或高温下活泼,金属的作用离解出氢原子而使金属液含氢量增加。

            (2)各种油脂都是碳氢化合物,铁锈是不同水化程度的氧化铁的混合物,在高温金属液作用下释放出氢、铁锈分解出水汽。

            (3)铸铁、铸钢及其它合金的熔炼设备,其熔炼操作在大气条件下进行,炉气得含气量深受大气环境的影响,比如下雨、湿度大、潮气足等金属液溶入的气体量就增大,要尽量减少熔炼的吸气。

            (4)提高铸件的冷却速度。

            3.2侵入性气孔产生原因及防止[3]

            3.2.1特征

            气体由金属外部侵入而形成的气孔称侵入性气孔。其特征是大多出现在铸件的一些局部地方,体积较大呈圆形和扁平型,有时呈梨形,它的小头所指方向常常就是气体侵入的方向和地方。因为气泡轻,在铁水中会上浮并随铁水的流动而移动,因此铸件下比较少发现。

            3.2.2侵入性气孔产生的原因

            在这里我们以阀体为例,这种侵入性气孔在阀体铸件中比较常见,其原因是由含氮量和水分及有机物量多少及固化剂种类,用量的不同,其发气量的多少也不同,往往在1050℃左右发气逸出,短时间内N2、H2、O2等,此时砂型、砂芯中的气体压力增大而侵入金属液,形成侵入性气孔,针对这一情况,一方面要设法阻止气体侵入金属液,另一方面设法让已侵入的气体排出、逸出。

            3.2.3防止措施

            (1)减少树脂和固化剂的加入量,选用发气量较小的树脂。

            (2)控制涂料的含水量,醇基涂料酒精的含水量,砂型、砂芯充分干燥后,再刷涂料。

            (3)树脂砂型、砂芯的发气量大约是粘土砂的2倍,但它的透气性很好,良好的透气性为顺利排出气体提供方便,避免气孔缺陷提供有利条件,不过砂型特别是砂芯的排气有时也会造成问题,砂芯大多处于金属液的包围中,砂芯产生的气体只能沿着工艺设定的通道顺利排出型外,才能有效避免气孔缺陷的产生,因此我们在造型操作规定型、芯要按工艺要求留出气道并用导气绳引出铸型外,封好出气道四周,以防金属液钻入而堵塞气道,来保证气体的顺利排出。

            (4)造型后硬化所需时间随气温、湿度、固化剂加入量、固化剂种类等因素的不同而变化,一般要经过十几个小时以后才能反应完全,未反应完全的铸型发气量较高,在冬季尤其应注意砂芯建议能做到隔天使用,外型也起码保持6-8h以上再浇注。

            (5)浇注系统和浇注工艺要有利于排气或抑制外来气体的侵入。加快铸型内金属液面上升速度,使型腔内种气体压力增加,有助于抑制界面外气体的侵入,控制浇注时间,除考虑金属液的特征(均衡凝固、顺利凝固),浇注系统对型腔内的金属液流动,必须便于气体逸出,从而来防止侵入性气孔产生。

            如我们在试制超低碳不锈钢阀体时,铸件与保温内冒口相邻的内壁发现气孔,形状不规则,表面呈现氧化色,在压力试验时就会发生渗漏现象,经分析此气孔是侵入性气孔,是由于保温冒口与型腔内壁之间型砂中的气体来不及排出造成的,针对这一问题,我们在保温冒口套外面缠绕一圈导气绳连通到中心气排气孔中,使此处型砂中的气体的以顺畅排出,从而解决了这一问题。

            3.3反应性气孔

            3.3.1金属液内反应性气孔[4]

            金属液凝固时,金属本身化学成分元素和溶解于金属液的化合物,或化合物之间发生化学反应,形成气泡而出现气孔,这是由于金属液本身的原因产生,所以是内反应性气孔。

             金属液中含氧比较丰富,CO反应性内生式气孔

             (C)+(O)→CO↑

             CO气体不溶于金属液,易在固液界面上的枝晶间的凹坑槽或沟槽处处形成 CO初始气泡,周围金属液中溶解的氢气、氮气会扩散渗透入 CO气泡中,不断扩大,难以上浮排出,随着凝固界面向铸件中心推进,同时 CO气泡不断地产生新的成簇的 CO气泡,而导致这种气泡形成的弥漫性气体。

             金属液中的FeO过量时,则(FeO)+[C] →Fe+CO↑

            铁液在冲天炉中铁水氧化过盛,也易出现此气孔。

            (3)防治措施

            ①防止铸钢产生内反应气体是在熔炼时,钢液要脱氧完全,中频炉熔炼时,可以加硅钙等脱氧剂,降低钢液中的溶解氧量,Z后用铝终脱氧,将钢液中的溶解氧降低,此时钢液Z容易吸氢或水汽,因此在钢液出炉一直到浇注入铸型都要防止钢液吸氢或水分,相应采取浇注工艺加以防止

             ②冲天炉熔炼必须要控制炉料质量,防止使用劣质生铁(含有大量气体),对于回炉料、废钢、废铁,尤其是末屑中的铁锈,溶解气体、潮湿、水雪冰等混入炉内,就会增加铁液的吸气量,总之炉料必须保质、干净;熔炼工艺必须匹配合理,切忌风量与生产率不相配,风量、风压、进风角度不当都会使熔化铁水氧化吸气量增加,必须严格遵守熔炼工艺操作,获得上好的铁水。

            3.3.2外生反应性气孔

            金属液与砂型、涂料、砂芯、冷铁、渣滓、氧化膜和树脂粘结剂的碳、氢、氮、氧、硫、磷等等因素发生反应,生成气体,形成气泡而产生外生式反应性气孔,可分为:

            3.3.2.1皮下气孔形成及防止

            皮下气孔的形成原因比较复杂,至今说法也不统一。从容易出现这种缺陷的合金钢、铸铁等来看,虽各有特点,但生产中形成的主要因素基本上是共同的,主要是:铸件水分含量高及透气性低、原金属液气体含量高、都在一定中等壁厚范围内容易出现(见表三)、合金中的易氧化成分,如铁水中含微量Al、Mg及稀土元素、钢水中的Cr、Ca等、熔点较高的合金铸件中容易出现等。

            种类  合金钢件  灰铸铁件  球墨铸铁件

            出现壁厚范围mm    18-40  10-25  8-15

            皮下气孔的形成主要有:

            ①钢液进入型腔后,型腔内含水分过高,水汽是氧化性气体。使

            Fe+H2O→FeO +2H2↑

            除部分聚合氢分子透出铸件之外,大部分氢原子留在铸件表皮下,形成皮下气孔。

             ②灰铸铁和球墨铸铁。金属液浇入型腔后,界面上的水被铁液中的铁、铝、(球铁中的)镁作用产生氢。

            2Al+3H2O→Al2O3+6H↑

            Mg+H2O→MgO+2H↑

            产生的氢使铁液界面氢气富集,凝固时,以氢气泡形成的呈球形或泪滴形,也可视为外生性反应式气孔,为氢析出性气孔类型的皮下气孔。这类皮下气孔是流行性的与当时当地的潮气、霉天、雨雪冰冻有着密切的关系。

            对球墨铸铁铸型、铸芯中,硫的含量也是产生皮下气孔的有害元素,S%>0.094%就易产生皮下气孔

            MgS+H2O→MgO+H2S

            H2S气体不仅产生皮下气孔,同时不利于石墨球化,易出现片状石墨。

            选择上好的、清洁的炉料,加强熔炼控制,提高浇注速度,减少浇注过程温度降低,使铁液充型温度高于其结氧化皮的温度,来防止皮下气孔的产生。

            3.3.2.2氢氮混合皮下气孔产生及防止

            当树脂其N 2%>6%时,铸件就极易产生氢氮皮下气孔,主要是尿素[CO(NH2)2]和催化剂六亚甲基四胺[(CH2)6N4], 当金属液浇入铸型后,树脂粘结剂分解出(NH3),极不稳定又分解出N、H,金属液表层下富集N、H,形成H、N气泡而产生皮下气泡。

            防止措施:配制树脂砂时,钢液原始含N量较高,应选用低N树脂;灰铸铁球墨铸铁可选用含N 3%---6%的中氮树脂,厚壁大件,砂芯复杂、旧砂再生时,含氮量应取低限,对于钢、铁黑色金属铸件,应选用低氮、中氮的树脂作粘结剂,是防止铸件产生氢氮混合皮下气孔的Z关键措施.

            3.3.2.3渣滓皮下气孔生成及防止

            生成:金属液中的渣滓进入型腔之中,浮淌在铸件表面,与金属液或其他(涂料、附加物)中的化学元素发生反应,产生气体,形成气泡,结果在铸件表皮下或敞开处包容着渣滓的成簇的气孔为渣滓皮下气孔火渣气孔。

            金属液置入浇包中无覆盖剂表面上发生二次氧化,形成低熔点,流动性好的液态渣,是SiO2—MnO—FeO三元共晶成分熔体、熔点1170℃,其中FeO和硫产生反应:

            (FeO)+[C] →Fe+CO↑

            产生CO气体与液态渣混为一起,凝固后铸件就出现渣气孔。

            Mn+FeS→←MnS+Fe

            当反应生成MnS 的量较多时,MnS—SiO2—MnO共晶渣(熔点1060℃)流动性更好。

            防止措施:

            ①浇包修搪必须干净,不能用附着厚渣的浇包,防止添渣,浇包置入金属液后,表面务必加覆盖剂(稻草灰等)而防止产生二次氧化(FeO 的出现);

            ②铁液中的Mn、S含量与浇注温度(浇注工艺)要匹配,使其中Mn不与S反应产生MnS而成低熔点三元渣。

            3.3.2.4树脂热分解产生热皮下气孔及防止[3]

            产生:金属液浇入型腔后,型壁受热,致使树脂分解产生原子态的氮、氢,量多分压力高,N、H气体混入铸件表面,凝固后即产生热皮下气孔(H、N混合皮下气孔)。 

            防止措施:树脂粘结剂铸型,对浇注温度很敏感,〈1350℃不会出现热皮下气孔,型腔各部分受热程度不同也会在热区产生热皮下气孔,所以浇注系统应将金属液分散引入型腔,使其热场均匀,缩短充型金属液流动距离,不使型腔局部受热过剧而使呋喃树脂分解。 

             树脂粘结剂,有它优点也有它易分解产生气体使铸件出现气孔的缺点,只要正确掌握它的特性,加以适当措施可以避免和防止,至于其他易使铸件产生气孔原因和防止办法,呋喃树脂粘结剂的铸型也可使用(比如使用冷铁不当产生的气孔等等)。

            4 结束语

            铸件在铸造过程中往往有各种气体,以不同的形式、状态存在着,它们形成的过程和方式较为复杂,它们对铸件的质量有不同程度的影响。只有在铸造整个过程中仔细寻找、分析了气体的来源、溶解、析出过程以及存在的形式、状态以后,才能采取有效的方法和措施,来减少铸件气孔的产生。

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