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翻砂鑄件氣孔形成的原因與預防的方法

發布時間:2023-04-22 16:52:00
氣孔是鑄造生產中常見的鑄件缺陷之一。在翻砂鑄件的廢品中,據統計,由于氣孔導致的鑄件廢品占廢品總數的三分之一左右。氣孔是氣體聚集在鑄件表面、皮下和內部而形成的空洞。氣孔的孔壁光滑,無一定的形狀、尺寸和位置。氣孔有各種類型,其產生的原因各不相同,按氣體來源,一般將氣孔分為三類:侵入性氣孔、析出性氣孔和反應性氣孔。
一、侵入性氣孔
由于澆注過程中液態金屬對鑄型激烈的熱作用,使型砂和芯砂中的發氣物(水分、粘接劑等)氣化、分解和燃燒,生成大量氣體,加上型腔中原有的氣體,這些氣體部分侵入液態金屬內部而不能逸出所產生的孔洞,稱為侵入性氣孔。
1.侵入性氣孔的形成條件
由于澆注時鑄型在液態金屬的高溫作用下產生大量氣體,從而使液態金屬和鑄型界面上的氣體壓力驟然增加,氣體可能侵入液態金屬,也有可能從型砂或冒口、出氣孔中排出型外,只有在滿足下列條件的情況下型(芯)砂中的氣體才會侵入液態金屬即P氣>p液+p阻+p腔式中p氣:液態金屬和砂型界面的氣體壓力;
P液:液態金屬的靜壓力(p液=ρgh)  P阻:氣體侵入液態金屬時,由于液態金屬表面張力而引起的阻力
P腔:型腔中液態金屬液面上的氣體壓力 
2.防止侵入性氣孔的主要方法和工藝措施
(1)降低砂型(芯)界面的氣體壓力是最有效的手段。如選用透氣性好,發氣量低的造型材料;控制型砂的水分及其它發氣附加物;應用發氣量低、發氣速度慢、發氣溫度高的粘結劑;砂型(芯)排氣要暢通,增加出氣孔,提高鑄型的排氣能力;澆注后及時引火。引火后可聽到氣體的爆燃聲和砂箱周圍燃燒的火焰,砂箱移開后,可看到下部潮濕的痕跡。說明有大量的氣體產生如H2、O2、CO、H2S等氣體。
(2)適當提高澆注溫度,延遲凝固時間,使侵入的氣體有充分的時間從液態金屬中上浮和逸出。
(3)加快澆注速度,增加上砂型高度,使有效壓力頭增加,提高液態金屬的靜壓力。
(4)澆注系統在設置時,應注意液態金屬流的平穩,澆注千萬不能中斷,防止氣體卷入金屬液中。
(5)出鋼后,讓鋼液靜置5—10分鐘,使鋼液中的氣體逸出。
二、析出性氣孔 
溶解在液態金屬中的氣體,在冷卻凝固過程中,由于溶解度降低而析出形成的氣孔,稱為析出性氣孔。
(1)特征
析出性氣孔數量多、尺寸小,形狀呈圓形、橢圓形或針狀。在鑄件斷面呈大面積均勻分布,主要是氫氣孔和氮氣孔,這是鑄鋼件中常見的缺陷,鑄鐵件中相對較少。
(2)析出性氣孔形成機理
金屬具有吸附和溶解氣體的能力(如氫、氮、氧等)。尤其在液態時,能夠溶解大量氣體。其形成過程分吸附和擴散兩個階段。
(a)吸附階段
氣體分子與金屬原子由于靠分子間引力吸附到金屬表面,稱為物理吸附。物理吸附不牢固,也不能進入金屬內部,吸附量不大且只能在低溫下進行。而某些氣體分子(如氫氣、氧氣)碰撞到金屬表面后被離解為原子,由于化學鍵的作用被吸附在金屬表面,稱為化學吸附?;瘜W吸附的氣體量隨溫度升高而增加。
(b)擴散階段
被化學吸附在金屬液表面的氣體原子能繼續滲入到 金屬內部這個過程即為擴散。大量氣體擴散到金屬液內部并保留其中,稱為溶解。
(c)氣體的析出及氣孔的形成
溶解在金屬液中的氣體,在溫度低和外界氣氛壓力降低時,就會從金屬中析出,部分掙脫吸附克服阻力逸出,部分由于金屬液表面凝固阻力大于浮力而形成氣孔。
(3)防止析出性氣孔的方法。主要從三個方面采取措施:
(a)減少合金的吸氣量。清潔爐料,烘干爐襯和澆注工具,縮短熔煉時間,避免液態金屬和爐氣的接觸,減少熔煉吸氣等。
(b)合金液的除氣處理??捎眉尤朐爻龤夥ɑ虼等攵栊詺怏w,以及真空除氣法等。
(c)阻止氣體的析出。提高鑄件冷卻速度,提高外界氣氛的壓力等。
三、反應性氣孔
由于液態金屬與鑄型界面之間、液態金屬與渣之間或液態金屬內部元素之間發生了某些化學反應產生氣體而形成的孔洞,稱為反應性氣孔。
(1)反應性氣孔特征
這些氣孔一般均勻成群分布,且往往產生于鑄件皮下形成皮下氣孔,又因其形狀呈針頭狀,又稱針孔。此類氣孔在鑄鋼件中出現較多。
(2)反應性氣孔形成機理
(a)鑄鋼件的皮下氣孔。鑄鋼件的皮下氣孔形狀為垂直于鑄件表面呈針狀,分布于皮下1-3mm處,數量多而尺寸小,直徑∮1-∮3mm,表面光滑,呈銀白色或藍黑色,清砂后少數氣孔露出,熱處理去氧化皮后有更多氣孔露出。 
生產實踐中發現如下形象:薄壁鑄鋼件的底面比側面和上面的針孔多(底面水分不易蒸發);厚壁鑄鋼件則上面針孔多;濕型鑄造比干型多,濕型分型面處尤多;鋼液脫氧不良針孔多。對于皮下氣孔形成的機理有兩種觀點:一是氫氣學說,二是一氧化碳學說。
氫氣學說認為,鋼液于鑄型水汽接觸發生化學反應分解成氫,部分逸出,一部分溶解在鋼液中,使鋼液中氫含量達到飽和。當鑄件凝固時,鋼液含有的氫要從固相中析出而被趕到金屬固—-液界面上,形成氫偏析,使界面上氫濃度大大提高。如果鋼液中含有較多FeO, 則在鑄件皮下FeO與氫反應生成H2O。水成為非自發性氣核,鋼液中析出的氫向氣核集中,形成氣泡并長大,最終形成氣孔。
一氧化碳學說認為,當鋼液脫氧不良有殘存的FeO或鋼液與水汽反應生成FeO,這些氧化鐵與鋼液中的碳發生反應生成CO。其防止辦法除氣和脫氧盡量減少鋼中的氫和氧化鐵;嚴格控制型砂中的水分;造型時盡量減少刷水;增強鑄型的排氣能力。 
(b)球墨鑄鐵件的皮下氣孔。
皮下氣孔是球墨鑄鐵件的主要缺陷之一。在鑄件下1—2.5mm處,多為¢1-¢3mm圓形或長形小孔。在生產實踐中發現:鐵液含硫高,特別是殘留鎂量高時皮下氣孔嚴重;澆注溫度過低是皮下氣孔嚴重;濕型比干型多,濕型砂水分越多皮下氣孔愈多;小件內澆口附近皮下氣孔較多,壁厚在8-15mm的鑄件易形成皮下氣孔。  
鐵液內部析出的氣體有鎂的蒸氣、硅鐵和稀土合金帶進的氫、鐵液因凝固溶解度降低析出的氫氣。外部侵入的氣體有鐵液中逸出的和鐵液表面的硫化鎂與鑄型的水蒸發生反應生成的氣體。
鐵液內析出的氣體以及侵入的氣體,受到球墨鑄鐵液表面氧化膜的阻止,而不能盡快逸出型外,鑄件凝固后氣體便留在鑄件皮下,形成皮下氣孔。其防止措施如下: 
(1)在保證球化的前提下,盡量減少鎂的殘留量。
(2)鐵液中的含硫量盡量降低。因硫與鎂生成硫化鎂,硫化鎂與水汽生成硫化氫氣體。
(3)盡量減少型砂中的水分。提高透氣性。孕育硅鐵要預熱、烘烤。

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