铸铁件的针孔缺陷
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. . 铸铁件的针孔缺陷 中国铸造协会 李传栻 针孔是铸铁件生产中常见的一种铸造缺陷，其尺寸不大，但往往在机械加工时发现，导致铸件报废，造成的经济损失却不小。 针孔虽不算是严重的缺陷，但发生的频次很高，多年来都是困扰铸铁行业的问题之一。20多年前，美国铸造师学会(AFS)曾对此组织过专题研究。近几年，日本的一些知名的铸造企业，如久保田、爱新高丘、ッチョシ等，也相继将这一问题列为课题，对缺陷的特征、产生的原因和防止方法进展了比较深入的研究和探讨。最近，美国的Seymour Katz又在AFS以前研究工作的根底上，提出了一些新的看法。 目前，我国各种铸铁件的产量大约是美国的2.1倍、日本的3.9倍，铸铁行业中，每年因针孔缺陷造成的损失，汇总起来是十分可观的。但是，迄今仍未见有任何企业或研究单位重视这样的“小问题〞，对其进展研究和探讨，而修补这类缺陷的小设备却在全国到处都卖得很火。面对这种状况，对照一下我们和他人应对这一问题的作为，难道还缺乏以发人深省？ 以下，笔者根据多方面的研究报道，对有关铸铁件针孔缺陷的一些问题作简要的介绍，希望能引起业界XX的关心。 一、针孔缺陷的特征 针孔是不外露的皮下气孔，多见于铸件上部、铸型中金属液流前沿的聚集处，在一个铸件上出现的数量可少、可多。针孔是析出性气孔的一种，金属液凝固时，气体在其中的溶解度降低，在具备气泡生核、长大的条件时，就会析出，成为针孔。 造成针孔的气体，因铸铁的成分和铸型的条件而异，最常见的是由氢或氮形成的，而且多数情况下是以析出氢为诱因，然后氮向已形成的气泡中扩散。 在铁液中含氧量高的情况下，也可能在凝固过程中发生碳氧反响析出CO而造成针孔。 还有另一种可能：铁液在浇注过程中外表被二次氧化，产生FeO和其他氧化物，形成氧化性熔渣，熔渣再与铸铁中的碳反响而析出CO。 因析出氢而造成的针孔，或氢、氮同时析出所造成的针孔，多呈球状或梨状，尺寸大体上在0.5～3mm之间。因析出氮或CO而造成的针孔，可以是球状或梨状，也可能沿奥氏体枝晶的晶界析出呈裂缝状，如图1所示。 按针孔内的外表特征，大体上有以下4种情况。 1、孔内外表上有碳膜〔也有人称之为石墨膜〕 因析出氢而造成的针孔，以析出氢为诱因、同时析出氢和氮而造成的针孔，孔内外表上. .word.zl. . . 大都覆盖有不很完整的碳膜，有时还可见到枝状晶。碳膜是在气泡形成后由附近金属中所含的碳向其中扩散而形成的，因此，针孔内有碳膜时，针孔周围的金属组织中往往没有石墨。 2、氧化型针孔 铁液中氧含量较高，或铁液在浇注、充型过程中二次氧化程度较高，或铁液与铸型中的水分反响生成了较多的FeO时，由于FeO和铁液中所含的碳反响而析出CO，也可以造成针孔。这种针孔的内外表根本上见不到碳膜，有时可见到氧化膜。 如果是因金属－铸型界面处FeO含量增多而造成的针孔，那么缺陷位于表皮以下，呈球状或梨状。 如果亚共晶铸铁析出奥氏体枝晶时，枝晶附近铁液中的FeO浓度高，与碳反响产生CO，那么生成的气孔可能沿晶界析出，形状类似于图1所示的裂缝状。 3、内外表有熔渣 有时，针孔內外表上有熔渣模样的夹杂物，这类夹杂物是由氧化物、硫化物和硅酸盐等构成的。针孔往往是由夹杂物中的氧化物与铁液中的碳反响生成CO，并在夹杂物处生核而形成的。这类针孔也是氧化型针孔。 4、针孔内有铁粒 浇注过程中，金属液在浇注系统中发生紊流、飞溅而产生的铁粒，往往会被裹在液流中。铸件凝固时，铁粒外表的氧化膜可能与铁液中的碳反响而造成针孔，铁粒附近金属液中的气体也易于依附铁粒生核、长大。 但也可能有这样的情况：气孔中的“铁粒〞并非在浇注系统中形成的，而是在气孔形成后，由奥氏体枝晶间的低熔点偏析物渗入气孔中形成的。这种情况下，观察针孔附近铸件的显微组织时，可能见到晶粒边界处有偏析物流向针孔后留下的空隙。 二、影响针孔形成的一些因素 铸铁件针孔缺陷的形成取决于多种因素，如铸铁的化学成分、铸型的特点、浇注温度、浇注系统和排气孔的设置等，虽然在这方面已经进展过大量的研究工作，但是，迄今为止，对于形成针孔的机制，仍在探求之中。 在生产经历和研究工作的根底上，对影响针孔形成的一些主要因素，可作如下的分析。 1、铁液中的气体含量 氢、氮、氧是可以存在于铁液中的三种气体元素。铁液的凝固过程中，先析出的固相中含有的气体量很少，使残留的液相中气体的浓度不断增高。当液相中气体含量超过其溶解度后，就可能以气泡的形式析出。 气体在铁液中的溶解度的上限，决定于铸铁的成分、温度和环境中相应气体的分压。 〔1〕氢 在正常的熔炼条件下，铁液中的氢含量〔质量分数〕一般不超过2×10－4 %。在这种情况下，不会以气泡的形态析出。 如果铸型中含有水分，在高温下，液态铸铁中的Fe、Al、Mg、Mn等元素使水复原而释放氢，铁液中的氢含量就可能大幅度提高，具备析出气体的条件。 〔2〕氮 在正常的熔炼条件下，铁液中的氮含量〔质量分数〕一般不超过100×10－4 %，不会以气泡的形态析出。氮含量超过120×10－4 %后，就可能出现针孔。氮含量超过150×10－4 %，就可能出现裂缝状针孔。 如果用尿烷树脂冷芯盒工艺制芯，或用酚醛树脂覆膜砂制芯，都有可能因芯子释放氮而使液态铸铁中的氮含量提高，从而造成针孔缺陷。 冷芯盒工艺制芯所用的尿烷树脂，第一组分中不含氮，第二组分〔聚异氰酸酯〕中含氮。配制芯砂时，树脂的第一组分与第二组分用量之比一般应为50:50。有时，铸造厂为提高芯. .word.zl. . . 子的强度，以便于芯子硬化后将其自芯盒中取出，将第二组分的用量增加，使二者之比为40:60，甚至到35:65，这样，就很容易使铸铁中氮含量过高而造成针孔。 采用覆膜砂制芯时，由于硬化剂〔六亚甲基四胺〕中含氮，如覆膜砂中树脂用量太高，浇注过程中铸铁中的氮含量也可能增高，从而导致产生针孔。 用树脂自硬砂造型时，采用尿烷树脂或含氮量较高的呋喃树脂作粘结剂，也是可能是导致铁液中氮含量增高的因素。 〔3〕氧 铁液中溶解的氧的质量分数应保持在20×10－4 %～30×10－4 %，以保证为石墨生核提供条件，增强孕育处理的效果。 如果熔炼过程控制不当，铁液中的氧含量过高，也可能导致针孔缺陷。 此外，在铁液浇注、充型的过程中，液流外表会发生二次氧化，其中所含的Fe、Si、Mn等元素被氧化，形成含FeO、SiO2、MnO等氧化物的熔渣，这类氧化物的共晶成分的熔点很低。低熔点的熔渣极易成为携带FeO的载体，在具备气泡在液相中生核的条件时，其中的FeO就与铁液中的碳反响，生成CO，造成氧化型针孔。 2、液态铸铁中产生气泡的外部条件 在均匀的液相中产生另一新相〔气泡〕是非常困难的，需要相当大的能量，使系统的自由能增加。液相中产生气泡时，总是先由几个原子或分子聚集而生核，起初体积非常微小。这种微小的气泡，比外表积〔即单位体积的外外表积〕极大，要在液相中产生新的界面，就要获得能量，使新产生的气泡具有必要的界面能，其值等于其外外表积与液－气界面上外表X力的乘积。即使新相〔气泡〕已经生核，其长大也需要能量，而且只有在尺寸超过某一临界值后才能继续长大。尺寸小于临界值的气泡不可能长大，只会自行消失。 新相在非均匀相中生核，情况就大不一样了。例如：在固相－液相界面处产生气泡所需的界面能就少于在均匀的液相中产生气泡所需的能量；如果固相以尖端插入液相，那么在尖端处产生气泡所需的界面能更少；如果固相是由液相凝固而形成的，可能因凝固过程中的体积收缩而在固相－液相界面处产生微小的缩孔，在这种情况下，气体可直接向缩孔中扩散而析出，使微小的缩孔扩大为针孔，不需要产生新相所需的界面能。 〔1〕铸型－金属界面处形成一层硬皮后最有利于形成针孔 铁液开场凝固时，先在铸型－金属界面处结晶，形成一层硬皮，晶粒的析出使固－液相界面处液相中的气体含量增高，同时还有自铸型吸收的气体。这是有利于在此处产生针孔的内部条件。 同时，硬皮朝液相的一侧是固－液相界面，又有奥氏体枝状晶的尖端插入液相。有些情况下，还可能有微小的缩孔。这是有利于产生针孔的外部条件。 因此，针孔都产生于硬皮与液相的界面处，成为不外露的皮下气孔。 〔2〕铸型中金属液流前沿聚集处有利于形成针孔 在铁液浇注、充型的过程中，液流的前沿不断与新的铸型外表接触，这局部铁液与铸型接触的时间也最长，有利于吸收铸型受热后释放的气体。 液流前沿的金属与大气接触的时间最长，易于氧化，其中含有的FeO量很高。 因此，在铸型中金属液流前沿聚集处，各种气体的含量都高，是最易于产生针孔的部位。 〔3〕使铁液外表X力降低的因素都可以促进针孔的形成 前面已经提到，液相中产生气相需要增加的界面能，等于其外外表积与界面上的外表X力的乘积。 因此，所有能使铁液外表X力降低的因素，无论是化学的或物理的，都有助于气泡的生核和长大，使产生针孔的可能性增大。 3、不同品种的铸铁对针孔缺陷的敏感程度不同 . .word.zl. 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/0b1394215222aaea998fcc22bcd126fff6055df0.html