铸铁件的针孔缺陷

.铸件的针孔缺陷中国铸造协会李传牦针孔是铸铁件生产中常见的铸造缺陷，其尺寸不大，但在机械加工时发现，导致铸件报废的经济损失不小。针孔并不严重，但发生频率高，是多年来困扰铸铁行业的问题之一。 20多年前，美国铸造师学会(AFS )对该组织做过专门的研究。 近年来，日本着名的铸造企业如久保田、爱新高丘、巧克力等也相继将这一问题作为课题，对缺陷的特征、产生的原因和防止方法进行了深入研究和探讨。 最近，美国Seymour Katz在AFS以前的研究基础上，提出了一些新的意见。目前我国各类铸铁零件产量约为美国的2.1倍，约为日本的3.9倍，铸铁行业每年因针孔缺陷造成的损失总结起来非常大。 但是，迄今为止，还没有企业和研究机构重视这种“小问题”。 正在对其进行研究和探讨，修复这种缺陷的小设备在全国各地都很受欢迎。 面对这种情况，比较一下我们和其他人应对这个问题，难道还不能深刻反省人吗以下，笔者根据多方面的研究报告，简要介绍了铸铁针孔缺陷的一些问题，希望引起业内同事的关注。一、针孔缺陷的特点针孔是不外露的皮下气孔，多见于铸件上部、铸型中金属流前端的集聚处，一个铸件出现的数量可以少也可以多。 针孔是析出性气孔的一种，金属液凝固后，其中气体的溶解度降低，气泡生成核，具备生长条件时析出，成为针孔。引起针孔的气体，根据铸铁的成分和铸模的条件而不同，最常见的是由氢和氮构成的，而且多以析出氢为诱因向形成有氮的气泡扩散。铁液中氧量高时，凝固过程中发生碳氧反应，CO析出，也可能产生针孔。铁液在浇注中表面被二次氧化，产生FeO和其他氧化物，形成氧化性炉渣，炉渣也有可能与铸铁中的碳反应而析出CO。氢的析出引起的针孔和氢和氮同时析出引起的针孔为球状或梨状，尺寸大多在0.53mm之间。 氮和CO的析出引起的针孔，如图1所示，即使是球状和梨状，也有可能沿着奥氏体枝晶的晶界以龟裂状析出。根据针孔内的表面特征，大致有以下4种情况。1 .孔的内表面有碳膜(也称石墨膜)氢的析出引起的针孔是以氢的析出为诱因，氢和氮同时析出引起的针孔，孔的内表面多被不完全的碳膜复盖，有时可以看到枝晶。 由于碳膜是在气泡形成后附近的金属中含有的碳扩散形成的，所以在针孔内有碳膜的情况下，针孔周围的金属组织中大多不存在石墨。2 .氧化型针孔铁液中的氧含量高的情况，铁液注入、填充的过程中二次氧化程度高的情况，铁液与铸模中的水分反应生成很多FeO的情况，FeO和铁液中含有的碳反应，CO析出，引起针孔。 在这个针孔的内面几乎看不到碳膜，有时能看到氧化膜。如果是由于金属铸模界面的FeO含量增多而产生的针孔，则缺陷位于表皮之下，呈球状或梨状。亚共晶铸铁析出奥氏体枝晶时，枝晶附近的铁液中的FeO浓度高，与碳反应而产生CO时，生成的气孔有可能沿着晶界析出，成为图1所示的裂纹状的形状。3、里面有炉渣针孔内面有时会有炉渣样的夹杂物，这种夹杂物由氧化物、硫化物、硅酸盐等构成。 针孔是夹杂物中的氧化物与铁液中的碳反应生成CO，在夹杂物中生成核而形成的。 这种针孔也是氧化型针孔。4、针孔内有铁粒浇注中，金属液在浇注系统中紊流、飞散而产生的铁粒多被流动包围。 铸件凝固后，铁粒表面的氧化膜有可能与铁液中的碳反应而引起针孔，铁粒附近的金属液中的气体也依赖于铁粒生成核，容易生长。但是，气孔中的“铁粒”并非由浇注系统形成，有时气孔形成后奥氏体粒间的低熔点偏析物渗透到气孔中而形成。 在这种情况下，观察针孔附近铸件的显微组织，有可能看到偏析于晶界的物流向针孔残留的空隙。二、影响针孔形成的因素铸铁针孔缺陷的形成依赖于铸铁的化学成分、铸模特征、浇注温度、浇注系统和排气孔的设置等各种因素，在这方面已经进行了许多研究，但迄今为止，形成针孔的机理还在探讨之中。根据生产经验和研究，对影响针孔形成的几个因素进行了如下分析。1、铁液中气体含量氢、氮、氧是铁液中可以存在的3种气体元素。 在铁液的凝固过程中，先析出的固相中含有的气体量少，残留的液相中的气体浓度变高。 液相中气体含量超过溶解度时，有可能作为气泡析出。气体对铁液溶解度的上限由铸铁的成分、温度和环境中气体的分压决定。(1)氢在正常熔炼条件下，铁液中的氢含量(质量分数)一般不超过210-4 % . 在这种情况下，不会以气泡的形式析出。如果铸模中含有水分，在高温下液态铸铁中的Fe、Al、Mg、Mn等元素将水还原释放出氢，铁液中的氢含量可能会大幅度提高，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10010-4 %，不会作为气泡析出。 氮含量超过12010-4 %时，可能产生针孔。 氮含量超过15010-4 %时，可能产生裂纹状针孔。如果用聚氨酯树脂冷芯壳制作芯，或者用酚醛树脂包复砂制作芯，由于芯释放氮，液态铸铁中的氮含量上升，有可能引起针孔缺陷。冷芯壳体制造芯中使用的聚氨酯树脂在第一成分中不含氮，在第二成分(多异氰酸酯)中含有氮. 在制备型芯砂时，树脂第一成分与第二成分的使用量之比通常为50:50 . 在某些情况下，铸造厂为了提高型芯的强度，在型芯硬化后将其从芯壳中取出，增加第二成分的使用量，使两者之比为40:60，进而为35:65，铸铁中的氮含量过高，容易形成针孔。采用霸膜砂制芯时，由于固化剂(六亚甲基四胺)中含有氮，因此霸膜砂中的树脂使用量过高时，浇注中铸铁中的氮含量也变高，有可能产生针孔。用树脂造型硬砂时，使用聚氨酯树脂或氮含量高的呋喃树脂作为粘接剂，也有可能成为铁液中氮含量变高的原因。(3)氧铁液中溶解氧的质量分率保持在2010-4 %3010-4 %，为石墨核提供条件，提高培育处理效果。如果熔炼过程控制不当，铁液中氧含量过高，也可能引起针孔缺陷。另外，在铁液的浇注、填充过程中，液流表面二次氧化，其中所含的Fe、Si、Mn等元素被氧化，形成含有FeO、SiO2、MnO等氧化物的熔渣，这种氧化物的共晶成分的熔点较低。 低熔点的熔渣容易成为担载FeO的载体，但如果气泡具备在液相中产生核的条件，其中的FeO会与铁液中的碳反应而生成CO，引起氧化型针孔。2 .液态铸铁产生气泡的外部条件在均匀的液相中产生另一个新相(气泡)是非常困难的，需要相当大的能量，增加系统的自由能。 液相中产生气泡时，总会聚集一些原子和分子形成核，最初体积非常小。 这种微小的气泡，比表面积(即单位体积的表面面积)极大，为了在液相中产生新的界面，需要获得能量，使新产生的气泡具有必要的界面能，其值等于其表面面积与液气界面的表面张力的乘积。 即使新相(气泡)已经有核，成长也需要能量，而且只有在大小超过某个阈值后才能继续成长。 大小小于阈值的气泡不能成长，只会自己消失。新相不均相核，情况大不相同。 例如，在固相-液相界面产生气泡所需要界面能，如果在前端插入比在均匀的液相下产生气泡所需要的能量少的固相，则在前端产生气泡所需要的界面变得更少的固相通过液相凝固而形成时， 凝固过程中的体积收缩可能会在固相液相界面产生微小的收缩孔，在这种情况下，气体直接扩散到收缩孔中析出，微小的收缩孔扩大到针孔中，不需要产生新相所需的界面能。(1)结晶器金属界面形成硬皮后，最有利于针孔的形成铁液开始凝固时，首先在结晶器金属界面结晶形成硬皮，晶粒的析出在固液相界面提高液相中的气体含量的同时也有从结晶器吸收的气体。 这是这里产生针孔的有利内部条件。同时，硬皮在液相侧有固液相界面，奥氏体枝晶的前端插入液相。 在某些情况下，可能会有小的缩痕。 这是有利于产生针孔的外部条件。因此，针孔发生在硬皮与液相的界面，成为不露出的皮下气孔。(2)铸模中金属流的前端聚集的场所有利于针孔的形成在铁液的浇注、填充过程中，流动的前端不断接触新的铸模表面，这部分铁液接触铸模的时间最长，有助于吸收铸模受热后释放的气体。液流前端的金属与大气接触的时间最长，容易氧化，其中含有的FeO量高。因此，在铸模中金属流的前端聚集的地方，各种气体含量高，是最容易产生针孔的地方。(3)降低铁液表面张力的主要原因促进针孔的形成如前所述，液相中的愤怒相需要增加界面能，其表面面积与界面处的表面张力之积相等。因此，降低铁液表面张力的所有因素在化学和物理方面都有助于气泡的成核和生长，产生针孔的可能性增大。3 .不同品种铸铁对针孔缺陷的敏感度不同球墨铸铁含有活性强的镁，因此球墨铸铁比灰铸铁更容易出现针孔缺陷。 在采用粘土干式浇注的条件下，球墨铸铁材料和灰色铸铁材料形成针孔的概率基本相近。 采用壳型、含氮树脂砂型或粘土湿砂型，球墨铸铁材料对针孔缺陷的敏感度远大于灰铸铁材料，生产中应特别注意防止针孔产生的措施。4 .浇注温度和铸件壁厚的影响铁液注浆温度对针孔的形成有多方面的影响，注浆温度是不能一概而论，还是不能一概而论，必须根据具体条件进行认真分析。液态金属流入砂型时，铸砂受到高温作用产生大量气体，很快在模具内形成压力峰值，模具内的压力对针孔的形成有很大影响。浇注温度高，铁液多被铸模吸收气体，是产生针孔的有利因素。 但是，浇注温度高的话，铸件的凝固变得缓慢，凝固有可能发生在模具内气压的峰值减少之后，这有利于气体从模具中排出，是避免产生针孔的要素。浇注温度低，金属吸气少，凝固快，而且凝固发生在铸模内压力峰附近，被铁液卷入的气体和析出的气体难以排出，产生针孔缺陷的可能性变高。因此，要判断浇注温度的影响，必须综合考虑铸件的壁厚、凝固速度、铸模条件及其他因素。一般规则是，如果使用粘土润湿砂型时，提高浇注温度时铸件使用含有容易产生针孔的氮的树脂砂型时，提高浇注温度有助于减少针孔缺陷。在含氮树脂砂型中，通常在12801400之间采用高浇注温度可以减少针孔的形成。 但生产薄壁铸件时，降低浇注温度会减少针孔缺陷，生产厚壁铸件时，降低浇注温度会增多针孔缺陷。灰铸铁材料和球墨铸铁材料在薄壁铸件中产生针孔缺陷的概率也比厚壁铸件低。 薄壁铸件凝固快，金属吸气少，组织中碳化物多也是针孔缺陷少的原因。 有研究报告指出，铸铁组织中的石墨比碳化物更容易促进针孔的形成。不同壁厚铸件产生针孔缺陷的趋势大致如下l壁厚为6mm以下的铸件凝固快，吸气少，即使气泡产生核也难以生长，因此产生针孔的概率低l壁厚为625mm间铸件最容易产生针孔缺陷l壁厚在25mm以上的铸件凝固缓慢，有利于气体的扩散、逸出，也不易产生针孔缺陷。5、铸铁中硅、碳含量的影响铁液中所含的硅，虽然能稍微降低表面张力，但硅使铁液中的FeO含量减少，抑制CO的析出量。 总体上，灰铸铁中硅含量在1.62.3%之间，球墨铸铁中硅含量在2.23.0%之间，提高硅含量会使铸件产生针孔缺陷的趋势略有下降，但影响不明显。在正常含量范围内，碳对针孔缺陷的形成没有显着影响。6、铸铁所含铝在形成针孔中的作用20世纪60年代初，英国铸铁研究协会J. V. Dawson发现铁液中的铝对铸件是否产生针孔缺陷有重要影响。 往铁液中倒入少量的铝，铸件就会形成针孔。 特别是注入铁液的铝，与铁液熔炼后残留的铝有很大的不同。 残留铝含量的测定值中含有铝的氧化物，因此其活性非常低。70年代，美国铸造师学会，Case Western Reserve大学的J. F. Wallace等具体实施了铸造铁材料的针孔缺陷组织的主题研究。 为了研究流入铁液的铝的影响，不改变其他参数，改变流入铁液的铝的数量，通过流入厚度不同的试料，分析了产生针孔缺陷的情况。 其结果，铝的添加量为0.015%以下，试料中几乎不产生针孔的添加量为0.20%以上，对针孔缺陷也不敏感的添加量在0.0150.20%之间，最容易出现针孔。为了探讨铝的作用机理，Wallace等人对不同条件下的液态铸铁进行了表面张力的测定。 许多测量数据表明，铁液中含有的铝量对其表面张力有不可忽视的影响，而且表面张力的变化与铸件产生针孔的概率相对应。 在铁液中加入的铝量少的情况下，表面张力高，形成针孔的概率少，铝的添加量在0.0150.20%之间，铁液的表面张力降低，铸件中容易产生针孔的铝的添加量在0.20%以上，表面张力再次提高，抑制针孔的产生在用粘土润湿砂子的状态下，铁液中含有的铝与铸型的水分反应生成Al2O3和氢，释放出的氢的部分被液态铸铁吸收。 铁液凝固后，氢的溶解度大幅度降低，氢析出，具有形成气泡的内部条件。 但是，要产生气泡，还必须具备在固液相界面形成气泡所需的外部条件。 如果没有产生新相的外部条件，氢就不能以过饱和状态存在于铸铁中，析出形成针孔。 液态铸铁含有0.0150.20%的铝，其表面张力下降，正好为气泡的形成准备了外部条件。为了确认上述试验得出的结论，Wallace等人还进行了去除铁液中的铝的试验。 在含有铝、凝固时容