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    樹脂砂鑄造鑄件產生氣孔的原因及如何防止氣孔的產生

    2022-03-24 10:04:57

    樹脂砂鑄造鑄件產生氣孔的原因及如何防止氣孔的產生

    氣孔是樹脂砂鑄造中Z常見的缺陷之一,采用自硬樹脂砂造型工藝盡管鑄件氣孔缺陷大為減少,但如果工藝、熔煉、澆注等措施不當,氣孔缺陷也時有發生。氣孔(氣眼、氣泡、嗆火)主要在鑄件內部、表面或近于表面處于有大大小小不等的光滑孔眼,形狀有圓的、長的及不規則的、有單個的、也有聚集片的,顏色為白色或帶一層暗包,有時覆有一層氧化皮。

    目前,比較常用樹脂砂鑄造灰鑄、球鐵、合金鑄鐵、碳鋼以及低碳合金鋼,都會產生氣孔,從鑄件的氣孔來看,主要有侵入性氣孔、析出性氣孔、反應性氣孔等,它們對鑄件的質量有不同的影響,但影響大多比較的大,甚至造成鑄件的報廢,因此,我們要想方設法的去防止、控制、阻止它的產生。

    1 氣體的來源

    在樹脂砂鑄造鑄件中,鑄件產生氣孔是比較常見的,主要是由各種氣體形成的,想要更好的去防止、控制、阻止它的產生,就必須找到氣體的來源,它的來源主要在熔煉、鑄型、材料、澆注等過程中產生。 

    1.1熔煉過程[1] 

    熔煉過程中氣體的來源,如表一所示,主要來自各種爐料的銹濕以及周圍氣氛中的水分、氮、氧、以及Co2、Co、So2、H2及有機物燃燒產生的碳氫化合物等。 

    表一熔煉過程中氣體的來源

    氣體種類     氣體來源

    氫      1、爐料中的水分、氫氧化合物、有機物。

    2、爐氣中的水分、氫氣。

    3、爐前附加物(孕育劑等)含有氫、水分及有機物等。

    4、爐襯及爐前工具的水分。

    5、出爐時周圍氣氛中的水分。

    氧      1、爐料中的氧化物。

    2、熔煉時使用的氧化劑。

    3、爐氣及熔煉用工具的潮濕。

    4、爐襯及爐前工具的水分。

    氮      1、爐料中的氮。

    2、爐氣及出爐時周圍氣氛中的氮氣。 

    1.2鑄型

    來自鑄型中的氣體,如表二所示,即自硬樹脂砂中的樹脂、固化劑分解、澆注系統型腔內氣體(空氣、水汽等)、澆注前的水分吸收、涂料、鑄型中發氣物、有機物受高溫而氣化等。

    表二鑄型中氣體的來源

    氣體種類     氣體來源

    氫      1、樹脂中水分

    2、固化劑的分解

    3、各種有機物的分解

    4、鑄型的返潮

    氧      1、鑄型中的發氣物

    2、有機物的分解

    3、澆注系統、型腔內的氣體(空氣、水汽等)

    4、型砂空隙中氧氣

    氮      含氮的各種樹脂

    1.3澆注過程

    澆包未烘干,鑄型澆注系統設計不當,以及澆注速度控制不當或型腔內氣體不能及時排除,由于溫度急劇上升,氣體體積膨脹而增大壓力,都會使氣體進入金屬液,增加金屬種氣體的含量。還有澆注過程中鑄型產生的氣體、鐵液析出的氣體或鐵渣反應生成的氣體。

    鑄件中的氣體主要是氫,其次是氮和氧,氫主要來源各種金屬的爐料、熔劑、爐氣、澆包、爐前加入物及鑄型等中的水分。爐氣和大氣中的氫,雖然也能被吸收,但氫的分壓力極低,故微不足道。

    煙臺鑫諾科鑄造材料有限公司作為爐料廠家,主要生產爐襯材料,干打料,耐火爐料,耐火材料,耐火打爐料,澆注料,酸性爐襯材料,堿性爐襯材料,耐火澆注料,鑄造用爐襯材料,鑄造耐火材料,鑄造爐襯材料,鑄造爐料,澆注料,如有需要,歡迎您的來電咨詢。


    2 氣孔對鑄件質量的影響

    氣孔不僅能減少鑄件的有效截面積,且能使局部造成應力集中,成為零件斷裂的裂紋源,尤其是形狀不規則的氣孔,如裂紋狀氣孔和尖角形氣孔不僅增加缺口的敏感性,使金屬強度下降,而且能降低零件的疲勞強度。

    反應性氣孔是合金鑄件、灰鑄鐵、球墨鑄鐵的常見缺陷,此氣孔出現在鑄件表層1-2mm處,呈現內壁光滑,直徑1-3mm的密集性小孔,多發生在8-15mm厚鑄件上,嚴重影響鑄件的質量,往往占廢品總數的30%。個別鑄件在某個時期甚至100%因皮下氣孔報廢。

    對要求承受液壓和氣壓的鑄件,若含有氣孔,能明顯的降低鑄件氣密度。

    金屬含有氣體也影響到它的鑄造性能。鑄件凝固時析出氣體的反壓力,阻礙金屬液的補縮,造成晶間疏松,即縮氣孔。

    氣孔對鑄件質量的影響是這樣的,因此我們只有搞清各種氣孔產生的原因,才能有效地采取錯,來防止、控制、阻止氣孔的產生,Z終保證鑄件的質量。

    3 若干氣孔的產生原因及防止[2]

    3.1析出性氣孔

    3.1.1特征

    金屬液在冷卻和凝固過程中,因氣體容度下降,析出的氣體的氣體來不及排除,鑄件由此而產生的氣孔,叫做析出性氣孔。

    這類氣孔是鑄件斷面上呈現大面積分布,而靠近冒口、熱節點等溫度較高區域分布較密集,形狀呈球形或裂紋狀多角形花哦斷續裂紋狀或混合狀。通常金屬含氣量較少時,呈裂紋狀,含氣較多,則氣孔較大,且呈團球形。這類氣孔通常發生在同一爐或同一包澆注的一批鑄件中。

    析出性氣孔,主要來自氫氣,其次是氮氣,在鑄鋼件、鑄鐵件時有出現。

    3.1.2形成過程

    金屬液中溶解析出,澆入鑄型后,氫、氧、氮等氣體的溶解度隨著溫度下降而減少,也就說金屬溶解氣體是一個可逆過程,即氣體隨著金屬溫度的上升不斷吸入,溫度下降則不斷析出。

    3.1.3防止和消除析出性氣孔的措施

    控制金屬液中的含氣量,熔煉金屬時,要盡量減少氣體元素溶入金屬液中,主要取決于所用的原材料,合理熔煉操作和合適的熔煉設備。

    (1)要求爐料干燥、干凈,金屬液中溶解的氫氣主要來自水汽,攜入爐中的水分變成水汽,在1000℃或高溫下活潑,金屬的作用離解出氫原子而使金屬液含氫量增加。

    (2)各種油脂都是碳氫化合物,鐵銹是不同水化程度的氧化鐵的混合物,在高溫金屬液作用下釋放出氫、鐵銹分解出水汽。

    (3)鑄鐵、鑄鋼及其它合金的熔煉設備,其熔煉操作在大氣條件下進行,爐氣得含氣量深受大氣環境的影響,比如下雨、濕度大、潮氣足等金屬液溶入的氣體量就增大,要盡量減少熔煉的吸氣。

    (4)提高鑄件的冷卻速度。

    3.2侵入性氣孔產生原因及防止[3]

    3.2.1特征

    氣體由金屬外部侵入而形成的氣孔稱侵入性氣孔。其特征是大多出現在鑄件的一些局部地方,體積較大呈圓形和扁平型,有時呈梨形,它的小頭所指方向常常就是氣體侵入的方向和地方。因為氣泡輕,在鐵水中會上浮并隨鐵水的流動而移動,因此鑄件下比較少發現。

    3.2.2侵入性氣孔產生的原因

    在這里我們以閥體為例,這種侵入性氣孔在閥體鑄件中比較常見,其原因是由含氮量和水分及有機物量多少及固化劑種類,用量的不同,其發氣量的多少也不同,往往在1050℃左右發氣逸出,短時間內N2、H2、O2等,此時砂型、砂芯中的氣體壓力增大而侵入金屬液,形成侵入性氣孔,針對這一情況,一方面要設法阻止氣體侵入金屬液,另一方面設法讓已侵入的氣體排出、逸出。

    3.2.3防止措施

    (1)減少樹脂和固化劑的加入量,選用發氣量較小的樹脂。

    (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)樹脂砂型、砂芯的發氣量大約是粘土砂的2倍,但它的透氣性很好,良好的透氣性為順利排出氣體提供方便,避免氣孔缺陷提供有利條件,不過砂型特別是砂芯的排氣有時也會造成問題,砂芯大多處于金屬液的包圍中,砂芯產生的氣體只能沿著工藝設定的通道順利排出型外,才能有效避免氣孔缺陷的產生,因此我們在造型操作規定型、芯要按工藝要求留出氣道并用導氣繩引出鑄型外,封好出氣道四周,以防金屬液鉆入而堵塞氣道,來保證氣體的順利排出。

    (4)造型后硬化所需時間隨氣溫、濕度、固化劑加入量、固化劑種類等因素的不同而變化,一般要經過十幾個小時以后才能反應完全,未反應完全的鑄型發氣量較高,在冬季尤其應注意砂芯建議能做到隔天使用,外型也起碼保持6-8h以上再澆注。

    (5)澆注系統和澆注工藝要有利于排氣或抑制外來氣體的侵入。加快鑄型內金屬液面上升速度,使型腔內種氣體壓力增加,有助于抑制界面外氣體的侵入,控制澆注時間,除考慮金屬液的特征(均衡凝固、順利凝固),澆注系統對型腔內的金屬液流動,必須便于氣體逸出,從而來防止侵入性氣孔產生。

    如我們在試制超低碳不銹鋼閥體時,鑄件與保溫內冒口相鄰的內壁發現氣孔,形狀不規則,表面呈現氧化色,在壓力試驗時就會發生滲漏現象,經分析此氣孔是侵入性氣孔,是由于保溫冒口與型腔內壁之間型砂中的氣體來不及排出造成的,針對這一問題,我們在保溫冒口套外面纏繞一圈導氣繩連通到中心氣排氣孔中,使此處型砂中的氣體的以順暢排出,從而解決了這一問題。

    3.3反應性氣孔

    3.3.1金屬液內反應性氣孔[4]

    金屬液凝固時,金屬本身化學成分元素和溶解于金屬液的化合物,或化合物之間發生化學反應,形成氣泡而出現氣孔,這是由于金屬液本身的原因產生,所以是內反應性氣孔。

     金屬液中含氧比較豐富,CO反應性內生式氣孔

     (C)+(O)→CO↑

     CO氣體不溶于金屬液,易在固液界面上的枝晶間的凹坑槽或溝槽處處形成 CO初始氣泡,周圍金屬液中溶解的氫氣、氮氣會擴散滲透入 CO氣泡中,不斷擴大,難以上浮排出,隨著凝固界面向鑄件中心推進,同時 CO氣泡不斷地產生新的成簇的 CO氣泡,而導致這種氣泡形成的彌漫性氣體。

     金屬液中的FeO過量時,則(FeO)+[C] →Fe+CO↑

    鐵液在沖天爐中鐵水氧化過盛,也易出現此氣孔。

    (3)防治措施

    ①防止鑄鋼產生內反應氣體是在熔煉時,鋼液要脫氧完全,中頻爐熔煉時,可以加硅鈣等脫氧劑,降低鋼液中的溶解氧量,Z后用鋁終脫氧,將鋼液中的溶解氧降低,此時鋼液Z容易吸氫或水汽,因此在鋼液出爐一直到澆注入鑄型都要防止鋼液吸氫或水分,相應采取澆注工藝加以防止

     ②沖天爐熔煉必須要控制爐料質量,防止使用劣質生鐵(含有大量氣體),對于回爐料、廢鋼、廢鐵,尤其是末屑中的鐵銹,溶解氣體、潮濕、水雪冰等混入爐內,就會增加鐵液的吸氣量,總之爐料必須保質、干凈;熔煉工藝必須匹配合理,切忌風量與生產率不相配,風量、風壓、進風角度不當都會使熔化鐵水氧化吸氣量增加,必須嚴格遵守熔煉工藝操作,獲得上好的鐵水。

    3.3.2外生反應性氣孔

    金屬液與砂型、涂料、砂芯、冷鐵、渣滓、氧化膜和樹脂粘結劑的碳、氫、氮、氧、硫、磷等等因素發生反應,生成氣體,形成氣泡而產生外生式反應性氣孔,可分為:

    3.3.2.1皮下氣孔形成及防止

    皮下氣孔的形成原因比較復雜,至今說法也不統一。從容易出現這種缺陷的合金鋼、鑄鐵等來看,雖各有特點,但生產中形成的主要因素基本上是共同的,主要是:鑄件水分含量高及透氣性低、原金屬液氣體含量高、都在一定中等壁厚范圍內容易出現(見表三)、合金中的易氧化成分,如鐵水中含微量Al、Mg及稀土元素、鋼水中的Cr、Ca等、熔點較高的合金鑄件中容易出現等。

    種類  合金鋼件  灰鑄鐵件  球墨鑄鐵件

    出現壁厚范圍mm    18-40  10-25  8-15

    皮下氣孔的形成主要有:

    ①鋼液進入型腔后,型腔內含水分過高,水汽是氧化性氣體。使

    Fe+H2O→FeO +2H2↑

    除部分聚合氫分子透出鑄件之外,大部分氫原子留在鑄件表皮下,形成皮下氣孔。

     ②灰鑄鐵和球墨鑄鐵。金屬液澆入型腔后,界面上的水被鐵液中的鐵、鋁、(球鐵中的)鎂作用產生氫。

    2Al+3H2O→Al2O3+6H↑

    Mg+H2O→MgO+2H↑

    產生的氫使鐵液界面氫氣富集,凝固時,以氫氣泡形成的呈球形或淚滴形,也可視為外生性反應式氣孔,為氫析出性氣孔類型的皮下氣孔。這類皮下氣孔是流行性的與當時當地的潮氣、霉天、雨雪冰凍有著密切的關系。

    對球墨鑄鐵鑄型、鑄芯中,硫的含量也是產生皮下氣孔的有害元素,S%>0.094%就易產生皮下氣孔

    MgS+H2O→MgO+H2S

    H2S氣體不僅產生皮下氣孔,同時不利于石墨球化,易出現片狀石墨。

    選擇上好的、清潔的爐料,加強熔煉控制,提高澆注速度,減少澆注過程溫度降低,使鐵液充型溫度高于其結氧化皮的溫度,來防止皮下氣孔的產生。

    3.3.2.2氫氮混合皮下氣孔產生及防止

    當樹脂其N 2%>6%時,鑄件就極易產生氫氮皮下氣孔,主要是尿素[CO(NH2)2]和催化劑六亞甲基四胺[(CH2)6N4], 當金屬液澆入鑄型后,樹脂粘結劑分解出(NH3),極不穩定又分解出N、H,金屬液表層下富集N、H,形成H、N氣泡而產生皮下氣泡。

    防止措施:配制樹脂砂時,鋼液原始含N量較高,應選用低N樹脂;灰鑄鐵球墨鑄鐵可選用含N 3%---6%的中氮樹脂,厚壁大件,砂芯復雜、舊砂再生時,含氮量應取低限,對于鋼、鐵黑色金屬鑄件,應選用低氮、中氮的樹脂作粘結劑,是防止鑄件產生氫氮混合皮下氣孔的Z關鍵措施.

    3.3.2.3渣滓皮下氣孔生成及防止

    生成:金屬液中的渣滓進入型腔之中,浮淌在鑄件表面,與金屬液或其他(涂料、附加物)中的化學元素發生反應,產生氣體,形成氣泡,結果在鑄件表皮下或敞開處包容著渣滓的成簇的氣孔為渣滓皮下氣孔火渣氣孔。

    金屬液置入澆包中無覆蓋劑表面上發生二次氧化,形成低熔點,流動性好的液態渣,是SiO2—MnO—FeO三元共晶成分熔體、熔點1170℃,其中FeO和硫產生反應:

    (FeO)+[C] →Fe+CO↑

    產生CO氣體與液態渣混為一起,凝固后鑄件就出現渣氣孔。

    Mn+FeS→←MnS+Fe

    當反應生成MnS 的量較多時,MnS—SiO2—MnO共晶渣(熔點1060℃)流動性更好。

    防止措施:

    ①澆包修搪必須干凈,不能用附著厚渣的澆包,防止添渣,澆包置入金屬液后,表面務必加覆蓋劑(稻草灰等)而防止產生二次氧化(FeO 的出現);

    ②鐵液中的Mn、S含量與澆注溫度(澆注工藝)要匹配,使其中Mn不與S反應產生MnS而成低熔點三元渣。

    3.3.2.4樹脂熱分解產生熱皮下氣孔及防止[3]

    產生:金屬液澆入型腔后,型壁受熱,致使樹脂分解產生原子態的氮、氫,量多分壓力高,N、H氣體混入鑄件表面,凝固后即產生熱皮下氣孔(H、N混合皮下氣孔)。 

    防止措施:樹脂粘結劑鑄型,對澆注溫度很敏感,〈1350℃不會出現熱皮下氣孔,型腔各部分受熱程度不同也會在熱區產生熱皮下氣孔,所以澆注系統應將金屬液分散引入型腔,使其熱場均勻,縮短充型金屬液流動距離,不使型腔局部受熱過劇而使呋喃樹脂分解。 

     樹脂粘結劑,有它優點也有它易分解產生氣體使鑄件出現氣孔的缺點,只要正確掌握它的特性,加以適當措施可以避免和防止,至于其他易使鑄件產生氣孔原因和防止辦法,呋喃樹脂粘結劑的鑄型也可使用(比如使用冷鐵不當產生的氣孔等等)。

    4 結束語

    鑄件在鑄造過程中往往有各種氣體,以不同的形式、狀態存在著,它們形成的過程和方式較為復雜,它們對鑄件的質量有不同程度的影響。只有在鑄造整個過程中仔細尋找、分析了氣體的來源、溶解、析出過程以及存在的形式、狀態以后,才能采取有效的方法和措施,來減少鑄件氣孔的產生。

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