球墨铸铁件表面缺陷.doc

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1、球墨铸铁件表面缺陷清华大学于震宗引言球墨铸铁件的缺陷分为表面缺陷和内在缺陷两大类，后者即有关金属材质方面的缺陷，不属于本文范围内。本文内容重点是砂型铸件的表面缺陷，包括用湿型砂、水玻璃砂、树脂砂等砂型和砂芯生产的铸件。砂型球墨铸件的表面缺陷有多种，本文仅选择①粘砂，②砂孔和渣孔，③夹砂，④气孔，⑤胀砂、缩孔和缩松等缺陷进行讨论。有的缺陷如灰班虽然发生在铸件表面上，而产生原因完全属于材质方面，则不包括在本文内：一.球墨铸件气孔缺陷气孔是最难分析其形成原因和最难找出防治方法的铸件缺陷。这是因为气孔的形成原因很多，从外观上又不易分清气孔是属于那种类型的。虽然采用扫描电镜和能谱等微观分析方法有助于估计

2、气孔的产生原因，但是这些先进的技术都还处于研究阶段，大多数铸造工厂尚难在生产中利用。根据气孔发生机理，可分为裹入、侵入、析出和反应四类气孔。其中裹入气孔是浇注时金属液中裹带着空气泡，随着液流进入型腔中而产生的气孔缺陷。侵入气孔是铸件表面凝固成壳以前，砂型、砂芯等造型材料受热产生的气体侵入金属液中，形成气泡而产生的气孔球铁铸件最常遇到的气孔缺陷是反应气孔和析出气孔。以下将分别讨论：1.析出气孔金属液中溶解的原子态氢、氮气体元素，随金属温度下降而溶解度逐渐减小。下降至结晶温度或凝固温度时，溶解度突然变小，氢、氮以分子态气相析出形成气泡，使铸件产生气孔，称为析出气孔。生产铸铁的工厂中，最常见的析出气

3、孔是使用树脂砂型和砂芯造成氨氮气孔，也有来自炉料和增碳剂的氮气孔。。①氨氮酚醛树脂覆膜砂的硬化剂为乌洛托平（六亚甲基四胺(CH2)6N4）。铸铁件用热芯盒呋喃树脂含有尿素（CO(NH2)2）。硬化剂用含有尿素和NH4Cl的水溶液。冷芯盒和自硬砂用酚醛脲烷树脂的聚异氰酸酯组分中含有-RNCO基团。上述树脂砂都含有多少不等的氨或胺，都是引起析出气孔的根源。所含氮不同于空气中的氮，大气中78％是由氮组成，并不引起析出气孔缺陷。区别在于上述树脂的氮是“氨氮”。浇注时，树脂砂中粘结剂分解出NH3，在高温下NH3进一步分解出原子态的[N]和[H]。溶解在金属液中并向内扩散。随着金属液温度下降，溶解度也下降

4、。凝固时溶解度突然变小，氢和氮以分子态析出成小气泡。两种气泡合称“氮气孔”。由于[N]在铁水中扩散较缓慢，气孔在远处少。除了一小部分露在铸件表面以外，大部分形成的气孔就位于表皮下面，经抛丸或初加工后显露出来，因此又称为“皮下气孔”。大多为表面光洁的细小圆球形孔洞，孔内有石墨膜。孔径大约只有0.5~1mm左右，因而又常称为“针孔”。分布较弥散，主要靠近树脂砂型和砂芯处和热节处较多。有时也会成为枝晶间裂隙状。大多数向铸件内延深不超过6mm。用电炉或冲天炉熔化废钢生产铸铁件和使用增碳剂沥青焦炭或SiC，都有可能将原材料所含氮带入而形成裂隙状氮气孔。③防止措施a)严格控制铁水中、粘结剂中和树脂砂中氮含

5、量和降低树脂加入量。根据工厂经验，含氮量控制数值见下表，表中上下限对应于薄壁及厚壁铸件：控制N含量（％）粘结剂树脂砂金属液一般灰铁3～100.10～0.200.015高强灰铁，球墨铸铁3～60.06～0.100.010铸钢，高合金铸铁0.5～1.00.01～0.020.010b)铸铁件树脂砂中加氧化铁粉（Fe2O3）约0.3～1.0％。有人认为其原理是铁水遇到Fe2O3快速放出氧，立即与从粘结剂的N分解产物反应形成稳定的NOx化合物。也有人认为氧化铁与铁水接触后发生分解，并与碳作用生成一氧化碳。通过一氧化碳气泡的逸出，同时带走了铁水中的氮和氢。但会降低芯砂强度或增加树脂耗量，非万不得已，最好不

6、用。应从原砂质量和树脂改性上着手。c)在铁水中加入0.05％的氮稳定剂Ti，或Fe-Ti合金（含钛24～28％）。钛与氮可形成不溶于铁水的氮化物TiCN或TiN。但会恶化切削加工性能，此法慎用。d)砂型和砂芯上涂刷不含氮的高温烧结型涂料，在高温下涂料能够烧结成为密实的防护壳，阻止粘结剂分解出的气体溶解入金属液。也有时采用含氧化铁粉的专用涂料。e)烘烤冷芯盒和自硬砂用酚醛脲烷树脂砂芯使颜色变成巧克力棕色，粘结剂的挥发达55%。对消除气孔有明显作用。组分II树脂中氮成分可以继续进行反应形成稳定的化合物。2.反应气孔铁水与砂型、砂芯、夹杂物等之间发生化学反应生成气体，以及铁水与溶解的化合物发生化学反

7、应生成气体，所产生的气孔称为反应气孔。一般为直径1～3mm的小孔，分布在铸件表皮下，所以又称为皮下气孔。球墨铸铁件的皮下气孔特征是在铸件表面以下1～3mm处，有成串、成簇的直径1～3mm的小气孔。孔呈球形或泪滴形，孔壁光滑发亮，覆盖着一层石墨膜。孔洞边缘常是无石墨组织的金属层。有的孔洞存在很小的开口，孔壁呈氧化色。小部分孔洞表面粗糙，含有Mg、Al、Mn、Si等夹杂物。皮下气孔的形成机理为：①冲天