樹脂砂鑄造“氣渣隔”缺陷的形成機理及防止

陳小華，查明暉，封雪平，鮑 飛

（南車集團戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

隨著球鐵件表面磁粉探傷要求和磁粉探傷檢測靈敏度的提高，一些對疲勞強度、沖擊韌性等性能有較高要求的球鐵件，經(jīng)常因磁粉探傷不合格出現(xiàn)批量報廢的情況[1]。

磁粉探傷時磁痕超標缺陷主要為夾渣，形成夾渣的原因不同，夾渣的類型和反映出的形態(tài)也就不同。從形態(tài)上看，有團塊狀的；有分散性裂紋狀的[2-3]。形態(tài)不一樣，說明其類型和形成的原因都不一樣，相對應(yīng)的解決辦法也就不一樣。筆者在一鑄件試制過程中發(fā)現(xiàn)了一種呈圓周型的磁痕超標缺陷。經(jīng)分析此缺陷為氣渣隔缺陷[4]。本文詳細介紹了氣渣隔缺陷的性質(zhì)特征，并提出了氣渣隔缺陷的形成原因和機理，這對預(yù)防和解決這類缺陷具有積極意義。

1 缺陷特征

氣渣隔缺陷常常出現(xiàn)在鑄件上型的大平面上。鑄件落砂后，氣渣隔缺陷處涂料層隨同砂塊剝落，缺陷處表面光亮無粘砂（見圖1），與鑄件其他無缺陷的表面存在明顯的區(qū)別。在鑄件熱處理拋丸后，氣渣隔缺陷的表面和其他無缺陷的表面無明顯區(qū)別，肉眼無法直接發(fā)現(xiàn)。磁粉探傷時，在氣渣隔表面存在圓周型的磁痕聚積，如圖2.對氣渣隔缺陷進行輕微的打磨后，可見氣渣隔內(nèi)部為圓周型的不熔合的溝壑，溝壑深度較淺（見圖5）.沿著氣渣隔缺陷縱向解剖，將縱向切片分別做金相分析和濕法磁粉探傷。圖3為氣渣隔缺陷縱向切片濕法磁粉探傷照片，鑄件平面上氣渣隔處磁粉聚積清晰可見，而氣渣隔缺陷縱向卻無磁粉聚積。圖4為氣渣隔缺陷縱向切片金相分析照片，從照片可知，氣渣隔缺陷縱向石墨球化較好，組織致密正常，只是在表面發(fā)現(xiàn)一處25.01 μm的不熔合缺陷。對不熔合缺陷分別進行電鏡檢測和能譜分析，如圖6為電鏡照片，電鏡照片中存在比較明顯的不熔合缺陷，而且在不熔合處有較多的夾渣，能譜分析顯示夾渣主要為金屬氧化物，為二次氧化夾渣。

圖1 氣渣隔表面光亮無砂

圖2 氣渣隔磁粉探傷表面形貌

圖3 氣渣隔磁粉探傷斷面形貌

圖4 斷面金相

圖5 氣渣隔打磨后形成的溝壑

圖6 氣渣隔處電鏡照片

綜上所述，氣渣隔缺陷具有以下特征：①此類缺陷常常出現(xiàn)在鑄件上型的大平面上；②落砂時，缺陷表面呈光亮氧化色無粘砂，與鑄件其他無缺陷的表面存在明顯區(qū)別；③拋丸后，一般情況下氣渣隔缺陷的表面和其他無缺陷的表面無明顯區(qū)別，肉眼無法直接發(fā)現(xiàn)；④磁粉探傷時，缺陷表面存在圓周型的磁痕聚積；⑤打磨后，缺陷形貌為圓周型不熔合的淺溝，溝壁常常附著一定的二次氧化夾渣。

2 產(chǎn)生原因及機理

為了找出產(chǎn)生氣渣隔缺陷的原因，首先利用Magma軟件對缺陷鑄件的充型過程進行了模擬，如圖7為充型78%時情況，從充型情況可知，鐵液從三道內(nèi)澆口進入型腔，進入型腔時鐵液對沖，在鑄型上型的大平面上交匯，此時鐵水易卷氣氧化，且溫度較低，鑄型上型的大平面上卷入的氣體和砂型中未排出氣體形成了一個密閉的氣腔，密閉氣腔中的氣體無法及時排出，所以形成了氣隔缺陷。由于氣泡的表面吸附作用，在澆注的過程中，鐵液中的二次氧化夾渣容易吸附在氣泡的壁上，所以一般氣隔缺陷的表面往往存在二次氧化夾渣缺陷。氣隔缺陷一般不單獨存在，在鑄件表面主要是以氣渣隔的形態(tài)存在。

圖7 MAGMA模擬鑄件充型情況（溫度場）

根據(jù)氣渣隔形成原因的分析可以探索出其形成機理，形成機理演示圖如圖8，由于鑄造工藝設(shè)計不當(dāng)，鐵液充型過程中有對沖卷氣現(xiàn)象，或者充型中有交匯現(xiàn)象，使得型腔中的氣體不能完全排出，在鑄型上型大平面上形成了一個密閉的氣腔，密閉氣腔四周鐵液溫度較低，充型中生成的二次氧化夾渣吸附在氣腔壁上。如密閉氣腔壓力較大且砂型的透氣性較差，則鑄件凝固時，密閉的氣腔最終在鑄件表面形成氣孔缺陷；如密閉氣腔壓力較小或者砂型具有一定的透氣性，但氣腔四周的溫度較低，在澆注后期，氣腔上升并被壓縮成一層氣膜，最終在鑄件上型大平面上形成一種圓周型較淺溝壑狀的氣渣隔缺陷。由于氣膜的阻隔作用，所以鑄件落砂時氣渣隔缺陷的表面往往光亮無粘砂，與鑄件其他無缺陷的表面存在明顯區(qū)別。

圖8 氣渣隔形成機理

3 解決和預(yù)防措施

為了解決這一鑄造缺陷，曾試圖通過在出現(xiàn)氣渣隔缺陷的砂型處增加溢流冒口，加強此處的排氣，但澆注出的鑄件中仍有一定比例存在氣渣隔缺陷。這主要是因為充型到此處的鐵液溫度已偏低，鐵液填充冒口后便使其失去排氣能力，而氣腔中的氣體不能完全排出；同時，由于澆注速度上的波動，上箱大平面卷氣不可能總是出現(xiàn)在同一位置，如溢流冒口位置的稍有偏差，排氣效果也將大打折扣。因此增加溢流冒口并沒能完全消除氣渣隔缺陷。

最終通過改變澆注工藝，保證鐵液進入型腔后不對沖，氣體能夠順暢的從出氣冒口排出，徹底解決了鑄件氣渣隔缺陷。

從上述的氣渣隔產(chǎn)生原因及機理分析可見，解決和預(yù)防該缺陷必須從以下幾個方面來著手：

1）在鑄造工藝設(shè)計時，應(yīng)充分考慮澆注系統(tǒng)的引入方式，盡量避免鐵液對沖，避免鐵液合流在大平面處，尤其是薄壁區(qū)大平面，充型過程要保證順暢；適當(dāng)增大澆注系統(tǒng)的截面積，防止鐵液流動前沿溫降較大；適當(dāng)提高澆注溫度及澆注速度；

2）減少型砂發(fā)氣量，增大型砂透氣性。灼減量應(yīng)控制在4%以內(nèi)；在保證砂型強度的情況下，應(yīng)盡量降低樹脂加入量；嚴格控制粉塵含量，厚大鑄件易采用較粗原砂；

3）多增加一些出氣片或排氣冒口，加強型腔排氣；澆注時應(yīng)快澆，澆注的同時一定要做好引氣工作；

4）當(dāng)有鑄件大平面（特別是薄壁平面）位于上型時，可適當(dāng)增加些抗拉筋，或?qū)㈣T型傾斜一定的角度澆注。

［1］王祥和.降低6160系列柴油機球鐵曲軸夾渣的措施［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2000（1）：57-58.

［2］徐建林.球鐵件夾渣缺陷形成的影響因素分析［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2003，26（2）：19-22.

［3］陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對策［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996：41-47.

［4］王敏.樹脂自硬砂鑄造“氣渣坑”、“氣渣隔”缺陷與防止［J］.鑄造技術(shù)，2002（3）：172.