船用鑄鋼件氣孔的分析

向延平　吳妙武

（廣船國際質(zhì)量管理部）

船用鑄鋼件氣孔的分析

向延平吳妙武

（廣船國際質(zhì)量管理部）

本文闡述了船用鑄鋼件的氣孔質(zhì)量狀況及危害，分析了鑄鋼件氣孔氣體的產(chǎn)生和來源，闡述了砂型鑄造生產(chǎn)中防止鑄鋼件產(chǎn)生氣孔缺陷的通用方法和鑄鋼件氣孔缺陷修復(fù)的基本方法，及采用熔焊修補(bǔ)工藝時的焊接工藝要點(diǎn)，概述了焊接鑄鋼件氣孔的缺陷檢測與評判標(biāo)準(zhǔn)。

氣孔鑄鋼件缺陷修復(fù)檢驗

0　前言

船用大型焊接鑄鋼件有艉柱、舵桿承座、舵銷承座、掛舵臂等，這些重型鑄件在船上的作用主要用來支承螺旋槳與舵運(yùn)動，因而承受載荷大，工作條件復(fù)雜，有較高的質(zhì)量要求。鑄鋼件是鑄造成形工藝和鋼材料冶金的結(jié)合，既可具有其它成形工藝難以得到的復(fù)雜形狀，又能保持鋼種所特有的各種性能。但鑄造生產(chǎn)中往往由于原材料質(zhì)量不合格、工藝不合理、生產(chǎn)管理不完善或操作不當(dāng)?shù)仍颍T件中難免會產(chǎn)生某些冶金缺陷和鑄造缺陷，影響其外觀質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量和鑄件的機(jī)械性能。通過化學(xué)分析、力學(xué)和物理性能的測試、金相組織分析，以及對鑄造工藝的測試和鑄件成品的無損檢測，可有效地檢驗出鑄鋼件在冶煉、凝固過程及后續(xù)工序過程中產(chǎn)生的各種宏觀和微觀的組織缺陷，進(jìn)而判斷其對鑄件質(zhì)量的影響程度。自2014年1月至2014年10月，我們公司外協(xié)鑄造生產(chǎn)的船用鑄鋼件，共發(fā)現(xiàn)了氣孔缺陷32次，或大或小，都要進(jìn)行焊補(bǔ)打磨或其它方式的處理；大部分是在機(jī)械加工其內(nèi)孔時，切削表面層后發(fā)現(xiàn)的，圖1的某船舵桿承座氣孔缺陷位置在圖中A處機(jī)械加工時發(fā)現(xiàn)。

圖1　某船舵桿承座氣孔缺陷位置示意圖

1　鑄件氣孔的內(nèi)涵

氣孔，也稱氣眼，是鑄造生產(chǎn)中最常見的缺陷之一。氣孔位于鑄件內(nèi)部、表面、或近表面，呈大小不等的圓形、橢圓形、長形或不規(guī)則形，有單個的，也有聚集成片的，孔壁光滑，顏色為白色，叢生氣孔發(fā)生在鑄鋼件中尤為普遍。

鑄件氣孔分為侵入氣孔、析出氣孔、反應(yīng)氣孔、卷入氣孔。

⑴侵入氣孔是指鑄件澆注過程中，由于液態(tài)金屬激烈的熱作用，使鑄型型砂和型芯中的水分、粘接劑等氣化、分解和燃燒，生成的氣體和型腔中原有的氣體，這些鑄型表面聚集的氣體，部分侵入液態(tài)金屬屬內(nèi)部而不能逸出所產(chǎn)生的孔洞。

⑵析出氣孔是指溶解在液態(tài)金屬中的氣體，由于溶解度降低，在冷卻凝固過程中，來不及逸出產(chǎn)生的氣孔。析出性氣孔數(shù)量多、尺寸小，形狀呈圓形、橢圓形或針狀，在鑄件斷面呈大面積均勻分布，主要是氫氣孔和氮?dú)饪?，是鑄鋼件中常見的缺陷。析出性氣孔形成機(jī)理是金屬在外界條件的作用下，吸附和擴(kuò)散溶解氣體，而金屬液表面凝固阻力大于氣體浮力而形成氣孔。

⑶反應(yīng)氣孔是指液態(tài)金屬的某些成分之間或液態(tài)金屬與鑄型發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣孔。金屬—鑄型反應(yīng)氣孔的大都均勻的分布在鑄件表皮下，常出現(xiàn)在鑄件的皮下1～3毫米處，不經(jīng)熱處理很難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)熱處理去除表面氧化皮后才能顯露出來，或經(jīng)機(jī)加工后暴露出來，也就是皮下氣孔。鑄鋼件皮下氣孔常呈針狀。針孔的直徑一般為Ф1～3mm，長度為1～10mm，方向與表面垂直，孔內(nèi)表面光滑。

⑷卷入氣孔是指在澆注、充型過程中因氣體卷入金屬液中而在鑄件內(nèi)形成的氣孔。卷入氣孔一般為孤立存在的大氣孔，形狀通常為圓形、橢圓形，一般偏在鑄件中上部。

2　鑄件氣孔的質(zhì)量危害

鑄件氣孔減少鑄件有效工作斷面，產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為零件斷裂的潛在裂紋源，影響鑄件性能，降低鑄件的強(qiáng)度和塑性，不規(guī)則氣孔不僅增加缺口敏感，使金屬強(qiáng)度降低，而且還降低鑄件的疲勞強(qiáng)度，固熔體中氣體的析出，如：白點(diǎn)，造成氫脆；彌散氣孔使鑄件組織疏松，降低鑄件氣密性；析出氣體的反壓力影響金屬液的補(bǔ)縮，造成晶間疏松。

3　鑄件氣孔氣體的產(chǎn)生和來源

爐料的銹蝕、油污或潮濕導(dǎo)致的氣體；重熔料中含有的氣體；粘結(jié)劑，附加物和雜質(zhì)中有機(jī)物、無機(jī)物質(zhì)受熱，分解與燃燒，產(chǎn)生的氣體；金屬與鑄型的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體；如：鑄型透氣性差，無足夠的排氣措施；澆注系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)；熔煉過程中，來自爐料、爐氣、爐襯、工具、熔劑及周圍氣氛中的水分；鐵液與型腔和型砂孔隙中原有的受熱膨脹的爐氣直接接觸，吸收的氣體。如：澆注速度控制不當(dāng)，型腔內(nèi)氣體不能及時排除等；澆入型腔時發(fā)生噴射、不連續(xù)、飛濺和渦流卷入空氣；金屬凝固時放出的氣體；除了上述內(nèi)在因素產(chǎn)生氣體外，一些生產(chǎn)過程中措施不當(dāng)也會產(chǎn)生氣體，如：氣體元素在金屬中主要三種存在形態(tài)：以原子狀態(tài)溶解于金屬中固熔體中，氫、氮、氧及其化合物狀態(tài)和H2、CO、CO2氣態(tài)。

4　防止砂型鑄鋼件產(chǎn)生氣孔的通用方法

⑴正確的進(jìn)行熔化和澆注。加強(qiáng)爐料管理，采用干而無銹的爐料，限制爐料中的舊料數(shù)量；熔化迅速，特別是在爐料熔化階段；盡早使金屬覆蓋上渣層或防護(hù)熔劑；使用烘干、預(yù)熱的鐵水包和其它澆注工具；在適當(dāng)?shù)臐沧囟认逻M(jìn)行澆注，延遲凝固時間，使侵入的氣體有充分的時間從液態(tài)金屬中上浮和逸出，但要防止過熱吸氣等等。

⑵采用正確的造型方法。降低砂型界面的氣體壓力，加大氣體進(jìn)入金屬液的阻力。如選用透氣性好，發(fā)氣量低的造型材料；控制型砂的水分；應(yīng)用低發(fā)氣量、發(fā)氣溫度高的粘結(jié)劑；砂型排氣暢通，增加出氣孔，提高鑄型的排氣能力；澆注后及時引氣；在砂芯表面實用透氣涂料以減小砂型表面孔隙等。

⑶將不溶于金屬的氣體通過液體金屬，或加入能與溶解氣體發(fā)生反應(yīng)的液體或固體物質(zhì)，鋼液改進(jìn)脫氧方法，使鋼液中的氣體逸出。

⑷加快澆注速度；澆注系統(tǒng)設(shè)置時，應(yīng)注意液態(tài)金屬流的平穩(wěn)地流動和充型，不中斷澆注，防止氣體卷入金屬液中。

⑸用攪動或震動的方法促使氣體自金屬中排出；加入元素氧化去氣，吹入惰性氣體浮游去氣，以及真空除氣、冷凝除氣等進(jìn)行合金液的除氣處理。

⑹阻止氣體的析出。提高鑄件冷卻速度，提高金屬凝固時的壓力等，外界壓力降低，析出性氣孔析出可能增大。收縮量大和結(jié)晶溫度范圍寬的合金、擴(kuò)散速度快的氣體（如氫）容易形成析出性氣孔。

⑺排除鐵液內(nèi)部氣體是防止氣孔的關(guān)鍵。氣體進(jìn)入鐵液必須具備的條件是：型腔氣體壓力偏高，或鐵液內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓；因而要盡量提高液面溫度，使液面推遲形成氧化膜，使鐵液內(nèi)部氣體在液面被氧化膜封閉之前有充分時間排出。采用頂注是提高液面溫度，使氧化膜推遲形成的最直接、最有效的方法。

5　鑄件氣孔缺陷的修復(fù)方法

影響鑄件結(jié)構(gòu)性能的缺陷不建議修補(bǔ)，如若修補(bǔ)，修補(bǔ)前修補(bǔ)后都應(yīng)做必要的論證與實驗。不影響鑄件結(jié)構(gòu)性能的缺陷可以修補(bǔ)，但所選的修補(bǔ)技術(shù)不應(yīng)對缺陷鑄件產(chǎn)生二次損壞以及潛在的損壞隱患。一般采用電焊、膠補(bǔ)、鑄造缺陷修補(bǔ)機(jī)進(jìn)行修補(bǔ)。

可用電弧焊、氣焊、氬弧焊等進(jìn)行修復(fù)，在焊補(bǔ)過程中，熔池的溫度一般在1700℃左右，焊條熔滴點(diǎn)的溫度在2300℃左右，熔池在高溫所產(chǎn)生的結(jié)晶裂紋、高溫裂紋等現(xiàn)象的出現(xiàn)不可避免，裂紋、色差、硬點(diǎn)是熱焊工藝不得不考慮的不利因素。利用母材作補(bǔ)材、電阻加熱的鑄造缺陷修補(bǔ)機(jī)的出現(xiàn)，消除了裂紋、色差、硬點(diǎn)的修補(bǔ)缺陷，其應(yīng)用越來越廣泛。

鑄件表面缺陷修復(fù)實質(zhì)是對缺陷部位進(jìn)行充填，充填后達(dá)到一定的強(qiáng)度和硬度，同時考慮色澤的一致性。鑄件內(nèi)部缺陷包括縮孔、縮松、組織縮松、組織不合格及內(nèi)部氣孔。這類缺陷常會導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能不合格，甚至報廢。

影響使用性能或力學(xué)性能的氣孔需要修復(fù)，用超聲波或射線探傷發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部氣孔，需要用工具加工將其暴露，然后采用浸滲或焊補(bǔ)焊接方法修復(fù)，挖去缺陷區(qū)金屬，用與基體金屬相同或相容的焊條焊補(bǔ)缺陷區(qū)，焊后修平進(jìn)行焊后熱處理。

采用熔焊修補(bǔ)工藝時，可借鑒下列焊接工藝要點(diǎn)：

①清潔焊接區(qū)域。焊接區(qū)域（焊縫兩側(cè)20mm范圍內(nèi)）的鐵銹、氧化皮、油污、水分和其他雜物必須清除干凈；用氣創(chuàng)清除缺陷時，為了去除滲碳層，應(yīng)使用砂輪機(jī)磨去0.5mm厚的表層，若為氣割，應(yīng)打磨至呈現(xiàn)金屬光澤，坡口根部的裂紋性缺陷應(yīng)徹底清除。

②焊接時要嚴(yán)格遵守焊接規(guī)范，保證焊接質(zhì)量，使其相對持久耐用。焊接時一層一層的分層焊接，每層的焊接溫升不要超過300℃，否則，適當(dāng)?shù)却?，待溫降后再焊接，在焊接過程中也可以錘擊焊縫金屬以減小殘余應(yīng)力。

③焊接后進(jìn)行應(yīng)力消除的熱處理，熱處理溫度550～650℃。如果缺陷焊補(bǔ)深度小于50 mm，長度小于300mm，可采用局部焊后熱處理，這時焊補(bǔ)區(qū)及其周圍100 mm寬范圍內(nèi)應(yīng)加熱到600℃以上適當(dāng)保溫，然后緩冷。

④焊后對焊補(bǔ)區(qū)域及熱影響區(qū)域進(jìn)行100%的表面裂紋無損檢查。

6　鑄鋼件氣孔缺陷的檢測與評判標(biāo)準(zhǔn)

焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件合格品的質(zhì)量評定項目，包括化學(xué)成分、熱處理、力學(xué)性能、表面質(zhì)量、幾何形狀、尺寸、尺寸公差、加工余量、質(zhì)量公差、缺陷焊補(bǔ)。

《焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件G B/T 7 6 5 9-2010》國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：供方可對鑄件缺陷進(jìn)行焊補(bǔ)，焊補(bǔ)條件由供方確定，如需方另有要求，則按合同的規(guī)定執(zhí)行。為焊補(bǔ)而制備的凹坑，其深度超過鑄件壁厚的40%或25毫米；或當(dāng)承壓鑄件的水壓試驗滲漏時，可認(rèn)為是重大焊補(bǔ)，重大焊補(bǔ)應(yīng)有焊補(bǔ)位置、工藝的記錄。重大焊補(bǔ)應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，并按鑄件檢驗相同的標(biāo)準(zhǔn)檢驗。

我國船級社船用鑄鋼件檢驗要求：船用鑄鋼件缺陷部位可用氣割、氣創(chuàng)、鏟鑿、打磨或機(jī)加工方法予以清除，缺陷清除后無需焊補(bǔ)的部位，底部打磨成圓弧，其半徑大于深度的兩倍。如缺陷清除后凹坑深度使壁厚減薄到小于壁厚公差的下限時，原則上應(yīng)焊補(bǔ)。

我國船級社船用鑄鋼件無損檢測要求：鑄鋼件應(yīng)在制造廠進(jìn)行磁粉探傷檢驗和超聲波探傷檢測。磁粉探傷不允許有裂紋，焊接制備面的線狀缺陷小于等于2mm，非線狀缺陷小于等于3mm；重要部位線狀缺陷小于等于3mm，非線狀缺陷小于等于6mm；其它部位線狀缺陷小于等于5mm，非線狀缺陷小于等于10mm。如果不符合要求,可采用焊補(bǔ)方法進(jìn)行修補(bǔ)，但修補(bǔ)后必須重新磁粉探傷。船用鑄鋼件超聲波探傷應(yīng)在最終熱處理后需要加工的部位加工后進(jìn)行，目前的驗收標(biāo)準(zhǔn)：GB7233-87鑄鋼件超聲波探傷及質(zhì)量評級方法及JCSS/4-1984碳鋼及低合金鋼鑄鋼件的超聲波縱波探傷試驗標(biāo)準(zhǔn)。

7　結(jié)束語

船舶焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件的氣孔質(zhì)量缺陷，通過鑄造生產(chǎn)過程中的原材料控制、正確的造型、熔煉和澆注的一些措施的采用，是可以消除和減少的。鑄造時，產(chǎn)生氣孔的氣體來源是多方面的；鑄鋼件的氣孔缺陷存在對鑄件的使用有一定的質(zhì)量危害，氣孔缺陷可以進(jìn)行條件性焊補(bǔ)。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會編鑄造手冊（第5卷鑄造工藝）機(jī)械工業(yè)出版社1994年

[2]中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造分會組編婁延春主編鑄造手冊（第2卷鑄鋼第三版）機(jī)械工業(yè)出版社2014年

[3]陳琦彭兆弟主編鑄造質(zhì)量檢驗手冊機(jī)械工業(yè)出版社2014年

[4]全國鑄造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會組編婁延春主編鑄造標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊上機(jī)械工業(yè)出版社2012年

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.01.007

向延平（1964--），男，高級工程師，鍛造。

吳妙武（1981--），男，工程師，船舶質(zhì)量檢驗。

（2015-7-8）