鑄鐵件砂孔和渣孔缺陷的研究與防治

任現(xiàn)偉

(洛陽(yáng)古城機(jī)械有限公司,河南洛陽(yáng) 471023)

砂孔是在鑄件內(nèi)部或表面形成的相對(duì)比較規(guī)則的孔洞，其形狀與砂粒或砂團(tuán)的外形較為一致，通常分布在鑄件下方和易沖砂的內(nèi)澆口等附近。從高倍放大鏡下目測(cè)，可見(jiàn)孔內(nèi)有微黃色透明發(fā)亮的硅砂顆粒。對(duì)于尺寸較大的砂孔缺陷，在經(jīng)過(guò)拋丸處理后，仍可從孔內(nèi)掏出細(xì)小的硅砂顆粒。多個(gè)砂孔同時(shí)存在時(shí)，鑄件表面呈灰色橘子皮狀。

渣孔是外形不規(guī)則的暗孔或明孔，孔中局部或全部被熔渣所填塞。由于熔渣相對(duì)于金屬液的比重較輕，所以渣孔一般分布在鑄件上半部分、鑄件頂面、內(nèi)澆口附近或鑄件拐角處。渣孔多以網(wǎng)狀分布或呈現(xiàn)帶有褶皺的不規(guī)則云彩狀，也有以團(tuán)絮狀和片狀?yuàn)A層存在于鑄件內(nèi)部。在鑄件上有時(shí)只是單個(gè)的，但聚集成片的渣孔也較為常見(jiàn)。另外，渣孔也是鑄件形成裂紋的根源之一。

1 渣孔和砂孔的危害

不論是砂孔還是渣孔，對(duì)于鑄件的危害都是不容小覷的。首先，渣孔和砂孔破壞鑄件結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使鑄件整體形狀不完整；其次，砂孔和渣孔減少鑄件的有效承載面積，削弱鑄件承受載荷的能力，可能會(huì)導(dǎo)致微裂紋缺陷的產(chǎn)生與擴(kuò)展，從而引起材料宏觀力學(xué)性能的劣化；此外，由于砂孔和渣孔缺陷的存在使鑄件在空洞邊緣極易引起應(yīng)力集中，應(yīng)力集中可使鑄件產(chǎn)生疲勞裂紋，降低鑄件的機(jī)械性能，甚至?xí)l(fā)生靜載斷裂。

2 砂孔形成的原因

砂孔，顧名思義就是鑄件中出現(xiàn)了硅砂顆?；蚱渌煨筒牧弦鸬目锥搭?lèi)缺陷。我們可以從砂孔缺陷中的硅砂來(lái)源查起，以便對(duì)癥施策。

2.1 原材料方面

由于原材料不合格，特別是鑄鐵回爐料的不合格導(dǎo)致砂孔產(chǎn)生的情況是我們經(jīng)常會(huì)遇到的。目前，仍有一些鑄造企業(yè)將不經(jīng)表面處理的回爐料作為爐料直接投入熔爐中參與熔煉，往往這樣的回爐料表面粘附有大量的硅砂顆粒。雖然有的鑄造企業(yè)會(huì)采用抓起、放下使回爐料從高空落下與相互撞擊的方式除去回爐料表面粘砂，目測(cè)來(lái)看，大部分的粘砂可以去除，但是我們不得不承認(rèn)，還有相當(dāng)一部分和金屬本體粘連緊密的砂粒是不能被有效去除的。在中頻感應(yīng)電爐中使用這樣的回爐料進(jìn)行熔煉，需要消耗大量的電能，而且還要耗費(fèi)大量的人力和使用過(guò)多的除渣劑，而且往往去除不徹底。因硅砂的主要成分是二氧化硅，二氧化硅的熔點(diǎn)高達(dá)1650℃，而鑄鐵的過(guò)熱溫度一般不超過(guò)1530℃，所以，金屬液中仍懸浮有難熔的硅砂顆粒。如果這樣的金屬液被用于澆注，那么就會(huì)在鑄件上形成微小的砂孔缺陷。

2.2 砂處理方面

很多情況下，有的鑄造企業(yè)為了確保型砂的透氣性，忽略了型砂的緊實(shí)率和強(qiáng)度。緊實(shí)率和強(qiáng)度偏低，特別是熱濕拉強(qiáng)度偏低的型砂，造出的鑄型往往很難經(jīng)受住高溫金屬液重力加速度的沖擊和炙烤，在澆注充型過(guò)程中，鑄型局部就會(huì)被金屬液破壞，金屬液又會(huì)將脫落的砂?；蛏皦K沖到鑄型的其他流速較慢的部位，于是形成砂孔缺陷。

2.3 模具方面

模具制作時(shí)，特別是澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果澆道之間的角度、方向和圓角設(shè)計(jì)的不合理，尤其是內(nèi)澆口的尺寸和位置設(shè)計(jì)的不合理，就有可能使造出的鑄型局部出現(xiàn)尖角砂，在充型過(guò)程中，這些尖角砂也很難經(jīng)受住金屬液的沖刷，如果這些尖角砂塊被沖入鑄件在型腔中的相應(yīng)位置，就會(huì)導(dǎo)致砂孔的產(chǎn)生。另外，如果澆注系統(tǒng)沒(méi)有拔模斜度或過(guò)渡圓角，也會(huì)使型腔局部強(qiáng)度過(guò)低，造成砂孔的產(chǎn)生。選擇的澆口杯如果形狀和尺寸不合理，也會(huì)在澆注過(guò)程中將砂粒沖入型腔中。當(dāng)然，如果模具上的修補(bǔ)材料脫落而又沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的話，也會(huì)導(dǎo)致型砂顆粒進(jìn)入鑄型，從而產(chǎn)生砂孔缺陷。

2.4 造型方面

在造型過(guò)程中，特別是在自動(dòng)造型機(jī)造型過(guò)程中，往往會(huì)因?yàn)樵煨退俣冗^(guò)快，而疏忽了合型前和合型后的型腔質(zhì)量，如果此時(shí)模具局部粘砂或鑄型局部掉砂，造好的鑄型在澆注后就會(huì)在固定的位置出現(xiàn)砂孔缺陷。此外，造好的鑄型在合型前，沒(méi)有做好防護(hù)處理，很有可能使從造型機(jī)中吹出來(lái)的砂粒和其他異物落入合型前的鑄型內(nèi)；對(duì)于合型完畢尚未被澆注的鑄型，如果沒(méi)有做好防護(hù)處理，也有可能使砂粒或其他異物從澆口杯處落入型腔中，從而在澆注后形成砂孔缺陷。

2.5 澆注方面

澆注過(guò)程中充型不平穩(wěn)，也會(huì)使浮于澆口杯內(nèi)液面上的砂粒，直接進(jìn)入型腔；如果澆注液流沒(méi)有正確的對(duì)準(zhǔn)澆口杯，就有可能將型腔以外的沙粒或砂團(tuán)隨金屬液帶入型腔，從而在澆注后形成砂孔缺陷。

3 渣孔形成的原因

渣孔是在金屬液中的一些非金屬夾雜物、難熔高熔點(diǎn)合金、金屬化合物等物質(zhì)在型腔中相互作用后凝固在鑄件上的產(chǎn)物，一般都是一些金屬氧化物夾渣或溶劑夾渣。對(duì)于渣孔產(chǎn)生的原因，我們?nèi)匀恍枰獜膩?lái)源查起。

3.1 原材料方面

如果使用的廢鋼和生鐵等原材料氧化和銹蝕嚴(yán)重，甚至是含氮、氫等元素過(guò)高的原材料，特別是涂有油漆、鍍鉻、鍍鋅和含硫、含錳、含鈦高的廢鋼都是產(chǎn)生渣孔的主要原因。含鋁高的孕育劑、球化劑以及合金等材料，也可能導(dǎo)致渣孔產(chǎn)生。

3.2 模具方面

如果模具上的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理，在對(duì)這樣的模具造出的鑄型進(jìn)行澆注的過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生大量的紊流現(xiàn)象，金屬液在型腔中還會(huì)再次氧化，并且加大氫、氧、氮等氣體在金屬液中的溶解度。此外，金屬液互相沖擊的過(guò)程中還會(huì)加大S 元素和Mn、Mg 等元素的化合反應(yīng)，產(chǎn)生大量的MnS和MgS 等夾雜物。

3.3 熔煉和澆注器具

如果使用的熔爐、球化或蠕化包、金屬液轉(zhuǎn)運(yùn)包以及澆注包的包襯保溫材料的強(qiáng)度不高，耐火度不夠，這些不牢固的保溫材料很有可能在熔煉、轉(zhuǎn)運(yùn)、球化或蠕化、以及澆注過(guò)程中落入金屬液中。由于這種保溫耐火材料在金屬液中很難做到完全被去除，所以，使用這樣的金屬液澆注后的鑄件，其上會(huì)形成和包襯材料顏色相近的微紅色渣孔。

3.4 熔煉過(guò)程

金屬液在熔煉過(guò)程中會(huì)吸入大量的氣體，如果金屬液在熔爐內(nèi)的保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，特別是過(guò)熱時(shí)間偏長(zhǎng)都會(huì)使金屬液大量吸氣而過(guò)分氧化，氧化過(guò)度的金屬液被澆注后，就會(huì)在鑄件上形成氧化夾渣。

3.5 金屬液中有害元素

如果金屬液中S 含量過(guò)高，就會(huì)和Mn 元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的MnS 夾雜物。此外，S元素還會(huì)與球化劑或蠕化劑中的Mg 反應(yīng)生成大量的MgS 夾雜物。

3.6 澆注方面

澆注過(guò)程中如果充型不平穩(wěn)，也有可能在卷入氣體的同時(shí)裹入大量的夾雜物，從而產(chǎn)生渣孔缺陷。如果撈渣不及時(shí)、不徹底，金屬液中的夾渣還會(huì)與金屬液一起被澆注進(jìn)型腔內(nèi)。如果選擇的除渣劑質(zhì)量太差，非但起不到除渣作用，反而會(huì)與金屬液接觸后造出大量的稀渣。另外，過(guò)濾網(wǎng)在澆注系統(tǒng)中放置的位置不正確，同樣起不到避渣的效果。

4 砂孔缺陷的防治

4.1 原材料方面

回爐料必須經(jīng)過(guò)完全拋丸處理，去除表面上的粘砂；避免使用表面粘有浮砂和缺料的砂芯。

4.2 砂處理方面

在確保型砂透氣性的同時(shí)，必須兼顧型砂的緊實(shí)率和強(qiáng)度。避免因型砂的緊實(shí)率和強(qiáng)度太低，從而使鑄型經(jīng)不起高溫金屬液的沖擊和炙烤而產(chǎn)生砂孔缺陷。

4.3 模具方面

在設(shè)計(jì)模具澆注系統(tǒng)的時(shí)候要充分考慮澆道之間過(guò)渡的角度、方向和圓角是否合適，確保不在橫澆道、直澆道和內(nèi)澆口附近造成易于沖砂的條件。還要注意澆口杯是否和模板邊緣平齊，如果有落差的話，造出的鑄型就會(huì)在這個(gè)部位帶有片狀砂翅。另外要確保模具上的修補(bǔ)材料沒(méi)有任何脫落，從而保證模具本身不會(huì)引起鑄件砂孔缺陷的產(chǎn)生。

4.4 造型方面

在造型過(guò)程中，要通過(guò)安裝在造型機(jī)上的攝像頭或反射鏡觀察模具上是否有粘砂現(xiàn)象。每次生產(chǎn)前，要確保造出的鑄型內(nèi)部沒(méi)有脫落的砂?；蛏皦K。對(duì)于使用砂芯和冷鐵的鑄型，應(yīng)觀察砂芯或冷鐵下入型腔后的狀況，避免下入的砂芯或冷鐵定位不準(zhǔn)，造成合型后鑄型局部掉砂。對(duì)于最先造出的已經(jīng)合型完畢尚未澆注的鑄型，要采用開(kāi)箱檢查的方法排除掉砂和擠型等現(xiàn)象。對(duì)于等待澆注的鑄型還要做好防護(hù)措施，避免砂?；蚱渌愇飶臐部诒?、排氣通道落入型腔內(nèi)。

4.5 澆注方面

確保澆注過(guò)程中持續(xù)充型平穩(wěn)，避免不連續(xù)澆注導(dǎo)致的澆口杯液面上方漂浮的砂粒被沖入型腔；每次澆注時(shí)，要確保金屬液流對(duì)準(zhǔn)澆口杯，減少或避免型腔以外的砂?；蛏皥F(tuán)隨金屬液進(jìn)入型腔。

5 渣孔缺陷的防治

5.1 原材料方面

不使用氧化和銹蝕嚴(yán)重的廢鋼和生鐵。對(duì)于涂有油漆、鍍鉻、鍍鋅和含硫、含錳、含鈦高的廢鋼，要經(jīng)過(guò)完全拋丸或烘烤處理后，方能使用。不使用含氮、氫等元素過(guò)高的原材料。使用鋁含量適中的孕育劑、球化劑以及合金材料，避免渣孔缺陷的產(chǎn)生。

5.2 模具方面

設(shè)計(jì)適合所生產(chǎn)鑄件的澆注系統(tǒng)，使金屬液在澆注系統(tǒng)中的流動(dòng)盡量呈層流狀態(tài)。

5.3 熔煉和澆注器具

筑包時(shí)使用耐火度高、強(qiáng)度高的爐襯和包襯耐火材料。同時(shí)，要注意爐襯和包襯的修補(bǔ)質(zhì)量。烘烤爐襯和包襯時(shí)，要先采用小火，充分預(yù)熱后逐漸將火焰調(diào)大，避免烘烤方式錯(cuò)誤，造成爐襯和包襯發(fā)生裂縫和開(kāi)裂現(xiàn)象。

5.4 熔煉過(guò)程

在保證金屬液化學(xué)成分和足夠的出爐溫度后，要盡快出爐澆注，避免金屬液隨著熔煉時(shí)間的延長(zhǎng)吸收過(guò)多的氣體。

5.5 金屬液中有害元素

盡量減少金屬液中的S 含量，避免生成過(guò)多的MnS 夾雜物。此外，在保證球化率或蠕化率的同時(shí)，盡量減少球化劑或蠕化劑的使用量，以減少M(fèi)gS 夾雜物和避免因殘Mg 含量過(guò)高造成的縮松缺陷。此外，還應(yīng)特別注意球化劑或蠕化劑中實(shí)際的Mg 含量。

5.6 澆注方面

澆注前要做到充分撈渣處理，盡量減少金屬液中的夾渣物。澆注過(guò)程中持續(xù)保持充型平穩(wěn)，避免金屬液面上漂浮的夾渣物進(jìn)入型腔中。使用除渣效果明顯的除渣劑。過(guò)濾網(wǎng)要放在澆注系統(tǒng)中能夠起到避渣的位置。

6 結(jié)束語(yǔ)

鑄件表面上的砂孔和渣孔很容易被識(shí)別，但是鑄件內(nèi)部的砂孔和渣孔必須在精度很高的X 光等無(wú)損探傷設(shè)備下才能被發(fā)現(xiàn)，也有可能在機(jī)械加工的時(shí)候暴露出來(lái)。如果嚴(yán)重的砂孔和渣孔缺陷沒(méi)有被檢查出來(lái)，很有可能在最終客戶(hù)使用的過(guò)程中發(fā)生安全事故。因此，不管是表面的還是內(nèi)部的砂孔和渣孔缺陷對(duì)于鑄造企業(yè)來(lái)說(shuō)都是必須要重點(diǎn)關(guān)注和優(yōu)先解決的缺陷類(lèi)型。因此，作為鑄造工作者，我們?nèi)匀贿€要對(duì)鑄造過(guò)程中產(chǎn)生砂孔和渣孔的來(lái)源、形式、狀態(tài)等諸多方面進(jìn)行仔細(xì)的剖析，才能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步避免和減少此類(lèi)缺陷的產(chǎn)生，為研究和生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件提供更多的實(shí)際參考價(jià)值。