汽車剎車泵皮下氣孔的原因分析與對策

張百堂

（濟(jì)南山川機(jī)械制造有限公司，山東 長清 250301）

某公司是以覆膜砂制芯、濕型砂造型，以中頻感應(yīng)爐熔煉方式專業(yè)生產(chǎn)汽車剎車泵的制造商，并且積累了十余年的豐富生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，因而得到了用戶長期的一直好評。

圖1 為一種剎車泵的鑄件圖，圖2 為覆膜砂砂芯下入型內(nèi)的狀態(tài)圖與帶澆冒口的鑄件。近幾年該產(chǎn)品每年均會發(fā)生1～2 次較為普遍的氣孔缺陷，而每年發(fā)生氣孔缺陷的月份不固定，且每次的情況又不盡相同。剎車泵材質(zhì)為QT450-10 或QT500-7 兩個(gè)牌號，鑄件單件質(zhì)量從1.8kg～7kg，最小泵的最大形體尺寸為155mm×150 mm×80 mm，主要壁厚約為14 mm；最大泵的最大形體尺寸305 mm×190 mm×95 mm，主要壁厚約18 mm.本次發(fā)生批量氣孔的產(chǎn)品涉及四五個(gè)品種。每個(gè)品種中因氣孔報(bào)廢率少則不足1%，多則竟高達(dá)50%.為此通過研判氣孔的類別，分析氣孔形成機(jī)理，調(diào)查氣孔未形成時(shí)期時(shí)與形成時(shí)期前后的各種變化，確定了預(yù)防及消除措施。

圖1 一種剎車泵的鑄件圖

圖2 覆膜砂砂芯下入型內(nèi)的狀態(tài)圖與帶澆冒口的鑄件圖

1 對剎車泵皮下氣孔的分析

1.1 皮下氣孔的特征

反應(yīng)性氣孔[1]，是金屬液內(nèi)部某些成分之間或由金屬液中的某種物質(zhì)與型、芯中的某種物質(zhì)在界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成氣體，氣體沒有及時(shí)排除而形成的的成群分布的氣孔，是球鐵件生產(chǎn)中最常見的缺陷之一。在濕型砂鑄型，特別是比表面積大的小型鑄件中最易發(fā)生。其明顯的特征是，氣孔呈針頭形或腰圓形，在鑄件表面以下0.5 mm～1 mm處，孔徑多為0.5 mm～2 mm 的針孔，內(nèi)壁光滑，分散或成群均勻分布在整個(gè)斷面上或鑄件上表面或某個(gè)局部區(qū)域，在鑄件側(cè)面或底部也會存在。鑄態(tài)時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)，但是在熱處理或者機(jī)加工后，甚至拋丸后則易暴露出來。

皮下氣孔是球鐵件最常見的缺陷之一，皮下氣孔出現(xiàn)在鑄件表面下1 mm～2 mm 處，直徑1 mm～3 mm，有些氣孔位置較淺，鑄件落砂清理后即能發(fā)現(xiàn)，有的則在表皮以下，清理后不會暴露出來，或在機(jī)械加工后才能被發(fā)現(xiàn)?？梢娢磥淼眉耙莩霾⒎獯嬖阼T件表皮以下的反應(yīng)性氣孔即屬于皮下氣孔。在鑄件上只要發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)性氣孔，那么一定就是皮下氣孔。

1.2 對剎車泵皮下氣孔的確認(rèn)

鑄件在沒有拋丸或者粗拋情況下看不到氣孔缺陷，但在精拋后，氣孔顯著，且均分布在覆膜砂砂芯的上表面或者側(cè)面，有的在覆膜砂砂芯與濕型砂交界處，數(shù)量多且密集，孔徑均不大于1 mm，剖切氣孔后又發(fā)現(xiàn)其最深也不過1.5 mm，其狀態(tài)如圖3所示。結(jié)合反應(yīng)性氣孔與皮下氣孔的特點(diǎn)，認(rèn)定這個(gè)氣孔即是反應(yīng)性氣孔，也是皮下氣孔。

圖3 鑄件氣孔缺陷外觀狀態(tài)圖

2 皮下氣孔形成的機(jī)理

2.1 濕型砂球鐵件皮下氣孔形成的機(jī)理

2.1.1 與鑄件結(jié)構(gòu)的關(guān)系

鑄件壁厚在小于6 mm 或大于26 mm 時(shí)，很難發(fā)生皮下氣孔[2]，而在10 mm～20 mm 范圍內(nèi)、比表面比較大的大平面鑄件最易發(fā)生皮下氣孔[1]。這是因?yàn)楸诤窈鼙〉蔫T件，澆注后界面反應(yīng)來不及進(jìn)行，鐵液即凝固結(jié)殼，而壁厚較厚的鑄件，發(fā)生界面反應(yīng)后的氣體有足夠的時(shí)間外逸，因此在凝固結(jié)殼前氣孔無法被封在鑄件表皮下。

2.1.2 與鐵液成分的關(guān)系

1）碳當(dāng)量

碳當(dāng)量在4.3%～4.7%范圍內(nèi)時(shí)，鑄件產(chǎn)生皮下氣孔的概率低[2]。碳當(dāng)量越高，鑄件最后結(jié)殼凝固的時(shí)間越遲，給存在的氣體足夠時(shí)間逸出鑄件表層，因而越不易產(chǎn)生皮下氣孔。在共晶點(diǎn)以左時(shí)，碳含量越高鑄件產(chǎn)生氣孔的概率越高；在共晶點(diǎn)以右時(shí)，含碳量越高則鑄件發(fā)生氣孔的概率越低。

2）硅含量

硅對皮下氣孔的影響不敏感[2]。但有研究表明硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.5%～3.0%范圍內(nèi)對皮下氣孔的影響最低且趨于一致[2]。硅對皮下氣孔的影響依舊體現(xiàn)在對共晶點(diǎn)的影響上，在共晶點(diǎn)以左隨著硅量的增加，鐵液的凝固溫度降低，有利于氣體的排出；而在共晶點(diǎn)右邊，則相反。

3）鎂、稀土含量

鎂與稀土均是獲得高球化率的元素。當(dāng)殘留鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.03%時(shí)，氣孔產(chǎn)生的概率很低；從0.03%增大到0.05%時(shí)，產(chǎn)生皮下氣孔的幾率迅速升高；當(dāng)大于0.05%時(shí)，無論采用什么辦法，很難完全消除皮下氣孔，越高越甚。稀土含量增加皮下氣孔產(chǎn)生的趨勢為降低之后又升高。稀土元素的加入能夠提高鐵液的表面張力，阻礙皮下氣孔的產(chǎn)生；稀土元素在低溫時(shí)吸氫，在高溫下又析氫，隨著稀土含量的增加，析出的氫氣量也增加；當(dāng)稀土元素過多時(shí)會增加鐵液中的氧化物的含量，增加了氣泡形核的外來質(zhì)點(diǎn)，皮下氣孔的傾向增大。因此最好將稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.01%以下時(shí)，皮下氣孔產(chǎn)生的傾向最小。

4）硫含量

硫的增加會降低鐵液的表面張力，硫與鎂生成的硫化鎂在鐵液與型壁界面上的水汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫化氫氣體，硫化錳和氧化亞鐵以及氧化錳合成低熔點(diǎn)的熔渣，使鑄件內(nèi)部的氣體難以逸出。有研究表明，當(dāng)含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.05%時(shí)，皮下氣孔將明顯增加。

5）微量元素鋁、鈦含量

鋁對皮下氣孔影響的敏感度含量有一定范圍，認(rèn)為鋁含量提高到某一個(gè)濃度時(shí)，增加了鐵液的自脫氧能力，尤其是氧化鐵成分減少時(shí)不會產(chǎn)生皮下氣孔。當(dāng)鋁含量達(dá)到一定濃度并繼續(xù)增加時(shí)，皮下氣孔產(chǎn)生的趨勢增強(qiáng)。鋁的氧化物成為氣泡形核的外來質(zhì)點(diǎn)，而且鋁可以促進(jìn)鐵元素與水蒸氣的界面反應(yīng)，生成氧化亞鐵，氧化亞鐵被還原，產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w而產(chǎn)生皮下氣孔，鋁本身也會與界面發(fā)生反應(yīng)生成氫氣。為此含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)越少越好，最好低于0.03%.過量的鈦量會使鑄件產(chǎn)生嚴(yán)重的皮下氣孔，特別是在鈦鋁共同作用下，當(dāng)含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.03%時(shí)，若球鐵中殘留鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.01%時(shí)，則會加劇界面水氣還原，使得界面鐵液含氫量更高，更容易產(chǎn)生皮下氣孔。

2.1.3 澆注溫度對皮下氣孔的影響

圖4 鑄件氣孔缺陷剖切圖

澆注溫度高于1 320 ℃時(shí)，澆注出來的鑄件極少發(fā)生皮下氣孔，澆注溫度在1 310 ℃～1 260 ℃時(shí)發(fā)生皮下氣孔的概率隨著溫度的降低而增高，當(dāng)澆注溫度在1 290 ℃～1 260 ℃范圍內(nèi)時(shí)極為敏感。溫度高時(shí)對砂型的烘烤時(shí)間長，界面上的水分易于外遷，當(dāng)溫度降低時(shí)則水分遷移變慢，因而易于發(fā)生界面反應(yīng)[3]。

2.1.4 與濕型砂或砂芯性質(zhì)的關(guān)系

1）濕型砂水分與透氣性等因素影響

濕型砂的水分小于5%時(shí)，幾乎不產(chǎn)生皮下氣孔，5%～7.8%時(shí)，隨著水分的增加則會顯著增加，當(dāng)超過7.8%時(shí)則一定會發(fā)生。水分越高，水汽越大，金屬液越易被氧化，氧化物給氣孔提供了外來質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)氧化過程中又會產(chǎn)生較多氫氣和一氧化碳?xì)怏w，水汽多還加劇結(jié)殼，因而使產(chǎn)生的氣孔不能全部逸出。

透氣性低于60 時(shí)，氣體排除十分困難，透氣性越高，氣體排除越順利，氣孔不易發(fā)生。緊實(shí)度高，型砂結(jié)合密實(shí)，孔細(xì)小，因而排氣困難，會加劇皮下氣孔的發(fā)生，緊實(shí)度不易超過120，越低越好，越高發(fā)生氣孔的概率越高。

2）覆膜砂的影響

覆膜砂的主要成分為酚醛樹脂與烏洛托品，兩者均含有氫、氮元素，因此覆膜砂含氣量越大，則在界面上易于產(chǎn)生氣孔，控制覆膜砂發(fā)氣量可以減少氣孔的發(fā)生，相反無法避免。

3）造型下芯后長時(shí)間等待的影響

濕型砂造型下芯后離澆注時(shí)間越短越好。時(shí)間越長，那么濕型砂以及型腔內(nèi)的潮濕空氣易于遷移或附著在覆膜砂砂芯表面使其水分增加，凝結(jié)或聚集的水分越多，那么界面反應(yīng)越劇烈，產(chǎn)生皮下氣孔的機(jī)會越大。相反，時(shí)間越短，水分遷移或附著在表面的過程來不及進(jìn)行，界面反應(yīng)的機(jī)會減少，因此皮下氣孔發(fā)生的概率就低。

2.2 剎車泵皮下氣孔形成的原因分析

2.2.1 鑄件結(jié)構(gòu)的原因

由于公司內(nèi)各種型號的剎車泵為長期生產(chǎn)的產(chǎn)品，且在本次發(fā)生氣孔前也一致在生產(chǎn)，因此無論壁厚、還是結(jié)構(gòu)都是固定不變的，因此本次皮下氣孔原因分析不涉及此方面的問題，否則無法解釋之前為什么沒有。

2.2.2 鐵液成分的原因

表1 為發(fā)生氣孔之前與發(fā)生氣孔后有氣孔、沒氣孔爐前碳硅分析儀的碳與對應(yīng)的成品光譜樣成分對比。

表1 氣孔發(fā)生前與氣孔發(fā)生時(shí)期原液碳與成品成分情況統(tǒng)計(jì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表1 數(shù)據(jù)表明，在氣孔發(fā)生后與氣孔發(fā)生前比較，每爐的碳硅成分略有降低，但是氣孔發(fā)生期間，沒氣孔的與有氣孔的碳硅含量相當(dāng)，屬于同一個(gè)水平；硫磷含量一直處在很低的水平，錳含量略有增加，稀土量無變化。根據(jù)它們對氣孔的影響，認(rèn)為這些元素含量的變化處在同一個(gè)水平范圍內(nèi)，而含量變化最大的是Mg、Al、Ti 三元素。

依據(jù)氣孔形成機(jī)理，當(dāng)含Mg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.025%～0.04%升高到0.038%～0.050%時(shí)，加劇了Mg 與覆膜砂砂芯表面吸附水蒸氣的界面反應(yīng)，因而產(chǎn)生了大量的氫。在Al、Ti 共同存在時(shí)，同一球化包的鐵液一旦澆注溫度低于某個(gè)界限時(shí)，那么皮下氣孔將出現(xiàn)爆炸性增加。在含Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.008%～0.024% 升高到0.027%～0.032%，Ti 由0.021%～0.028%升高到0.026%～0.032%時(shí)，皮下氣孔將100%要發(fā)生。本次發(fā)生的皮下氣孔爐次件正好與各自的成分形成了一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)三者的含量均在高限時(shí)，每爐次無論是有氣孔的件數(shù)上還是每件的氣孔數(shù)量與嚴(yán)重程度上，均呈現(xiàn)類似正相關(guān)的關(guān)系。

另外需要說明的是，本次鑄件皮下氣孔的發(fā)生位置均在覆膜砂砂芯形成的鑄件表面上或者覆膜砂砂芯與濕型砂的交接界面上，而濕型砂形成的鑄件表面上反而無皮下氣孔。從這個(gè)結(jié)果看，球鐵鐵液只是在與覆膜砂砂芯形成的界面上發(fā)生了界面反應(yīng)，而與濕型砂形成的界面并沒有發(fā)生界面反應(yīng)，也說明這個(gè)皮下氣孔不是金屬液內(nèi)部物質(zhì)之間發(fā)生了反應(yīng)，而是金屬液內(nèi)的成分與覆膜砂砂芯在界面上發(fā)生了界面反應(yīng)。換句話說，是金屬液內(nèi)的Mg、Al、Ti 與覆膜砂界面上的水分發(fā)生了界面反應(yīng)。澆注過程中當(dāng)鐵液溫度低于某個(gè)值時(shí)，界面反應(yīng)產(chǎn)生的氣孔將被封存在鑄件的表面內(nèi)部，形成了氣孔缺陷。

澆注溫度的變化?，F(xiàn)場鐵液的出爐溫度、澆注溫度一直是相對穩(wěn)定狀態(tài)，因此這個(gè)澆注溫度不是本次氣孔發(fā)生的主要因素，不列入排查對象。

2.2.3 濕型砂或砂芯對氣孔產(chǎn)生的影響

那么為什么金屬液中的Mg、Al、Ti 沒有與濕型砂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，某公司無論是機(jī)器造型的單一砂，還是手工地面造型用的面砂，其濕壓強(qiáng)度為0.14 MPa～0.18 MPa，水分均在4.0%以內(nèi)，透氣性大于110，緊實(shí)率不大于38%，有交煤粉含量在3.5%～4.5%范圍且一直穩(wěn)定，就是說這個(gè)型砂各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)是符合鑄件質(zhì)量要求的，并且一直沒有達(dá)到與當(dāng)前Mg、Al、Ti 發(fā)生反應(yīng)的濃度與機(jī)會。

那么是不是覆膜砂出了問題呢？經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)覆膜砂砂芯的發(fā)氣量，在氣孔發(fā)生前一直在遠(yuǎn)離規(guī)定的上限13%，發(fā)生氣孔時(shí)期的覆膜砂發(fā)氣量由12.3%到12.5%到12.8%逐漸升高，正好在氣孔最厲害時(shí)期；之前氣孔未發(fā)生時(shí)，基本都在12%以內(nèi)，甚至11%以內(nèi)，聯(lián)想到本次產(chǎn)生的氣孔均發(fā)生在覆膜砂界面上，因此不得不懷疑覆膜砂發(fā)起量高，有可能助推了皮下氣孔的發(fā)生。由于覆膜砂含有酚醛樹脂與烏洛托品，而這些都是含氮?dú)溲醯奈镔|(zhì)，是氣孔的來源。但是單純這些還不能說一定就是覆膜砂的問題。因?yàn)檫€有好多品種的剎車泵并沒有發(fā)生皮下氣孔，而這些剎車泵也都是含有覆膜砂砂芯的。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，剎車泵沒有發(fā)生皮下氣孔爐次的Mg、Al、Ti 含量是明顯偏低的，不像有氣孔時(shí)的那樣高。這說明覆膜砂發(fā)氣量略微增高不是本次皮下氣孔的主要原因。

下芯合箱后到澆注期間的等待時(shí)間，生產(chǎn)線短則30 min，長則2 h；而手工造型短則3 h，長則8 h才輪到澆注。然而無論氣孔發(fā)生還是不發(fā)生，這個(gè)狀態(tài)是長期存在的，因此，分析覆膜砂砂芯放入型內(nèi)，在長時(shí)間不澆注的情況下會吸附大量水汽，水汽正好與注入Mg、Al、Ti 含量三高的金屬液發(fā)生了強(qiáng)烈的界面反應(yīng)，這在理論上說是說得通的。但實(shí)際上這樣的生產(chǎn)模式由于長期存在，之前也一直沒發(fā)生過氣孔，因此這種生產(chǎn)模式不能列為氣孔整改的考慮項(xiàng)。

因此認(rèn)為Mg、Al、Ti 含量增高是本次皮下氣孔的直接原因。

3 解決對策

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鎂之所以增高，是因?yàn)闉榱朔乐骨蚧ネ?，將球化室的深度由原來?2 cm 增加至28 cm，結(jié)果延遲了球化起爆時(shí)間，使得鎂含量大幅增加。又由于每個(gè)球化包必須用三個(gè)班次后才去維護(hù)，因此第三個(gè)班次球化室深度明顯變淺，致使殘留鎂量多數(shù)恢復(fù)常態(tài)。而鋁含量明顯增加，是因?yàn)閴喊梦撈械匿X含量增加導(dǎo)致，另外多壓入的矽鋼片，也使鋁含量增加。鈦含量增加是因?yàn)槭褂昧诵沦忂M(jìn)了含鈦量較高的生鐵，配料時(shí)又增加了較多的生鐵配比導(dǎo)致。

為此制定了下列對策：

1）維持現(xiàn)在的球化室深度不變，6-2 球化劑的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.3%調(diào)整為1.1%.

2）用低碳低硅低錳低鋁普通鋼豆替代矽鋼片壓包。遏制含鋁量不穩(wěn)定的矽鋼片增鋁以及為延遲球化起爆而多加入矽鋼片帶入過多的鋁量。

3）減少Q(mào)10 生鐵配入量，由原來加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%調(diào)整為10%，多使用低鈦低鋁低合金的普通廢鋼配料。

除此之外，密切監(jiān)視各種原料的變化與成分檢測，防止因?yàn)闆]有發(fā)現(xiàn)較大變差而帶來批量損失。

4 驗(yàn)證與結(jié)論

通過上述措施實(shí)施，迅速遏制了皮下氣孔缺陷。據(jù)此修訂了材料標(biāo)準(zhǔn)，Mg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制范圍由原來的0.03%～0.055%修訂為0.025%～0.038%，增加了ω（Al）≤0.022%、ω（Ti）≤0.027%含量的控制范圍。

由此得出結(jié)論，解決球鐵件皮下氣孔的根本辦法無外乎是控制型砂、型芯內(nèi)的水分、有機(jī)物等含量，提高型砂、型芯的透氣能力以及保證澆注溫度之外，就是控制鐵液本身特別是鎂鋁鈦含量，那么皮下氣孔便輕松得到遏制或消除。