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呋喃樹脂砂鑄造鑄件產生氣孔及防止

 
1.章舟 2.朱以松  3.徐永明  4.王樹成
1. 杭州學林科技開發服務部鑄造研究室    310012         2. 無錫錫南鑄造機械有限公司  214026
3. 黃巖八一機械廠                      317400         4. 杭州汽輪機廠              311106
 
氣孔(氣眼、氣泡、嗆)在鑄件內部、表面或近于表面處有大小不等的光滑孔眼,形狀有圓的、長的及不規則的,有單個的、也有聚集片的,顏色為白色或帶一層暗色,有時覆有一層氧化皮。
目前,比較常用呋喃樹脂鑄造灰鑄鐵、球鐵、合金鑄鐵、碳鋼及低合金鋼,從鑄件的氣孔來看,侵入氣孔、卷裹入氣孔、析出性氣孔、反應性氣孔(內生式和外生式)等。
一、             侵入氣孔及防止
氣孔的來源:粘結劑呋喃樹脂、固化劑分解、澆注系統型腔內氣體(空氣、水汽等)、涂料、鑄型中發氣物、有機物受高溫而氣化等。
1、  呋喃樹脂、固化劑、發氣量及防止產生其侵入性氣孔。
    樹脂因其含氮量和水分及有機物量多少及固化劑種類、用量不同,其發氣量的多少也不同,往往在1050℃左右發氣迸出,短時間內N2, H2, O2, CmHn…等,此時,砂型、砂芯中氣體壓力增大而侵入金屬液,形成侵入性氣體,針對這一情況,一方面要設法阻止氣體侵入金屬液,另一方面設法讓已侵入的氣體排出、逸出。
防止措施:
(1)、減少樹脂和固化劑加入量,選用發氣量小的樹脂,控制其它強化劑(如硅烷)等加入量;
(2)、控制涂料的含水量,醇基涂料酒精的含水量。砂型、泥芯充分干燥后,再刷涂料,*合箱前用噴燈(槍)烘烤去潮氣。
(3)、舊砂再生去除型砂中的塵埃、微粉,以免阻礙通氣,注意鑄型及泥芯的出氣孔和出氣通道設置,保證使澆注時產生的氣體順利排氣,砂箱四壁要有出氣孔。
(4)、澆注系統和澆注工藝有利于排氣或抑制外來氣體侵入。
A、加快鑄型內金屬液面上升速度,使型腔中的氣體壓力增大,有助于抑制界面外氣體的侵入;同時也會因型腔內的氣體來不及逸出,導致鑄件頂部產生澆不足的缺陷。
樹脂砂型的澆注系統計算,經驗公式:
F內=KG       F內---內澆道總截面積,C㎡ ;
              G------金屬液總重量, kg  ;
K-----系數,為0.75---0.8。
澆注時間,經驗計算:
T=SG           T---澆注時間,秒;
G---金屬液總重量, kg  ;
S---系數,為1---1.2。
一般,比較樹脂砂澆注系統內澆道總面積要比粘土砂造型的大20%---30%, 和相應的澆注時間,才能抑制或排除樹脂發氣量較大鑄型產生氣體,不致使鑄件出現侵入性氣體。
B、便于排氣。澆注系統加大和澆注時間的控制,除考慮金屬液的特性(均衡凝固,順序凝固)、澆注系統對型腔內的金屬液流動,必須便于氣體逸出,在*高處設置集渣包或氣冒口或冒口。
比如,長條狀機床床身,圓桶體等采用雨淋式澆道不利于排氣,則應采用反雨淋式自下向上便于金屬液型腔上面氣體向上頂面逸出或排除,平板類應平做斜澆。
C、使已經侵入型腔內金屬液的氣體盡快形成氣泡,從金屬液中排出。
金屬液中氣泡上升的速度
V=2/9× gr2(ρm-ρb)/η   V---金屬液中氣泡上升速度;
                         r---氣泡尺寸;
                        ρm,ρb ---金屬液和氣體的密度;
                        η---金屬液的黏度
從式中可以看出,黏度越大,氣泡上升速度越慢;氣泡直徑越大,氣泡上升速度越快,金屬液的表面張力越小,氣泡上升速度越快,這些均與金屬液的溫度有關,提高澆注溫度,利于已侵入金屬液內部氣體析出。
D、設置型腔內鑄件前端、頂端的溢流冒口或集渣包,使其能容納混有氣泡、夾雜物、渣滓的冷金屬液,將其匯集納入溢流冒口,其主要作用排除它的氣泡、夾雜物、冷金屬液于鑄件之外,而不是為了起補縮作用或集渣氣包。
 
二、卷裹入氣孔及防止
澆注時,澆注系統中的金屬液流卷攜帶氣泡,氣泡隨流股進入型腔,或液流沖刷型腔內金屬液流動產生湍流、條流、渦流,將氣泡卷帶入金屬流股中,當氣泡不能從型腔金屬液中排除,就會使鑄件產生氣孔,稱卷入裹攜氣孔。
防止辦法:
(1)、流股從上而下過高,金屬液流將卷入空氣,起泡并四處飛濺,就會引發卷入性氣孔或鐵豆與氣孔并存,改為底注或階梯澆注,使液流進入型腔平穩有序;
(2)、澆口杯形狀不當,澆注時也會卷入氣孔,以扁橢圓形澆口杯,不致金屬液產生環流而卷進氣孔,使流股平穩流動進入直澆道;
(3)、內澆道的截面大小、分布、數量,不應使流股在型腔內急轉彎,以免阻力放大而流速降低,前面碰到型壁換頭返流,后面流股又至,引發紊流、渦流而卷入氣泡,同時,流股在型腔內容易產生“死角”或“渦流”的部位應設內澆道或過道,使金屬液面在型腔中平穩上升或流動;
(4)、澆注方式:流股慢---快---慢,細---粗---細,切忌流股中斷或時細時粗或時快時慢波浪式澆注,而卷入氣體。
 
三、析出性氣體
以原子態溶解于金屬液中的氫、氮、氧等氣體元素,金屬液在冷卻凝固時氣體的溶解度下降而析出氣體形成氣孔。
氣孔特性:
(1)、比較小圓球形,在鑄件斷面上呈大面積分布或均布;
(2)、同一爐澆注的鑄件大部分都有氣孔;
(3)、冒口下面有氣孔,尤其冒口頸偏小,凝固早更易出現氣泡;
(4)、鑄型澆滿后,金屬液上漲,鼓滄;
(5)、易成皮下蜂窩氣孔,或皮下針孔。
形成過程:
金屬液中溶解氣體析出,澆入鑄型后,氫、氮、氧等氣體的溶解度隨著溫度下降而減少,當其由液態轉變成固態時,在鑄件內很易產生析出性氣孔。
防止和消除析出性氣孔的措施:
控制金屬液中的含氣量,熔煉金屬時,要盡量減少氣體元素溶入金屬液中,主要取決于所用的原材料,合理熔煉操作和合適的熔煉設備。
(1)、要求爐料干燥、干凈。金屬液中溶解的氫氣主要來自水汽,攜入爐中的水分變成水汽,在1000℃或高溫下活潑金屬的作用離解出氫原子而使金屬液含氫量增加;
(2)、各種油脂都是碳氫化合物,鐵銹是不同水化程度的氧化鐵的混合物,在高溫金屬液作用下釋放出氫,鐵銹分解出水汽;
(3)、鑄鐵鑄鋼及其他合金的熔煉設備,其熔煉操作在大氣條件下進行,爐氣的含氣量深受大氣環境的影響,比如下雨天、雨雪天、霉雨天,濕度大、潮氣足,金屬液溶入的氣體量就增大,要盡量減少熔煉時吸氣。
 
四、反應性氣孔
(一)、內生式反應性氣孔。
金屬液凝固時,金屬本身化學成分元素和溶解于金屬液的化合物,或化合物之間發生化學反應產生氣體,形成氣泡而出現氣孔,這是由于金屬液本身的原因產生,所以是內生式反應氣孔。
金屬液中含氧比較豐富(鋼液脫氧不良,鐵液氧化過甚)。CO反應性內生式氣孔。
[C]+[O]→CO
CO氣體不溶于金屬液,易在固液界面上的枝晶間的凹坑或溝槽處形成CO初始氣泡,周圍金屬液中溶解的氫氣、氮氣會擴散滲透入CO氣泡中,不斷擴大,難以上浮排出,隨著凝固液界面向鑄件中心推進,同時CO氣泡不斷地產生新的成簇的CO氣泡,而導致這種氣泡形成的彌散性氣體。
金屬液中FeO  (Fe3O4、Fe2O3) 過量時,則 [FeO]+[C] →[Fe]+CO
鋼液中脫氧不凈,鐵液中沖天爐鐵水氧化過甚,或原料鐵銹未除凈或低Si、C的白口鐵抗磨鑄鐵,也易出現這類內生式反應氣孔。
防止措施:
(1)、防止鑄鋼產生內生式反應氣體是在熔煉時,鋼液要脫氧完全,不論是三相電弧爐或中頻爐熔煉,可以加入硅鐵、錳鐵及硅鈣等脫氧劑,降低鋼液中的溶解氧量,*后用鋁終脫氧,以將鋼液中的溶解氧降低到*,此時鋼液*容易吸氫或水汽,因此在鋼液出爐一直到澆注入鑄型都要防止鋼液吸氫或水分,相應采取澆注工藝加以防止;
(2)、沖天爐熔煉必須要控制爐料質量,防止使用劣質生鐵(含有大量氣體),對于回爐料、廢鋼、廢鐵,尤其是末屑中的鐵銹,溶解氣體、潮濕、水雪冰等混入爐內,就會增加鐵液的吸氣量,總之爐料必須保質、干凈;熔煉工藝必須匹配合理,切忌風量與生產率不相配,風量、風壓、進風角度不當都會使熔化鐵水氧化吸氣量增加,必須嚴格遵守熔煉工藝操作,獲得優質鐵水。
 
(二)、外生式反應性氣孔。
金屬液與砂型、涂料、砂芯、冷鐵、渣滓、氧化膜和呋喃樹脂粘結劑的碳、氫、氮、氧、硫、磷等等因素發生反應,生成氣體,形成氣泡而產生外生式反應性氣孔。可分為:
1.         皮下氣孔、產生及防止
(1)、鋼液進入型腔后,型腔內含水分過高,水汽是氧化性氣體。使
Fe+H2O→Fe O +2H2↑
除部分聚合氫分子透出鑄件之外,大部分氫原子留在鑄件表皮下,形成皮下氣孔。
(2)、灰鑄鐵和球墨鑄鐵。金屬液澆入型腔后,界面上的水被鐵液中的鐵、鋁、(球鐵中的)鎂作用產生氫。
2Al+3H2O→Al2O3+6H↑
Mg+H2O→MgO+2H↑
產生的氫使鐵液界面氫氣富集,凝固時,以氫氣泡形成的呈球形或淚滴形,也可視為外生性反應式氣孔,為氫析出性氣孔類型的皮下氣孔。這類皮下氣孔是流行性的與當時當地的潮氣、霉天、雨雪冰凍有著密切的關系。
對球墨鑄鐵鑄型、鑄芯中,硫的含量也是產生皮下氣孔的有害元素,S%>0.094%就易產生皮下氣孔
MgS+H2O→MgO+H2S
H2S氣體不僅產生皮下氣孔,同時不利于石墨球化,易出現片狀石墨。
鑄鐵中加入Re合金、銻(Te)、鉍(Bi)除脫硫、脫氧、聚渣外,還有利于防止皮下氣孔。
球墨鑄鐵鑄型表面抖敷冰晶石(氟鋁酸鈉Na3AlF6)粉,熔點994℃或氟化鈉(NaF,熔點995℃,有毒)粉,可明顯減少球鐵皮下氣孔。
Na3AlF→→3NaF+ AlF3↑ 
AlF3氣體能保護鐵液層不同界面水汽發生反應,鐵液不能吸氫氣,從而有效地防止球鐵皮下氣孔。 
(3)、氫氮混合皮下氣孔
當呋喃樹脂其N2%>6%時,鑄件就極易產生氫氮皮下氣孔,主要是尿素[CO(NH2)2]和催化劑六亞甲基四胺[(CH2)6N4], 當金屬液澆入鑄型后,呋喃樹脂粘結劑分解出(NH3),極不穩定又分解出N、H,金屬液表層下富集N、H,形成H、N氣泡而產生皮下氣泡。
防止措施:配制呋喃樹脂砂時,鋼液原始含N2量較高,應選用低N2樹脂;灰鑄鐵球墨鑄鐵可選用含N2  3%---6%的中氮樹脂,厚壁大件,砂芯復雜、舊砂再生時,含氮量應取低限,對于鋼、鐵黑色金屬鑄件,應選用低氮、中氮的呋喃樹脂作粘結劑,是防止鑄件產生氫氮混合皮下氣孔的*關鍵措施,而不溶氮的鋁、銅有色合金鑄件則可采用高氮樹脂,其N2含量可達13.00---14.00%的呋喃樹脂,因其價廉,自硬強度也較低,宜于有色合金的砂芯(型)。
用電弧爐煉鋼,當N2含量60---100ppm,H2含量1---2 ppm呋喃樹脂作粘結劑時,極易產生N2、H2皮下氣孔,可采用鈦對鋼液進行終脫氧,
Ti+FeO→TiO+Fe
同時形成TiN,起固定N2的作用,不易產生氫氮皮下氣孔,終脫氧加入Ti 量為0.5kg/t(鋼液中N2量52 ppm),1.0 kg/t(鋼液中N2量200 ppm),抑制氮氫皮下氣孔獲得明顯效果。
(4)、渣滓皮下氣孔生成及防止
生成:金屬液中的渣滓進入型腔之中,浮淌在鑄件表面,與金屬液或其他(涂料、附加物)中的化學元素發生反應,產生氣體,形成氣泡,結果在鑄件表皮下或敞開處包容著渣滓的成簇的氣孔為渣滓皮下氣孔火渣氣孔。
金屬液置入澆包中無覆蓋劑表面上發生二次氧化,形成低熔點,流動性好的液態渣,是SiO2—MnO—FeO三元共晶成分熔體、熔點1170℃,其中FeO和硫產生反應:
(FeO)+[C] →Fe+CO↑  
產生CO氣體與液態渣混為一起,凝固后鑄件就出現渣氣孔。
Mn+FeS →←MnS+Fe  
當反應生成MnS 的量較多時,MnS—SiO2—MnO共晶渣(熔點1060℃)流動性更好。
防止措施:
1)、澆包修搪必須干凈,不能用附著厚渣的澆包,防止添渣,澆包置入金屬液后,表面務必加覆蓋劑(稻草灰、珍珠巖等)而防止產生二次氧化(FeO 的出現);
2)、鐵液中的Mn、S含量與澆注溫度(澆注工藝)要匹配,使其中Mn不與S反應產生MnS而成低熔點三元渣。
(5)、呋喃樹脂熱分解產生熱皮下氣孔及防止
產生:金屬液澆入型腔后,型壁受熱,致使呋喃樹脂分解產生原子態的氮、氫,量多分壓力高,N、H氣體混入鑄件表面,凝固后即產生熱皮下氣孔(H、N混合皮下氣孔)。
防止措施:呋喃樹脂粘結劑鑄型,對澆注溫度很敏感,〈1350℃不會出現熱皮下氣孔,型腔各部分受熱程度不同也會在熱區產生熱皮下氣孔,所以澆注系統應將金屬液分散引入型腔,使其熱場均勻,縮短充型金屬液流動距離,不使型腔局部受熱過劇而使呋喃樹脂分解。
呋喃樹脂粘結劑,有它優點也有它易分解產生氣體使鑄件出現氣孔的缺點,只要正確掌握它的特性,加以適當措施可以避免和防止,至于其他易使鑄件產生氣孔原因和防止辦法,呋喃樹脂粘結劑的鑄型也可使用(比如使用冷鐵不當產生的氣孔等等。

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