(27)球墨铸铁件表面缺陷

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球墨铸铁件表面缺陷

清华大学 于震宗

引言

球墨铸铁件的缺陷分为表面缺陷和内在缺陷两大类，后者即有关金属材质方面的缺陷，不属于本文范围内。本文内容重点是砂型铸件的表面缺陷，包括用湿型砂、水玻璃砂、树脂砂等砂型和砂芯生产的铸件。砂型球墨铸件的表面缺陷有多种，本文仅选择①粘砂，②砂孔和渣孔，③夹砂，④气孔，⑤胀砂、缩孔和缩松等缺陷进行讨论。有的缺陷如灰班虽然发生在铸件表面上，而产生原因完全属于材质方面，则不包括在本文内：

一. 球墨铸件气孔缺陷

气孔是最难分析其形成原因和最难找出防治方法的铸件缺陷。这是因为气孔的形成原因很多，从外观上又不易分清气孔是属于那种类型的。虽然采用扫描电镜和能谱等微观分析方法有助于估计气孔的产生原因，但是这些先进的技术都还处于研究阶段，大多数铸造工厂尚难在生产中利用。根据气孔发生机理，可分为裹入、侵入、析出和反应四类气孔。其中裹入气孔是浇注时金属液中裹带着空气泡，随着液流进入型腔中而产生的气孔缺陷。侵入气孔是铸件表面凝固成壳以前，砂型、砂芯等造型材料受热产生的气体侵入金属液中，形成气泡而产生的气孔球铁铸件最常遇到的气孔缺陷是反应气孔和析出气孔。以下将分别讨论： 1. 析出气孔

金属液中溶解的原子态氢、氮气体元素，随金属温度下降而溶解度逐渐减小。下降至结晶温度或凝固温度时，溶解度突然变小，氢、氮以分子态气相析出形成气泡，使铸件产生气孔，称为析出气孔。生产铸铁的工厂中，最常见的析出气孔是使用树脂砂型和砂芯造成氨氮气孔，也有来自炉料和增碳剂的氮气孔。。 ① 氨氮

酚醛树脂覆膜砂的硬化剂为乌洛托平（六亚甲基四胺(CH2)6N4）。铸铁件用热芯盒呋喃树脂含有尿素（CO(NH2)2）。硬化剂用含有尿素和NH4Cl的水溶液。冷芯盒和自硬砂用酚醛脲烷树脂的聚异氰酸酯组分中含有-RNCO基团。上述树脂砂都含有多少不等的氨或胺，都是引起析出气孔的根源。所含氮不同于空气中的氮，大气中78％是由氮组成，并不引起析出气孔缺陷。区别在于上述树脂的氮是“氨氮”。浇注时，树脂砂中粘结剂分解出NH3，在高温下NH3进一步分解出原子态的[N]和[H]。溶解在金属液中并向内扩散。随着金属液温度下降，溶解度也下降。凝固时溶解度突然变小，氢和氮以分子态析出成小气泡。两种气泡合称“氮气孔”。 由于 [N]在铁水中扩散较缓慢，气孔在远处少。 除了一小部分露在铸件表面以外，大部分形成的气孔就位于表皮下面，经抛丸或初加工后显露出来，因此又称为“皮下气孔”。大多为表面光洁的细小圆球形孔洞，孔内有石墨膜。孔径大约只有0.5~1mm左右，因而又常称为“针孔”。分布较弥散，主要靠近树脂砂型和砂芯处和热节

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处较多。有时也会成为枝晶间裂隙状。大多数向铸件内延深不超过6mm。

用电炉或冲天炉熔化废钢生产铸铁件和使用增碳剂沥青焦炭或SiC，都有可能将原材料所含氮带入而形成裂隙状氮气孔。 ③ 防止措施

a) 严格控制铁水中、粘结剂中和树脂砂中氮含量和降低树脂加入量。根据工厂经验，含氮量控制数值见下表，表中上下限对应于薄壁及厚壁铸件：

控制N含量（％） 一般灰铁 高强灰铁，球墨铸铁 粘结剂 3～10 3～6 树脂砂 0.10～0.20 0.06～0.10 金属液 0.015 0.010 铸钢，高合金铸铁 0.5～1.0 0.01～0.02 0.010 b) 铸铁件树脂砂中加氧化铁粉（Fe2O3）约0.3～1.0％。有人认为其原理是铁水遇到Fe2O3快速放出氧，立即与从粘结剂的N分解产物反应形成稳定的NOx化合物。也有人认为氧化铁与铁水接触后发生分解，并与碳作用生成一氧化碳。通过一氧化碳气泡的逸出，同时带走了铁水中的氮和氢。但会降低芯砂强度或增加树脂耗量，非万不得已，最好不用。应从原砂质量和树脂改性上着手。

c) 在铁水中加入0.05％的氮稳定剂Ti，或Fe-Ti合金（含钛24～28％）。钛与氮可形成不溶于铁水的氮化物TiCN或TiN。但会恶化切削加工性能，此法慎用。

d) 砂型和砂芯上涂刷不含氮的高温烧结型涂料，在高温下涂料能够烧结成为密实的防护壳，阻止粘结剂分解出的气体溶解入金属液。也有时采用含氧化铁粉的专用涂料。 e) 烘烤冷芯盒和自硬砂用酚醛脲烷树脂砂芯使颜色变成巧克力棕色，粘结剂的挥发达55%。对消除气孔有明显作用。组分II树脂中氮成分可以继续进行反应形成稳定的化合物。 2. 反应气孔

铁水与砂型、砂芯、夹杂物等之间发生化学反应生成气体，以及铁水与溶解的化合物发生化学反应生成气体，所产生的气孔称为反应气孔。一般为直径1～3mm的小孔，分布在铸件表皮下，所以又称为皮下气孔。

球墨铸铁件的皮下气孔特征是在铸件表面以下1～3mm 处，有成串、成簇的直径1～3mm的小气孔。孔呈球形或泪滴形，孔壁光滑发亮，覆盖着一层石墨膜。孔洞边缘常是无石墨组织的金属层。有的孔洞存在很小的开口，孔壁呈氧化色。小部分孔洞表面粗糙，含有Mg、Al、Mn、Si等夹杂物。 皮下气孔的形成机理为： ① 冲天炉中反应

冲天炉中熔炼所用铁料有锈与焦炭反应生成CO。浇注后从铁水中分离出而成气泡。

FeO + C → CO

因此冲天炉用废钢等铁料应当预先除锈。

冲天炉鼓风的空气相对湿度高时，所含水分与焦炭反应生成氢、一氧化碳和二氧化碳等气体。随铁水带入砂型成为气孔。

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H2O + C → [H], CO, CO2

在潮湿地区和潮湿季节，冲天炉鼓风最好经除湿处理。 ② 出铁槽、处理包、浇包中反应

如型砂中的水分同样，出铁槽、处理包和浇注包用搪泥修理后未烤干，含有大量水份，与铁水反应产生氢气。

Fe + H2O → FeO + 2[H]

③ 氧化物与碳反应

铁水中有大量FeO、MnO和SiO2等氧化物熔渣。与铁水中碳反应产生CO皮下气孔。例如

SiO2 + 2C → Si + 2CO

④ 湿砂型水份反应 a) 湿型砂所含水分与铁水反应

和出铁槽等处水份同样与铁水反应生成[H]和FeO。其中FeO又会与砂型所含煤粉中C和铁水中C反应生成CO，使铸件产生[H]气孔和CO气孔。气孔成排排列在与砂型接触表面的铸件表皮下面。

Fe + H2O → FeO + 2[H]

FeO + C → Fe + CO b) 湿型砂的水份与铁水中铝、钛反应

铝的来源为炉料和孕育剂。与水反应放出[H]。生成的Al2O3是气泡形核的外来核心。

2Al + 3H2O → Al2O3 + 6[H]

结果使铁水层吸氢，成为富集氢的液层。凝固时被包封在液相中的氢析出成为氢气泡核，继而氢扩散入气核使长大成为氢气泡。灰铸铁件残留铝量应小于0.015％。球墨铸铁件残留铝量小于0.030％时一般不会产生皮下气孔。在铁水中加入过多的、含铝又高的硅铁孕育剂是铸件产生严重皮下气孔的重要原因之一。硅铁孕育剂的含铝量最好不超过1.2％。 钛与铝情况类似，使用含钛多的生铁时，铁水中含钛>0.06％时气孔严重。反应式为： Ti + 2H2O → TiO2 + 4[H] c) 湿型砂水份与球墨铸铁铁水中残留镁反应

球墨铸铁的铁水浇入湿型后，残留镁同水分子中氧强烈反应而产生原子态[H]，形成大量氧化物，都是[H]气泡的外来核心。如下式所示：

Mg + H2O → MgO + 2[H]

在保证球化质量的前提下，铁水中残留镁量以低为好，一般应小于0.030～0.050％。 d) 湿型砂水份与铁水中硫化镁反应

原铁水含有硫分，球化处理后成为硫化镁夹杂。如果扒渣不干净，流入砂型中。上浮至砂型界面的硫化镁渣与砂型水分反应生成硫化氢气体，混入铸件中而成皮下气孔缺陷。反应式如下：

MgS + H2O → MgO + H2S

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铁水含硫高，皮下气孔严重。气孔周边金属组织中常有片状石墨出现。原铁水含硫量小于0.05％只能勉强生产球铁件。但如生产高质量球铁件，应当对对冲天炉铁水预先进行脱硫处理，将含硫量降到0.015％以下。含硫超过0.02％的电炉铁水也都最好先行脱硫处理。 为了防止湿型砂铸铁件产生气孔缺陷，还应当注意采取以下措施：

a) 严格控制型砂干湿程度，造型处的型砂紧实率必须低，最好不可超过40%。含水量也应尽可能低。否则不但反应气孔难以避免，就连侵入气孔也会出现。

b) 湿型砂中所含煤粉不仅能防止铸件粘砂缺陷和改善铸件表面光洁程度，对防止铸铁件气孔缺陷，尤其是防止球墨铸铁件皮下气孔缺陷极为关键。浇注时煤粉产生大量还原性气体，可以大大冲淡水汽的浓度，削弱水汽对铁水的反应。最好使浇注出铸铁件表面呈现明显深蓝色，可代表型腔内气氛为强烈还原性，有利于防止球墨铸铁件产生皮下气孔。 c) 在球墨铸铁的湿型腔表面抖冰晶石粉（氟铝酸钠Na3AlF6）。在高于1011℃高温下冰晶石分解产生AlF3气体能保护界面铁水层不致与水汽发生化学反应，从而防止界面铁水层吸氢。还能夺走砂型水份，减少水与镁的反应。可以有效地防止球墨铸铁件产生皮下气孔。反应式如下：

Na3AlF6 → 3NaF + AlF3↑ 2Na3AlF6 + 3H2O → Al2O3 + 6NaF + 6HF↑

有的工厂不采取撒冰晶石粉，而是在砂型表面喷柴油、煤油。喷煤油后再撒石墨粉也对防止气孔也有一定效果。

d) 浇注温度低，铁水中夹杂物多。夹杂物也吸附大量气体，并且增多气泡外来核心。提高浇注温度可延缓铁水表面氧化膜的生成和延长铁水凝固时间，有利于铁水中气体逸出。研究工作表明高于1450℃时铁水表面洁净，1352～1450℃铁水表面有液态氧化物渣，低于1350℃表面出现固态熔渣。对于一般厚壁简单铸铁件浇注温度在1360℃以上不易出现气孔。对于复杂薄壁铸铁件（如内燃机机体、缸盖），则不能低于1380℃。

二. 铸件粘砂缺陷

砂型铸件表面牢固粘连的粘砂缺陷可以分为机械粘砂和化学粘砂两种。机械粘砂是金属液钻入砂型砂粒间孔隙造成的。化学粘砂是砂型的SiO2与金属氧化物如FeO等产生化学反应生成硅酸亚铁（铁橄榄石）与铸件粘连在一起的。球铁铸件的化学成分含碳高，不产生硅酸亚铁，所产生的粘砂只是机械粘砂。 1. 球墨铸铁大件粘砂

生产大件采用粘土干型、树脂砂型、水玻璃砂型。浇注较大铸件通常采用锆英粉、铬铁矿粉、棕刚玉粉、镁砂粉、石墨粉等耐火骨料的优质涂料。但涂料厂商可能为了节约生产成本，粉料中过多掺入某些价廉材料如石英粉、铝矾土粉、焦炭粉等，就会降低其防粘砂效果。

2. 湿型中、小球铁件粘砂

铸铁件型砂中大多含有煤粉，浇铸时产生大量还原性气体，不会引起化学粘砂。以下

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分别讨论各种因素对机械粘砂的影响。 （1）砂型紧实程度

手工造型和震压造型的紧实程度一般较低，砂型表面的砂粒比较疏松，金属液钻入砂粒之间孔隙之间的可能性较大，砂型型腔的坑凹处和拐角处局部也都有可能出现疏松。工人可以采取手指塞紧、用冲锤的尖头局部冲紧。高生产率的高密度造型是否有局部疏松，则取决于型砂流动性如何，因而很多工厂尽量降低型砂紧实率来提高型砂的流动性。在加砂和压实过程中采用微震是十分有效的。此外也取决于对造型机紧实压力高低的设定。 （2） 浇注温度

金属液温度高，流动性好，就容易渗入砂粒间孔隙而产生机械粘砂和表面粗糙。但从避免铸件产生气孔、冷隔等缺陷考虑，浇注温度不可任意降低。生产复杂薄壁铸件时尤其需要较高浇注温度。 （3）型砂的粒度和透气性

湿型的砂粒粗细一方面要保证浇注后排气通畅，另一方面湿型砂的透气能力又不可太高，以免金属液容易渗透入砂粒孔隙中。手工造型生产小件的砂型上扎有较多排气孔，而且往往采用面砂，砂粒可以细些，型砂透气率30～60已然合适。机器造型湿型砂的型砂粒度大致在70/140目，透气率大多在60～90的范围内。高密度砂型比较密实，则要求型砂有较高透气率。粒度大多在50/140或140/50目，透气率较多集中在100～140。通常内燃机铸件砂芯用原砂粒度为50/100目，比型砂粒度粗。长期生产会有大量芯砂混入型砂而使型砂粒度变粗，致使有的工厂透气率高达160以上，除非在砂型表面喷涂料，否则铸件表面会出现粗糙甚至有局部机械粘砂。如果出现型砂粒度变粗，国外有的工厂在混砂时加入100、140目两筛细粒新砂来进行纠正。 （4）砂型涂料

机器造型超过100余千克的较大湿型球铁铸件，可以对下砂型喷刷醇基涂料，点燃后即可下芯与合型。一般上型可以不喷涂料，因为所受金属液压头比下型小。喷涂料的另一优点是提高了砂型表面耐冲刷能力。

用树脂芯或油砂芯生产对内腔要求不高的一般球铁铸铁时，为了防止金属液钻入砂芯，可以在硬化后的砂芯表面局部容易渗透金属液处，涂抹用机油或其他粘结剂加石墨粉、石英粉或其它耐火粉料调制的涂料膏，凉干后即可下芯。当生产内腔清洁度和光洁度要求很高的铸铁件（如内燃机缸盖、机体、液压系统阀件等）时，必须对砂芯采取整体涂料而后表面烘干。手工生产小球墨铸铁件时，常用软毛刷将石墨粉细心涂刷在湿砂型和砂芯表面上。也有的喷石墨与水混合液，待自然晾干后浇注。石墨粉可以填塞孔隙，不被铁水润湿，铁水难以钻入砂粒之间。 （5）爆炸粘砂

有时可以看到铸件浇注位置的上表面出现粘砂缺陷，与通常粘砂出现在浇注位置的下表面不同。这是在浇注铁水液面邻近型腔上表面时发生爆炸造成的。开始浇注时砂型的水分蒸发凝聚在温度较低的型腔上表面，当金属液面上升与型腔上表面开始接触时水分骤然

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