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呋喃樹(shù)脂砂鑄造鑄件產(chǎn)生氣孔及防止

1.章舟 2.朱以松  3.徐永明  4.王樹(shù)成

1. 杭州學(xué)林科技開(kāi)發(fā)服務(wù)部鑄造研究室    310012         2. 無(wú)錫錫南鑄造機械有限公司  214026

3. 黃巖八一機械廠(chǎng)                      317400         4. 杭州汽輪機廠(chǎng)              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(cháng)的及不規則的,有單個(gè)的、也有聚集片的,顏色為白色或帶一層暗色,有時(shí)覆有一層氧化皮。

目前,比較常用呋喃樹(shù)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(lái)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(lái)源:粘結劑呋喃樹(shù)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(fā)氣物、有機物受高溫而氣化等。

1、  呋喃樹(shù)脂、固化劑、發(fā)氣量及防止產(chǎn)生其侵入性氣孔。

    樹(shù)脂因其含氮量和水分及有機物量多少及固化劑種類(lèi)、用量不同,其發(fā)氣量的多少也不同,往往在1050℃左右發(fā)氣迸出,短時(shí)間內N2, H2, O2, CmHn…等,此時(shí),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(shù)脂和固化劑加入量,選用發(fā)氣量小的樹(shù)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?zhuān)┖婵救コ睔狻?/p>

(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(shí)產(chǎn)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(lái)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(shí)也會(huì )因型腔內的氣體來(lái)不及逸出,導致鑄件頂部產(chǎn)生澆不足的缺陷。

樹(shù)脂砂型的澆注系統計算,經(jīng)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(shí)間,經(jīng)驗計算:

T=SG           T---澆注時(shí)間,秒;

G---金屬液總重量, kg  ;

S---系數,為1---1.2。

一般,比較樹(shù)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(shí)間,才能抑制或排除樹(shù)脂發(fā)氣量較大鑄型產(chǎn)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(shí)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(dòng),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(cháng)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(lèi)應平做斜澆。

C、使已經(jīng)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(guān),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(shí),澆注系統中的金屬液流卷攜帶氣泡,氣泡隨流股進(jìn)入型腔,或液流沖刷型腔內金屬液流動(dòng)產(chǎn)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(huì )使鑄件產(chǎn)生氣孔,稱(chēng)卷入裹攜氣孔。

防止辦法:

(1)、流股從上而下過(guò)高,金屬液流將卷入空氣,起泡并四處飛濺,就會(huì )引發(fā)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(jìn)入型腔平穩有序;

(2)、澆口杯形狀不當,澆注時(shí)也會(huì )卷入氣孔,以扁橢圓形澆口杯,不致金屬液產(chǎn)生環(huán)流而卷進(jìn)氣孔,使流股平穩流動(dòng)進(jìn)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(fā)紊流、渦流而卷入氣泡,同時(shí),流股在型腔內容易產(chǎn)生“死角”或“渦流”的部位應設內澆道或過(guò)道,使金屬液面在型腔中平穩上升或流動(dòng);

(4)、澆注方式:流股慢---快---慢,細---粗---細,切忌流股中斷或時(shí)細時(shí)粗或時(shí)快時(shí)慢波浪式澆注,而卷入氣體。

三、析出性氣體

以原子態(tài)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(shí)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(mǎn)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(guò)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(zhù)溫度下降而減少,當其由液態(tài)轉變成固態(tài)時(shí),在鑄件內很易產(chǎn)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(shí),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(lái)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(jìn)行,爐氣的含氣量深受大氣環(huán)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(shí)吸氣。

四、反應性氣孔

(一)、內生式反應性氣孔。

金屬液凝固時(shí),金屬本身化學(xué)成分元素和溶解于金屬液的化合物,或化合物之間發(fā)生化學(xué)反應產(chǎn)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(chǎn)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(guò)甚)。CO反應性?xún)壬綒饪住?/p>

[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?chē)饘僖褐腥芙獾臍錃?、氮氣?huì )擴散滲透入CO氣泡中,不斷擴大,難以上浮排出,隨著(zhù)凝固液界面向鑄件中心推進(jìn),同時(shí)CO氣泡不斷地產(chǎn)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(guò)量時(shí),則 [FeO]+[C] →[Fe]+CO

鋼液中脫氧不凈,鐵液中沖天爐鐵水氧化過(guò)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(lèi)內生式反應氣孔。

防止措施:

(1)、防止鑄鋼產(chǎn)生內生式反應氣體是在熔煉時(shí),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(shí)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)、沖天爐熔煉須要控制爐料質(zhì)量,防止使用劣質(zhì)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(huì )增加鐵液的吸氣量,總之爐料須保質(zhì)、干凈;熔煉工藝須匹配合理,切忌風(fēng)量與生產(chǎn)率不相配,風(fēng)量、風(fēng)壓、進(jìn)風(fēng)角度不當都會(huì )使熔化鐵水氧化吸氣量增加,須嚴格遵守熔煉工藝操作,獲得優(yōu)質(zhì)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(shù)脂粘結劑的碳、氫、氮、氧、硫、磷等等因素發(fā)生反應,生成氣體,形成氣泡而產(chǎn)生外生式反應性氣孔??煞譃椋?/p>

1.         皮下氣孔、產(chǎn)生及防止

(1)、鋼液進(jìn)入型腔后,型腔內含水分過(guò)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(chǎn)生氫。

2Al+3H2O→Al2O3+6H↑

Mg+H2O→MgO+2H↑

產(chǎn)生的氫使鐵液界面氫氣富集,凝固時(shí),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(lèi)型的皮下氣孔。這類(lèi)皮下氣孔是流行性的與當時(shí)當地的潮氣、霉天、雨雪冰凍有著(zhù)密切的關(guān)系。

對球墨鑄鐵鑄型、鑄芯中,硫的含量也是產(chǎn)生皮下氣孔的有害元素,S%>0.094%就易產(chǎn)生皮下氣孔

MgS+H2O→MgO+H2S

H2S氣體不僅產(chǎn)生皮下氣孔,同時(shí)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(diǎn)994℃或氟化鈉(NaF,熔點(diǎn)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(fā)生反應,鐵液不能吸氫氣,從而有效地防止球鐵皮下氣孔?!?/p>

(3)、氫氮混合皮下氣孔

當呋喃樹(shù)脂其N(xiāo)2%>6%時(shí),鑄件就易產(chǎn)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(shù)脂粘結劑分解出(NH3),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(chǎn)生皮下氣泡。

防止措施:配制呋喃樹(shù)脂砂時(shí),鋼液原始含N2量較高,應選用低N2樹(shù)脂;灰鑄鐵球墨鑄鐵可選用含N2  3%---6%的中氮樹(shù)脂,厚壁大件,砂芯復雜、舊砂再生時(shí),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(shù)脂作粘結劑,是防止鑄件產(chǎn)生氫氮混合皮下氣孔的*關(guān)鍵措施,而不溶氮的鋁、銅有色合金鑄件則可采用高氮樹(shù)脂,其N(xiāo)2含量可達13.00---14.00%的呋喃樹(shù)脂,因其價(jià)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(shù)脂作粘結劑時(shí),易產(chǎn)生N2、H2皮下氣孔,可采用鈦對鋼液進(jìn)行終脫氧,

Ti+FeO→TiO+Fe

同時(shí)形成TiN,起固定N2的作用,不易產(chǎn)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(jìn)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(xué)元素發(fā)生反應,產(chǎn)生氣體,形成氣泡,結果在鑄件表皮下或敞開(kāi)處包容著(zhù)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(wú)覆蓋劑表面上發(fā)生二次氧化,形成低熔點(diǎn),流動(dòng)性好的液態(tài)渣,是SiO2—MnO—FeO三元共晶成分熔體、熔點(diǎn)1170℃,其中FeO和硫產(chǎn)生反應:

(FeO)+[C] →Fe+CO↑  

產(chǎn)生CO氣體與液態(tài)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(shí),MnS—SiO2—MnO共晶渣(熔點(diǎn)1060℃)流動(dòng)性更好。

防止措施:

1)、澆包修搪須干凈,不能用附著(zhù)厚渣的澆包,防止添渣,澆包置入金屬液后,表面務(wù)必加覆蓋劑(稻草灰、珍珠巖等)而防止產(chǎn)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(chǎn)生MnS而成低熔點(diǎn)三元渣。

(5)、呋喃樹(shù)脂熱分解產(chǎn)生熱皮下氣孔及防止

產(chǎn)生:金屬液澆入型腔后,型壁受熱,致使呋喃樹(shù)脂分解產(chǎn)生原子態(tài)的氮、氫,量多分壓力高,N、H氣體混入鑄件表面,凝固后即產(chǎn)生熱皮下氣孔(H、N混合皮下氣孔)。

防止措施:呋喃樹(shù)脂粘結劑鑄型,對澆注溫度很敏感,〈1350℃不會(huì )出現熱皮下氣孔,型腔各部分受熱程度不同也會(huì )在熱區產(chǎn)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(chǎng)均勻,縮短充型金屬液流動(dòng)距離,不使型腔局部受熱過(guò)劇而使呋喃樹(shù)脂分解。

呋喃樹(shù)脂粘結劑,有它優(yōu)點(diǎn)也有它易分解產(chǎn)生氣體使鑄件出現氣孔的缺點(diǎn),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(chǎn)生氣孔原因和防止辦法,呋喃樹(shù)脂粘結劑的鑄型也可使用(比如使用冷鐵不當產(chǎn)生的氣孔等等。


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