对皮下气孔问题的认识及体会

对皮下气孔问题的认识及体会
[我的钢铁] 2009-06-15 07:38:26
一、皮下气孔的产生可能与充型过程中铁液表层氧化结皮有关：氧化所产生的氧化物成为气泡的气核和部分气源，而氧化皮则使气泡被阻留在铸件表层，因而形成皮下气孔。

高温铁液要冷却到一定温度才会氧化结皮，结皮温度取决于其化学成分，因而与原铁液成分、球化剂、孕育剂的成分和加入量有关。

提高浇注温度，使铁液温度在充型过程中始终高于结皮温度，是防止铁液氧化结皮引起皮下气孔的有效方法；而在铁液成分和温度相同的情况下，铁液外层是否容易氧化结皮，取决于它与型壁和型腔气体的接触时间长短，也取决于型壁和型腔气体的激冷作用大小。

快速大流量浇注有利于缩短上述接触时间和减小液流温度降低，恰当的紊流能使表层铁液不断更新并且有利于铁液内部气体的排除，而降低型砂水分和型腔湿度不但减少发气量，减少气源，而且还可以降低型壁和型腔气体的激冷作用，使铁液表层温度不容易降低到结皮温度，因而都有利于防止皮下气孔。

二、有些因素对皮下气孔的影响是双重性的。

如镁的影响。

有利影响是：（1）加镁处理可以清除铁液中的气体；（2）加镁球化处理后铁液表面张力明显提高（从800～900erg/cm2提高到1240～1350erg/cm2），而试验表明，铁液表面张力低容易产生皮下气孔，铁液表面张力高就不会有皮下气孔。

不利影响是：（1）在高温下析出镁蒸气，成为皮下气孔的气源；（2）增大铁液从潮湿的浇包、砂型等吸收氢气的倾向；（3）提高铁液结皮温度，使铁液容易氧化结皮，阻碍气泡溢出，等等。

这些不利影响比有利影响更强烈，因而最终还是促进皮下气孔形成。

有些因素虽然会增大皮下气孔倾向，但并不能单独引起皮下气孔。

例如，硫提高铁液氧化结皮温度，因而被认为是增大皮下气孔倾向的元素，但是在呋喃树脂砂铸造厂生产过程中，皮下气孔却很少。

这可能是因为：（1）MgS要与水分反应，产生烟状MgO气体，才会引起皮下气孔，而呋喃树脂砂型基本上不含水分，由于没有水分参与反应，未能形成气源，也就不会引起皮下气孔；（2）呋喃树脂砂导热性较低,激冷作用较小，铁液表层降温速度缓慢，不容易达到结皮温度，因而皮下气孔倾向较轻。

三、引起皮下气孔的气体来源是多方面的：上世纪80年代初发现，灰铁气缸体由于包内孕育硅铁加入量过多，产生了严重的表面气孔；静压造型线投产后，也曾经由于随流孕育量偏大引起大批灰铁气缸体产生皮下气孔，随流孕育量减少后，问题随即解决。

以上事实否定了普通灰铸铁不会产生皮下气孔的报道，说明镁虽然是引起皮下气孔的重要因素，但并不是产生皮下气孔必不可少的因素，各种铁合金也同样可能由于把气体带进铁液，或者由于产生各种氧化物而引起表面气孔和皮下气孔。

实践还表明，随流孕育增大球铁皮下气孔倾向的作用比灰铁更为明显。

四、浇注过程中发生液流中断容易导致液面氧化结皮，也可能引起皮下气孔，因此一个铸型生产多个铸件时，为确保铁液连续等流量地同时进入各个铸件型腔，要采用全封闭形式的浇注系统。

绝不能为了追求“平稳”而采用开放式浇注系统，否则反而会引起严重的皮下气孔。

而为了确保浇注系统的封闭状态免受破坏，不宜设置阻流闸门，并且尽量不使用过滤网，宁可采用薄而宽的内浇道挡渣。

如果一定要采用过滤网挡渣，为减小其阻力影响，有效滤孔总面积至少为内浇道截面积的4倍以上。

五、有些资料认为厚大件不容易产生皮下气孔的原因是由于冷却速度较慢，使溶解在铁液中的高浓度气体可以在铁液内部扩散消失；但其他观点认为另一可能是由于厚大件浇注流量大，凝固时间也较长，表面氧化结皮时间推迟，铁液内部气体可以在表面结皮之前排除，因而不会产生皮下气孔。

但夹杂物不可能排除，如果其数量较多，由于有较充分时间上浮，容易积聚在铸件顶面形成夹渣缺陷，因此厚大件的夹渣倾向一般大于皮下气孔倾向。

六、皮下气孔与铸型透气性关系不大，原因可能是其气源来自铁液内部或界面反应，而透气性对这些气体并无影响。

采用排放冷铁液、型砂（或涂料）中加Fe2O3粉或其它添加剂、提高煤粉加入量等措施有时能稍为减轻皮下气孔，但作用有限且不稳定，对铁液流动距离较大的铸件作用更是微弱。

冰晶石粉的作用较好，但不良副作用也较多。

在生产条件较差，降低型砂水分和型腔湿度以及提高浇注温度都受到一定限制，或者效果并不明显的情况下，采用快速大流量浇注或者多道内浇道分散进铁工艺是简便易行，并能取得稳定效果的方法；而对于有技改条件的工厂，采用先进的熔炼工艺提高铁液质量，提高浇注温度并控制球化剂、孕育剂的加入量，采用先进的砂处理和造型设备，大幅度降低型砂水分，控制型砂温度、降低型腔湿度，才是防止皮下气孔的根本方法
在铸件内部，表面或近于表面处，有大小不等的光滑孔眼，形状有圆的，长的及不规则的，有单个的，也有聚集成片的。

颜色有白色的或带一层暗色，有时覆有一层氧化皮。

由于气体的来源和形成原因不同，气孔的表现形式也各不相同，有侵入性气孔、析出性气孔和反应性气孔。

侵入性气孔体积较大，形状近似梨形，常出现在铸件上部靠近型芯壁或浇注位置处，主要是由于砂型芯中产生的气体侵入金属中未能逸出造成的，梨形气孔小端位置表明气体由该处进入铸人件。

析出性气孔多而分散，一般位于铸件表面，往往同一炉铸件几乎都会出现，主要是由于金属在熔炼过程中吸收的气体在凝固前未能全部析出，就在铸件中形成许多分散的小气孔。

反应性气孔是由于金属一铸型界面发生化学反应而产生的气孔，因其分布均匀且往往在铸件表皮以下1-3è处（有时在一层氧化皮下面）出现,所以又称为皮下气孔。

又由于这种气孔多呈细长形针孔状，其长轴与铸件表面垂直，又可将其称为针孔。

气孔的预防措施：
（1）采用洁净干燥的炉料，**含气量较多的炉料的使用，降低熔炼时金属的吸气量；浇包要烘干烫包；可以适当提高浇注温度以利于气体扩散。

（2）浇注时控制好压头和速度，保证钢水平稳充填砂型型腔，避免产生紊流，防止卷入气体。

（3）减少发气量，控制型（芯）砂水分及发气原料的含量，减少砂型在浇注过程中的发气量，不使用受潮，生锈或有油污的冷铁和芯撑等。

（4）改善砂型的透气性，选择合适的砂型紧实度，提高砂型和型芯的透气性；合理安排出气眼，使型（芯）内气体能顺利排出。

（5）提高气体进入金属液的阻力.合理设计浇注系统,避免浇注时卷入气体,在型（芯）表面涂刷涂料以减少少金属一铸型的界面作用。

∙在铸件表面上，全部或部分覆盖着一层金属(或金属氧化物)与砂（或涂料）的混（化）合物或一层烧结构的型砂，致使铸件表面粗糙，难于清理。

粘砂多发生在型、芯表面受热作用强烈的部位，分机械粘砂和化学粘砂两种。

机械粘砂是由金属液渗入铸型表面的微孔中形成的，当渗入深度小于砂粒半径时，铸件不形成粘砂，只是表面粗糙，当渗入深度大于砂粒半径时，就形成机械粘砂，化学粘砂是金属氧化物和造型材料相互进行化学作用的产物，与铸件牢固地结合在一起而形成的。

粘砂的预防措施：
（1）选用耐火度高的砂，以提高型砂，芯砂的耐火度，原砂的SiO2含量在96%（质量分数）以上，而且砂粒应对粗些。

铸钢件的浇注温度越高，壁厚越厚，对原砂中SiO2含量的要求越高。

（2）适当降低浇注温度和提高浇注速度，减轻金属液对砂型的热力学和物理化学作用。

（3）砂型紧实度要高（通常大于85）且均匀，减少砂粒间隙；型、芯修补到位，不能有局部疏松。

（4）采用在高温下不开裂、不烧结成熔洞的涂料
简介铸钢件砂眼缺陷及预防措施
∙砂眼缺陷处内部或表面有充塞着型（芯）砂的小孔，砂眼是一种常见的铸造缺陷，往往导致铸件报废。

砂眼是由于金属液从砂型型腔表面冲下来的砂粒（块），或者在造型，合箱操作中落人型腔中的砂粒（块）来不及浮入浇冒系统，留在铸件内部或表面而造成的。

砂眼的预防措施：
（1）严格控制型砂性能，提高砂型芯的表面强度和紧实度，减少毛刺和锐角，减少冲砂。

（2）合箱前把型腔和砂芯表面的浮砂处理干净，平稳合箱，如果是明冒口或贯通出气眼，应避免散砂从中掉人型腔，合箱后要尽快浇注。

（3）设置正确合理的浇冒系统，避免金属液对型壁和砂芯的冲刷力过大。

（4）浇口杯表面要光滑，不能有浮砂
简介铸钢件缩孔缩松缺陷及预防措施
∙在铸件厚断面内部,热节处或轴心等最后凝固的地方,形成不规则的表面粗糙的孔洞,该处晶粒粗大,往往带有树枝晶.孔洞大而集中的为缩孔,孔眼小而分散的称为缩松.主要是由于铸件在冷却凝固时所产生的液态收缩和凝固收缩远远大于固态收缩,且在铸件最后凝固的地方得不到金属液的补充造成的。

缩孔、缩松的预防措施：
（1）尽量降低注温度和浇注速度,浇注后期的补浇要充分到位。

（2）合理设计浇冒系统,壁厚小且均匀的铸件要采用同时凝固,壁厚大且不均匀的铸件采用由薄向厚的顺序凝固,使铸件得到充分补缩。

（3）在铸件厚断面部位,合理放置内,外冷铁。

（4）尽量减少铸件的热节部位。

简介铸钢件夹砂结疤缺陷及预防措施
∙夹砂是指在铸钢件表面上,有一层金属瘤状物或片状物,在金属瘤片和铸件之间夹有一层型砂或涂料,结疤是由于金属液在铸型表面局部冲去了一块砂的地方或在发生搅拌或沸腾现象的地方出现了一块凸出的疤痕,脱落的砂夹在疤块中或铸件的其他部位中。

在浇注时,湿型型腔表面的水分因受到钢液的高温烘烤而向砂型内部发生迁移,形成强度较低的水分凝聚区,易使型腔表面脱层而造成铸钢件结疤,、夹砂等缺陷。

夹砂、结疤的预防措施：
（1）严格控制型砂、芯砂性能。

（2）浇注时间尽量短；浇注系统的设计应使金属液进入型腔时平稳而冲击力不大,内浇口的布置要适当分散以避免铸型局部过热,同时尽快地覆盖住下型面。

（3）大平面的板状铸件可采用倾斜浇注；
（4）铸型上扎气眼以利于水水蒸气及其他气体的排除,使水分凝聚区后移和降低其中的水分,减少气体压力对型腔表面的拱托作用。

简介铸钢件裂纹缺陷及预防措施
∙裂纹分为热裂和冷裂。

热裂主要由S引起，多为不规则形状,裂口处金属表皮氧化;冷裂主要由P引起,裂口较直,开裂处有金属光泽,有时出现轻微氧化色。

部分铸钢件采用水爆清砂工艺，亦可导致裂纹。

裂纹的预防措施：
（1）提高砂型和砂芯的退让性。

（2）严格控制炉料及钢水中的S、P含量。

（3）铸件壁厚尽量均匀,避免壁厚的突然改变,条件允许时,可适当设置加强筋,两截面交接部位采用圆角连接,以减少应力集中。

（4）调节铸件各部位冷却速度,避免铸件局部过热,在厚大断面或热节处放置冷铁,内浇道适当分散,使铸件各部位温度趋向均匀,浇冒口当应阻碍铸件的收缩。

（5）铸件浇注后,开型不能过早,采用水爆清砂工艺的铸件应掌握好温度和时间
铸钢件气孔形成机理分析及预防措施
2008年03月28日 06:00
铸钢件气孔产生的原因及影响因素很多，生产工艺控制不好，就有可能产生气孔。

只有找到气孔产生的原因，才能有效地预防。

笔者经历了多次铸钢件气孔缺陷的处理，由于产生原因分析正确，改进措施有效，避免了进一步造成铸件报废。

侵入性气孔造成顶盖报废
2万千瓦混流式水轮机顶盖铸钢件，毛重4500ｋｇ，浇注总重6000ｋｇ。

材质ＺＧ20ＳｉＭｎ，铸件为薄壁箱体结构，内腔为封闭型，排气条件较差。

铸造工艺特点：铸件上表面(分型面上)设置8个 200ｍｍ×240ｍｍ的保温冒口，冒口排气孔直径为 20ｍｍ。

腔室型芯采用ＣＯ2 水玻璃石灰石砂制作，涂刷水基锆英粉涂料。

型芯下入砂型(粘土砂型)，随砂型一起经400℃×7ｈ烘干。

铸件浇注、落砂、切割冒口后，均未发现缺陷。

但是，当铸件上表面机械加工后，发现均匀布满了 5ｍｍ～ 20ｍｍ大小不等的蜂窝状气孔，气孔内表面呈现氧化色，而冒口切割面没有气孔。

由于气孔分布面积大，无法焊补，只得报废。

铸件切割解剖，发现除上表面断面层有气孔外，其它部分均未发现气孔。

产生气孔机理：顶盖属于封闭型箱体结构件，钢液浇注后，石灰石分解，产生大量ＣＯ2气体。

由于排气孔小，气体来不及排出，使芯砂内部气体压力增高，当大于钢液的静压力和表面阻力，气体就入侵钢液。

ＣＯ2气体不溶于钢液，则漂浮到顶盖上表面，在冒口区，气泡上浮到冒口顶部从出气孔中排除。

在非冒口区处，气泡上浮到上表面后，受上盖箱面的阻挡，无法继续上浮，滞留在铸件的上表面，形成气孔。

解决措施：将腔室用芯砂改成酸硬化呋喃树脂砂，减小发气量，加强型芯排气措施，再生产的顶盖铸件，没有出现气孔。

侵入、析出、反应性气孔造成汽轮机前缸报废
2.5万千瓦高压汽轮机前汽缸下半，材质ＺＧ20ＣｒＭｏ，毛重11250ｋｇ，浇注总重16000ｋｇ。

铸件前部有3个汽室腔，属于封闭型结构，汽室出口为 60ｍｍ的小孔，排气条件差。

铸造工艺特点：汽室腔砂芯上方有二个 500ｍｍ×600ｍｍ保温冒口，腔室芯砂采用ＣＯ2水玻璃铬铁矿砂制作，型砂含水量为3%。

铸型采用粘土砂，400℃×8ｈ烘干后，再将汽室腔砂芯安放在铸型中，经200℃×4ｈ干燥。

铸件浇注时，当钢液将腔室型芯淹没后，立即产生冒泡和钢液飞溅现象。

浇注完毕后，在两个冒口中的钢液喷溅时间长达近30ｍｉｎ，最后在冒口顶部，没有出现下陷的缩孔，而形成了“火山”状。

铸件切割冒口后，在冒口切割面发现蜂窝状气孔，机加工后，沿腔室型芯周围和冒口周围发现大量蜂窝状气孔，气孔大小 5ｍｍ～ 30ｍｍ，有的甚至连成片，远离腔室处，无气孔缺陷。

产生气孔机理：汽室腔型芯未烘干，在浇注钢液时，当汽室腔砂芯还未被钢液淹没时，砂芯中的水分受高热形成的水蒸汽，可以通过裸露的砂芯表面孔隙排除。

但是，当钢液将砂芯淹没后，其中大
量的水蒸气无法迅速排出。

气体体积急剧膨胀，压力增高，当气体压力大于钢液的静压力时，产生3个后果：①水蒸气侵入钢液，造成钢液冒泡飞溅；②水蒸气与钢液发生化学反应，使铁氧化，含氧量增加；③水蒸气分解产生氢原子，溶解于钢液，提高了钢液中的氢含量。

钢液中含氧量、含氢量的急剧增高，使气孔以两种方式形成：①碳氧反应产生ＣＯ反应性气孔；
②氢原子析出形成氢分子，产生氢析出性气孔。

(1)碳
氧反应性气孔在一定温度下，氧元素和碳元素在钢液中含量的乘积等于某一平衡常数ｍ，即：[Ｏ][Ｃ]=ｍ。

ｍ是温度的函数，与钢液温度成正比。

钢液温度高，ｍ值大，反之亦然。

钢液氧含量过高，钢液温度也高，ｍ值大，[Ｏ][Ｃ]≤ｍ，钢液不发生碳氧反应。

当钢液的温度下降到凝固点时，ｍ值也随之减小，这时[Ｏ][Ｃ]>ｍ，化学平衡被破坏，其结果是发生碳氧反应，产生ＣＯ气泡。

其反
应式如下：[Ｏ]+[Ｃ]=[ＣＯ]↑这时钢已经处于结晶凝固状态，ＣＯ气泡在枝晶中析出，上浮受阻，部分被滞留在铸件内部，形成反应性气孔。

(2)氢析出性气孔
氢元素在液态钢中溶解度大，但在固态钢中，其溶解度则很小。

在钢的凝固过程中，氢的溶解度下降，处于过饱和状态，氢原子快速析出，形成氢分子气泡，其体积迅速膨胀，在钢液中造成很大的压力，产生钢液喷发现象。

部分氢气泡滞留在铸件中，形成气孔。

防止措施：加强汽室腔砂芯排气，使砂芯内部的出气孔从芯头底部穿过砂箱底部引出；将汽室腔砂芯下入铸型后，随铸型一起经400℃×8ｈ干燥，基本将汽室腔砂芯中的水分烘干，防止气孔缺陷的发生。

氧化、析出、反应性气孔使一炉低合金钢报废
在5ｔ电弧炉内熔炼一炉10ｔＺＧ20ＣｒＭｏ，浇注一批中小件，型为粘土砂，经400℃×6ｈ烘干。

当这批铸件切割冒口加工后，发现离铸件表面15ｍｍ～20ｍｍ处有朝向内部分布的大量气孔，其代表铸件为汽轮机蒸汽室。

冶炼概况：该炉铸件钢冶炼时，在氧化期结束时化验分析，发现Ｍｏ高出标准规格。

为了降Ｍｏ，使之进入规格，在还原期加入了800ｋｇ废钢和生铁，还原期长达3.5ｈ。

产生气孔机理：①还原期加入大量未经烘烤或除锈的废钢和生铁带入杂质和水分，提高了钢液的含氧量和含氢量；②还原期时间太长，还原渣属于稀薄、疏松渣，氢、氮等气体容易侵入，增加钢液的含气量。

由于不能二次氧化操作，无法除去钢液中新增加的氢、氮等元素。

浇注后，铸件在凝固时，氢、氮等元素在钢中的溶解度降低，则以气泡形式析出，使铸件产生气孔。

不锈钢叶片出现二次氧化
析出性皮下气孔水轮机轴流转浆式不锈钢叶片，材料ＺＧ06Ｃｒ13Ｎｉ4Ｍｏ，毛重5300ｋｇ浇注钢液总重9000ｋｇ。

700ｍｍ×1000ｍｍ保温冒口，设在轴头端面，平做立浇，直浇道长3.5ｍ，
全开放底注式浇注系统。

叶片面砂为ＣＯ2 水玻璃铬铁矿砂，涂刷醇基锆英粉涂料，砂型经300℃×24ｈ烘干，不锈钢叶片浇注清理后表面打磨后发现，轴颈两侧叶面皮下发现多层水平走向分布蜂窝状气孔，气孔直径 0.5ｍｍ～ 5ｍｍ，有的气孔内还含有小铁豆，内浇道附近也有较多气孔聚集，生产数件，每件均存在同类皮下气孔缺陷。

产生气孔机理：铸型直浇道太高，浇注钢液落差大，对直浇道底部的冲击力太大，使开始进入浇道内的钢液产生飞溅，产生二次氧化。

高铬不锈钢中的铬元素极易氧化，与水蒸气反应，形成氧化铬夹杂物，同时分解出大量氢原子，溶解于钢液中。

随着铸件的凝固，氢的溶解度急剧下降，处于过饱和状态，并能在夹杂物、铸型表面以及枝晶表面形核，形成皮下气孔。

防止措施：在直浇道进入横浇道前设计一个集渣包，将刚进入浇道被氧化的钢液引进集渣冒口，而后进的清洁钢液进入型腔。

采用改进措施后，叶片表面皮下气孔基本消除。

综上所述：
(1)砂型、砂芯应尽量干燥，透气性要好，排气要畅通，使在浇注过程中，减少水蒸气的量，以减少其对钢液的二次氧化而造成的增氧吸氢量。

(2)在设计浇冒口时，应考虑如何尽可能地将刚进入浇道和铸型的已被二次氧化的钢液引出铸件型腔。

(3)石灰石砂不宜用作铸件封闭性结构腔室型芯制作，这类结构排气困难。

石灰石砂在高温分解后，产生大量ＣＯ2气体，无法迅速排出，易产生侵入性气孔。

(4)熔炼钢时，一定要保证钢的脱碳量，使之在氧化期通过供氧脱碳沸腾钢液，以达到除渣去气的作用，还原期脱氧还原一定要充分，尽可能地降低钢液的含氧量。

正确分析铸钢件气孔的形成机理，采取相应的措施，才能有效减少铸钢件形成气孔。