球墨铸铁件表面缺陷

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：

1.

①

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

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：

b) Fe2O3

c)

d)

e)

2.

1～

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。

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

④

a)

C b)

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

a)

b)

c)

d)

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。以下分别讨论各种因素对机械粘砂的影响。

（1

（2

（3

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