皮下氣孔

皮下氣孔是試棒表面存在較嚴重的點蝕缺陷,表面下約5mm的範圍記憶體在的空洞稱為皮下氣孔〔2～5〕,皮下氣孔中捲入了Ca、Si、Cl、S等夾雜元素。由於氣體被阻擋在金屬體的近表面處，形成氣泡，並在氣體的壓力作用下將該處表面層的金屬頂得凸起來，呈小丘狀。

基本介紹

• 中文名：皮下氣孔
• 外文名：Pinhole
• 原因：氣體被阻擋在金屬體的近表面
• 對象：球墨鑄鐵件
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉

定義

球鐵件的皮下氣孔經常出現在鑄件表面的表皮層內，一般位於表面下0. 5 - 2m m處，直徑也多在0. 52mm之間，在鑄件的各個表面上都有可能產生。其內表面不一定是光滑的和近於球形的。已經證實，在氣孔的內表面上附有石墨薄膜和具有各種形狀和尺寸的SiO2-MnO氧化物的化合物，有些皮下氣孔，在鑄件落砂清理後即可發現，但大多數要經熱處理噴丸或經機械加工除去表面的氧化皮後，方能清晰地顯露出來。這些氣孔大都呈針狀、圓狀，與鑄件表面垂直，屬於反應性氣孔。

總的來說，球鐵的皮下氣孔問題主要是一個氧化問題，或者是外來元素，如Mg.AI及Mn的氧化，或者是溶於鐵水中的碳的氧化。用粘土砂型時，這類氣孔中氣體大都為H2S氣體、鎂蒸氣、氫氣和CO氣體。用樹脂砂造型時，還會出現氮氣孔。此外，球鐵具有糊狀凝固的特點。因而，隨爐料進入鐵水中的氣體及澆注系統設計不合理而帶入型腔的氣體，如來不及排出型腔，也會在鑄件表面下的樹枝狀晶體之間聚集起來，結果亦能形成皮下氣孔。

形成機理

張力說

氣孔的敏感程度受表面張力的影響很大。當鐵水的表面張力小於某個臨界值時，就會促進球鐵件皮下氣孔的產生，相反，能抑制氣孔的出現。金屬液的表面張力越小，氣體通過砂型孔隙侵入金屬液所需的壓力就越小，即砂型的氣體或外來氣體就容易侵入鐵水中而形成氣孔。

氧化說

澆注時，由於高溫鐵水對鑄型的作用，型內會產生大量的水蒸汽，因而，在鐵水和鑄型的界面上，會發生反應。當鑄型的透氣性不足時，H2,CO,H2S等便會穿過鐵水表面層而侵入鐵液中。隨著鐵水溫度的下降和粘度的增加，該氣體無法逸出，往往在鑄鐵件的表麵皮下形成氣孔。降低型砂的水分以及減少鐵水的氧化(如降低鐵水的氧化結膜溫度)均能抑制球鐵件皮下氣孔的產生，便是該機理一個強有力的佐證。

氣流說

當鐵水一旦進入型腔，型內便會產生大量的氣體。如果鑄型內部產生由外向內—即向鑄件方向遷移的氣體流，如空氣、氮氣、氫氣等，使得金屬和砂型(芯)界面上的氣體壓力猛增，此時皮下氣孔的形成趨勢便會上升;相反，如果阻止氣體向鑄件方向遷移，使鑄型內部產生由內向外排出的氣體流，那么，就能從根本上防止產生皮下氣孔.如減壓排氣鑄造法和正透氣性梯度法便是該機理成功的套用。

影響因素

冷卻條件

1.澆注溫度涉及澆注溫度對鑄鐵皮下氣孔影響的文章，可以說，已經很多，可各自的實驗結果卻不盡相同，有些看起來似乎是矛盾。例如:

(1)球鐵皮下氣孔的大小及數量隨著澆注溫度的降低而降低。

(2)隨澆注溫度的降低( 1 400℃-1 350℃-1 300℃ )，皮下氣孔的個數隨之增多。

(3)當澆注溫度在1356℃和1 200℃時，皮下氣孔基本消失，或者顯著減少，而當澆注溫度在1 285℃和1 304℃時，皮下氣孔卻相當嚴重。當澆注溫度小於1 300℃時，便出現了皮下氣孔，爾後隨澆注溫度的繼續降低，皮下氣孔的嚴重程度增加;

(4)澆注溫度在1 300-1 400℃之間不出現皮下氣孔。但仔細分析不難看出，當澆注溫度在1 350℃- 1 400℃之間時，球鐵件形成皮下氣孔的可能性最小，這一點也被作者的生產實踐所證實。

2.鑄件厚度據文獻報導，鑄件壁厚從6mm增至25mm時，針孔也隨之增多，壁厚更大時，針孔又減少。而文獻指出，自從型內處理球鐵以來，氣孔一直發生於厚斷面鑄件上(75mm)。因此，一般來說鑄件壁厚小於6mm以及壁厚大於25mm時，鑄件不易出現皮下氣孔。

3.冷鐵一般認為，冷鐵可以控制結晶過程，但不能消除氣孔。文獻的對比試驗表明，型腔里放30^ 40mm厚的外冷鐵，不管採取何種措施，都不同程度地發生嗆火現象，夏季時更為嚴重。由此可見，用冷鐵消除氣孔也許不是一個好方法，特別是當冷鐵嚴重鏽蝕時。但如果將冷鐵和冒口或其它措施(如澆注溫度、型砂添加物等)結合起來，倒有可能達到分散和減少皮下氣孔的目的。

型砂添加物

1.水分球鐵件的皮下氣孔實則是反應性氣孔，鐵水與鑄型(水分)的反應所形成的氣體乃是造成氣孔的主要原因，因此控制型砂的水分就具有非常重要的作用。已證明，鑄型依次按下列順序減少皮下氣孔:濕型一乾型一水玻璃砂型一殼型。陳希月等的試驗也證明了這一點，型砂水分超過6%，隨水分含量的增加，氣孔傾向增大，型砂水分達7. 6%時，在所有不同壁厚的試樣中均出現了嚴重的氣孔。

2.煤粉隨煤粉加入量的增加，皮下氣孔數目急劇減少，當其加入量大於3%以後，皮下氣孔減少的趨勢明顯變慢。同時還發現，因硬瀝青(天然瀝青)防止皮下氣孔的效果比煤粉還要好，這是由於，與煤粉比起來，硬瀝青含有較多的低溫揮發物的緣故。呂秀如也認為，煤粉加入5% -7%，即可減少皮下氣孔，這是因為，煤粉在澆注後一部分氣化，一部分焦結，隔開了鑄型和鐵水，從而阻止了氣體向鐵水內部的浸入。

鑄型中添加1%或稍多一些的煤粉，就能完全消除皮下氣孔，其作用機理在於，煤粉使鑄型中產生非氧化性氣氛，降低了鐵水成分的氧化。由此可見，儘管三位作者對煤粉作用的機理解釋不一，但關於煤粉減少皮下氣孔的結論卻是肯定的.需要強調的是:所加煤粉必須是新鮮煤粉，舊煤粉(儘管是黑的)不能保證不產生氣孔。

3.氧化鐵粉據試驗證實，當型砂中FesOa含量增加時，氣孔有所下降，當FesOa含量達到5%時，氣孔顯著下降.S. F. Carterl經過研究後指出，在濕砂型中加入2%的Fe203，可以使球鐵件的氣孔廢品率由65%降至5%以下，在含N2樹脂砂中，加入2% - 5%Fe203，也可大大減少形成皮下氮氣孔的危險性。Fe203消除氣孔的原因被認為是:Fe203能降低石英砂的燒結溫度，因而在鐵水與熔融型砂之間形成了粘性的玻璃質層，該層的存在阻止了砂型與鐵水之間化學反應的進一步擴展.可見型砂中添加氧化鐵的確有減少皮下氣孔的形成傾向。

4.其他膨潤土加入量在7% - 13%的範圍內變化時，對氣孔發生的數目未見顯著的影響。但減少粘土含量，特別是失效粘土含量，適當增加優質膨潤土含量。以及添加氟化氫錢或用輕油處理過的膨潤土;用水玻璃代替粘土，均可鑄出沒有皮下氣孔的試棒。在加硫的砂型中，也可鑄出無皮下氣孔的試棒，但是鑄鐵的顯微組織卻受到了影響。

鑄型敷料

實踐證明，砂型和砂芯塗料是減少外源氣孔的有效措施，因為它能防止砂型產生的氣體浸入正在凝固的金屬液中。據報導，下列敷料對防止鑄件的皮下氣孔有一定的作用:

1.油溶性塗料塗料溶劑為煤油和汽油兩種，填料為200目的石英粉、石墨粉或磁性氧化鐵粉三種。

2.無水性氧化性介質用小噴霧器把煤油噴灑到鑄型表面，再均勻地抖撒一層礦石粉。

3.冰晶石粉將NasA1Fa(或Na3SiF6)粉裝在紗布袋內，然後抖撒到型腔和芯子表面，澆注時在通氣孔和箱縫處引火。

4.氟化鈉粉將其盛於紗布袋內，抖在上砂型表面，使NaF熔體在鐵液表面占優勢。

5.柴油造型時，在鑄型表面噴些柴油。

6.其它石墨加水或者水和粘結炭黑塗於鑄型表面，並在200 0C烘一夜;酒精與粘性炭黑塗於鑄型表面，然後點燃烘乾。

熔煉情況

據介紹，包外加冰晶石粉(冰晶石粉隨矽鐵粉進入鐵水流中)的方法，可以有效地消除皮下氣孔，這是因為加入冰晶石粉可以溶解鐵水表面的氧化膜並保護鐵水表面不再氧化。此外，鐵水表面覆蓋煤粉後，除了相對提高澆注溫度外，煤粉還能燃燒生成CO還原性氣體，浮於鐵水表面，阻止了鐵水表面的氧化，從而減少皮下氣孔的產生。向爐內加入2%-3%的CaCOs或1%-2%的Na2COs，使其在爐內沸騰並充分攪拌，反應結束後再出爐澆注，也可以獲得較滿意的效果。

在沖天爐熔煉的情況下，採取下列措施可以防止球鐵皮下氣孔的產生:

①有合適的風壓風量。

②改善爐況，防止鐵水氧化。

③嚴格控制鼓風濕度，一般將絕對濕度控制在8g/ Nm以下，如熱風，富氧送風，吹氧。

④保證焦炭質量(塊度大，固定碳高，含硫量低，灰分小)。

⑤儘量提高澆注溫度，保持合適的底焦高度及焦鐵用量。

⑥將供風強度控制在合適的水平。

經生產驗證，凡能降低鐵水吸氣及鐵水含氣量的措施，都將有助於皮下氣孔的減少。如:

①爐料(燃料、金屬爐料、熔劑、耐火磚、木材)等，應做到乾燥、無鏽蝕、無油污，多次重熔的爐料，其配比量要適當限制；

②球化劑、孕育劑必須事先徹底烘乾，除去水分，同時要注意其粒度和加入量；

③儘量少用或不用含氣量大的爐料；

④爐料配比時，新料的加入量一般控制在40%-60%以下。

鑄造工藝

一般來說，薄壁、上型和鐵水死角處容易出現皮下氣孔，因此，將易出皮下氣孔的部位放至下型或開設內澆口是有利的。若根據皮下氣孔的形成是發生在攜帶二次氧化渣的鐵水一鑄型界面的氣體析出過程這一機理，澆注系統應保證鐵水平穩而較快的充型，並設有較強的擋渣工藝;在不導致其它弊病的情況下，適當延長鐵水在橫澆道和內澆道的距離;若條件允許，多開幾個內澆口，並將內澆口或冒口頸儘可能選擇在型腔比較寬敞、鐵水流暢阻力小的位置。而吸氫是在金屬流過鑄型表面時發生的，故而在工藝設計時也應考慮採用短的橫澆道和內澆口。同時，適當增加直澆口的高度和冒口高度，以增加金屬液的靜壓力;並在澆注後立即添加保溫劑(矽石70% ,鋸末10%，炭粉20%),以免冒口過早生成硬皮。既要實行快速澆注，又要保證鐵水充滿澆口杯，以免隨流帶入空氣。所有這些，對減少皮下氣孔來說都是有利的。此外，凡能改善透氣性的措施，也能對降低皮下氣孔的數目起到積極的作用。

在注意其它因素的同時，必須考慮到鑄件在鑄型中的位置、金屬液的引入位置和澆注系統等參數，如果設計的鑄件在鑄型中的位置有形成氣孔的危險區，那么澆入的金屬液的全部或者大部分必須以最短的澆注路程到達危險區。為了防止皮下氣孔，有人認為，合理的排氣通道應選擇在金屬和鑄型界面之間。應修改澆注系統，減少金屬液在澆注系統中的動能。許多研究者報導，非紊流澆注系統或開放式澆注系統以及上冒口頂注法在減少皮下氣孔方面將是很有益的。面砂由低水分的細砂組成，而背砂由粗砂組成;以及在生產厚壁鑄件時，套用水玻璃錯砂作面砂，也能大大減少皮下氣孔缺陷。

總結

一方面，皮下氣孔的形成是一個多變數函式，在某些情況下，一種因素起主導作用，改變該因素就能明顯地促進或抑制皮下氣孔的產生，但在另一種情況下，該種因素也許就變得不那么重要了；另一方面，有些因素也具有兩重性，如型砂中加煤粉，它既能生成大量的CO和H2，匯集於鐵水與鑄型界面上，增加氣體侵入鐵水的可能性，又能使界面上形成還原性氣氛，減少金屬的氧化，但後者抑制氣孔的作用明顯大於前者的促進作用。因此要解決球鐵的皮下氣孔，就要針對具體情況，逐一分析各種可能的影響因素，從而方能找出比較明顯的解決途徑。