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呋喃树脂砂铸造铸件产生气孔及防止

 
1.章舟 2.朱以松  3.徐永明  4.王树成
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气孔(气眼、气泡、呛)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、也有聚集片的,颜色为白色或带一层暗色,有时覆有一层氧化皮。
目前,比较常用呋喃树脂铸造灰铸铁、球铁、合金铸铁、碳钢及低合金钢,从铸件的气孔来看,侵入气孔、卷裹入气孔、析出性气孔、反应性气孔(内生式和外生式)等。
一、             侵入气孔及防止
气孔的来源:粘结剂呋喃树脂、固化剂分解、浇注系统型腔内气体(空气、水汽等)、涂料、铸型中发气物、有机物受高温而气化等。
1、  呋喃树脂、固化剂、发气量及防止产生其侵入性气孔。
    树脂因其含氮量和水分及有机物量多少及固化剂种类、用量不同,其发气量的多少也不同,往往在1050℃左右发气迸出,短时间内N2, H2, O2, CmHn…等,此时,砂型、砂芯中气体压力增大而侵入金属液,形成侵入性气体,针对这一情况,一方面要设法阻止气体侵入金属液,另一方面设法让已侵入的气体排出、逸出。
防止措施:
(1)、减少树脂和固化剂加入量,选用发气量小的树脂,控制其它强化剂(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,*合箱前用喷灯(枪)烘烤去潮气。
(3)、旧砂再生去除型砂中的尘埃、微粉,以免阻碍通气,注意铸型及泥芯的出气孔和出气通道设置,保证使浇注时产生的气体顺利排气,砂箱四壁要有出气孔。
(4)、浇注系统和浇注工艺有利于排气或抑制外来气体侵入。
A、加快铸型内金属液面上升速度,使型腔中的气体压力增大,有助于抑制界面外气体的侵入;同时也会因型腔内的气体来不及逸出,导致铸件顶部产生浇不足的缺陷。
树脂砂型的浇注系统计算,经验公式:
F内=KG       F内---内浇道总截面积,C㎡ ;
              G------金属液总重量, kg  ;
K-----系数,为0.75---0.8。
浇注时间,经验计算:
T=SG           T---浇注时间,秒;
G---金属液总重量, kg  ;
S---系数,为1---1.2。
一般,比较树脂砂浇注系统内浇道总面积要比粘土砂造型的大20%---30%, 和相应的浇注时间,才能抑制或排除树脂发气量较大铸型产生气体,不致使铸件出现侵入性气体。
B、便于排气。浇注系统加大和浇注时间的控制,除考虑金属液的特性(均衡凝固,顺序凝固)、浇注系统对型腔内的金属液流动,必须便于气体逸出,在*高处设置集渣包或气冒口或冒口。
比如,长条状机床床身,圆桶体等采用雨淋式浇道不利于排气,则应采用反雨淋式自下向上便于金属液型腔上面气体向上顶面逸出或排除,平板类应平做斜浇。
C、使已经侵入型腔内金属液的气体尽快形成气泡,从金属液中排出。
金属液中气泡上升的速度
V=2/9× gr2(ρm-ρb)/η   V---金属液中气泡上升速度;
                         r---气泡尺寸;
                        ρm,ρb ---金属液和气体的密度;
                        η---金属液的黏度
从式中可以看出,黏度越大,气泡上升速度越慢;气泡直径越大,气泡上升速度越快,金属液的表面张力越小,气泡上升速度越快,这些均与金属液的温度有关,提高浇注温度,利于已侵入金属液内部气体析出。
D、设置型腔内铸件前端、顶端的溢流冒口或集渣包,使其能容纳混有气泡、夹杂物、渣滓的冷金属液,将其汇集纳入溢流冒口,其主要作用排除它的气泡、夹杂物、冷金属液于铸件之外,而不是为了起补缩作用或集渣气包。
 
二、卷裹入气孔及防止
浇注时,浇注系统中的金属液流卷携带气泡,气泡随流股进入型腔,或液流冲刷型腔内金属液流动产生湍流、条流、涡流,将气泡卷带入金属流股中,当气泡不能从型腔金属液中排除,就会使铸件产生气孔,称卷入裹携气孔。
防止办法:
(1)、流股从上而下过高,金属液流将卷入空气,起泡并四处飞溅,就会引发卷入性气孔或铁豆与气孔并存,改为底注或阶梯浇注,使液流进入型腔平稳有序;
(2)、浇口杯形状不当,浇注时也会卷入气孔,以扁椭圆形浇口杯,不致金属液产生环流而卷进气孔,使流股平稳流动进入直浇道;
(3)、内浇道的截面大小、分布、数量,不应使流股在型腔内急转弯,以免阻力放大而流速降低,前面碰到型壁换头返流,后面流股又至,引发紊流、涡流而卷入气泡,同时,流股在型腔内容易产生“死角”或“涡流”的部位应设内浇道或过道,使金属液面在型腔中平稳上升或流动;
(4)、浇注方式:流股慢---快---慢,细---粗---细,切忌流股中断或时细时粗或时快时慢波浪式浇注,而卷入气体。
 
三、析出性气体
以原子态溶解于金属液中的氢、氮、氧等气体元素,金属液在冷却凝固时气体的溶解度下降而析出气体形成气孔。
气孔特性:
(1)、比较小圆球形,在铸件断面上呈大面积分布或均布;
(2)、同一炉浇注的铸件大部分都有气孔;
(3)、冒口下面有气孔,尤其冒口颈偏小,凝固早更易出现气泡;
(4)、铸型浇满后,金属液上涨,鼓沧;
(5)、易成皮下蜂窝气孔,或皮下针孔。
形成过程:
金属液中溶解气体析出,浇入铸型后,氢、氮、氧等气体的溶解度随着温度下降而减少,当其由液态转变成固态时,在铸件内很易产生析出性气孔。
防止和消除析出性气孔的措施:
控制金属液中的含气量,熔炼金属时,要尽量减少气体元素溶入金属液中,主要取决于所用的原材料,合理熔炼操作和合适的熔炼设备。
(1)、要求炉料干燥、干净。金属液中溶解的氢气主要来自水汽,携入炉中的水分变成水汽,在1000℃或高温下活泼金属的作用离解出氢原子而使金属液含氢量增加;
(2)、各种油脂都是碳氢化合物,铁锈是不同水化程度的氧化铁的混合物,在高温金属液作用下释放出氢,铁锈分解出水汽;
(3)、铸铁铸钢及其他合金的熔炼设备,其熔炼操作在大气条件下进行,炉气的含气量深受大气环境的影响,比如下雨天、雨雪天、霉雨天,湿度大、潮气足,金属液溶入的气体量就增大,要尽量减少熔炼时吸气。
 
四、反应性气孔
(一)、内生式反应性气孔。
金属液凝固时,金属本身化学成分元素和溶解于金属液的化合物,或化合物之间发生化学反应产生气体,形成气泡而出现气孔,这是由于金属液本身的原因产生,所以是内生式反应气孔。
金属液中含氧比较丰富(钢液脱氧不良,铁液氧化过甚)。CO反应性内生式气孔。
[C]+[O]→CO
CO气体不溶于金属液,易在固液界面上的枝晶间的凹坑或沟槽处形成CO初始气泡,周围金属液中溶解的氢气、氮气会扩散渗透入CO气泡中,不断扩大,难以上浮排出,随着凝固液界面向铸件中心推进,同时CO气泡不断地产生新的成簇的CO气泡,而导致这种气泡形成的弥散性气体。
金属液中FeO  (Fe3O4、Fe2O3) 过量时,则 [FeO]+[C] →[Fe]+CO
钢液中脱氧不净,铁液中冲天炉铁水氧化过甚,或原料铁锈未除净或低Si、C的白口铁抗磨铸铁,也易出现这类内生式反应气孔。
防止措施:
(1)、防止铸钢产生内生式反应气体是在熔炼时,钢液要脱氧完全,不论是三相电弧炉或中频炉熔炼,可以加入硅铁、锰铁及硅钙等脱氧剂,降低钢液中的溶解氧量,*后用铝终脱氧,以将钢液中的溶解氧降低到*,此时钢液*容易吸氢或水汽,因此在钢液出炉一直到浇注入铸型都要防止钢液吸氢或水分,相应采取浇注工艺加以防止;
(2)、冲天炉熔炼必须要控制炉料质量,防止使用劣质生铁(含有大量气体),对于回炉料、废钢、废铁,尤其是末屑中的铁锈,溶解气体、潮湿、水雪冰等混入炉内,就会增加铁液的吸气量,总之炉料必须保质、干净;熔炼工艺必须匹配合理,切忌风量与生产率不相配,风量、风压、进风角度不当都会使熔化铁水氧化吸气量增加,必须严格遵守熔炼工艺操作,获得优质铁水。
 
(二)、外生式反应性气孔。
金属液与砂型、涂料、砂芯、冷铁、渣滓、氧化膜和呋喃树脂粘结剂的碳、氢、氮、氧、硫、磷等等因素发生反应,生成气体,形成气泡而产生外生式反应性气孔。可分为:
1.         皮下气孔、产生及防止
(1)、钢液进入型腔后,型腔内含水分过高,水汽是氧化性气体。使
Fe+H2O→Fe O +2H2↑
除部分聚合氢分子透出铸件之外,大部分氢原子留在铸件表皮下,形成皮下气孔。
(2)、灰铸铁和球墨铸铁。金属液浇入型腔后,界面上的水被铁液中的铁、铝、(球铁中的)镁作用产生氢。
2Al+3H2O→Al2O3+6H↑
Mg+H2O→MgO+2H↑
产生的氢使铁液界面氢气富集,凝固时,以氢气泡形成的呈球形或泪滴形,也可视为外生性反应式气孔,为氢析出性气孔类型的皮下气孔。这类皮下气孔是流行性的与当时当地的潮气、霉天、雨雪冰冻有着密切的关系。
对球墨铸铁铸型、铸芯中,硫的含量也是产生皮下气孔的有害元素,S%>0.094%就易产生皮下气孔
MgS+H2O→MgO+H2S
H2S气体不仅产生皮下气孔,同时不利于石墨球化,易出现片状石墨。
铸铁中加入Re合金、锑(Te)、铋(Bi)除脱硫、脱氧、聚渣外,还有利于防止皮下气孔。
球墨铸铁铸型表面抖敷冰晶石(氟铝酸钠Na3AlF6)粉,熔点994℃或氟化钠(NaF,熔点995℃,有毒)粉,可明显减少球铁皮下气孔。
Na3AlF→→3NaF+ AlF3↑ 
AlF3气体能保护铁液层不同界面水汽发生反应,铁液不能吸氢气,从而有效地防止球铁皮下气孔。 
(3)、氢氮混合皮下气孔
当呋喃树脂其N2%>6%时,铸件就极易产生氢氮皮下气孔,主要是尿素[CO(NH2)2]和催化剂六亚甲基四胺[(CH2)6N4], 当金属液浇入铸型后,呋喃树脂粘结剂分解出(NH3),极不稳定又分解出N、H,金属液表层下富集N、H,形成H、N气泡而产生皮下气泡。
防止措施:配制呋喃树脂砂时,钢液原始含N2量较高,应选用低N2树脂;灰铸铁球墨铸铁可选用含N2  3%---6%的中氮树脂,厚壁大件,砂芯复杂、旧砂再生时,含氮量应取低限,对于钢、铁黑色金属铸件,应选用低氮、中氮的呋喃树脂作粘结剂,是防止铸件产生氢氮混合皮下气孔的*关键措施,而不溶氮的铝、铜有色合金铸件则可采用高氮树脂,其N2含量可达13.00---14.00%的呋喃树脂,因其价廉,自硬强度也较低,宜于有色合金的砂芯(型)。
用电弧炉炼钢,当N2含量60---100ppm,H2含量1---2 ppm呋喃树脂作粘结剂时,极易产生N2、H2皮下气孔,可采用钛对钢液进行终脱氧,
Ti+FeO→TiO+Fe
同时形成TiN,起固定N2的作用,不易产生氢氮皮下气孔,终脱氧加入Ti 量为0.5kg/t(钢液中N2量52 ppm),1.0 kg/t(钢液中N2量200 ppm),抑制氮氢皮下气孔获得明显效果。
(4)、渣滓皮下气孔生成及防止
生成:金属液中的渣滓进入型腔之中,浮淌在铸件表面,与金属液或其他(涂料、附加物)中的化学元素发生反应,产生气体,形成气泡,结果在铸件表皮下或敞开处包容着渣滓的成簇的气孔为渣滓皮下气孔火渣气孔。
金属液置入浇包中无覆盖剂表面上发生二次氧化,形成低熔点,流动性好的液态渣,是SiO2—MnO—FeO三元共晶成分熔体、熔点1170℃,其中FeO和硫产生反应:
(FeO)+[C] →Fe+CO↑  
产生CO气体与液态渣混为一起,凝固后铸件就出现渣气孔。
Mn+FeS →←MnS+Fe  
当反应生成MnS 的量较多时,MnS—SiO2—MnO共晶渣(熔点1060℃)流动性更好。
防止措施:
1)、浇包修搪必须干净,不能用附着厚渣的浇包,防止添渣,浇包置入金属液后,表面务必加覆盖剂(稻草灰、珍珠岩等)而防止产生二次氧化(FeO 的出现);
2)、铁液中的Mn、S含量与浇注温度(浇注工艺)要匹配,使其中Mn不与S反应产生MnS而成低熔点三元渣。
(5)、呋喃树脂热分解产生热皮下气孔及防止
产生:金属液浇入型腔后,型壁受热,致使呋喃树脂分解产生原子态的氮、氢,量多分压力高,N、H气体混入铸件表面,凝固后即产生热皮下气孔(H、N混合皮下气孔)。
防止措施:呋喃树脂粘结剂铸型,对浇注温度很敏感,〈1350℃不会出现热皮下气孔,型腔各部分受热程度不同也会在热区产生热皮下气孔,所以浇注系统应将金属液分散引入型腔,使其热场均匀,缩短充型金属液流动距离,不使型腔局部受热过剧而使呋喃树脂分解。
呋喃树脂粘结剂,有它优点也有它易分解产生气体使铸件出现气孔的缺点,只要正确掌握它的特性,加以适当措施可以避免和防止,至于其他易使铸件产生气孔原因和防止办法,呋喃树脂粘结剂的铸型也可使用(比如使用冷铁不当产生的气孔等等。

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