球墨鑄鐵件表面缺陷.doc

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1、球墨鑄鐵件表面缺陷清華大學(xué)于震宗引言球墨鑄鐵件的缺陷分為表面缺陷和內(nèi)在缺陷兩大類，后者即有關(guān)金屬材質(zhì)方面的缺陷，不屬于本文范圍內(nèi)。本文內(nèi)容重點(diǎn)是砂型鑄件的表面缺陷，包括用濕型砂、水玻璃砂、樹脂砂等砂型和砂芯生產(chǎn)的鑄件。砂型球墨鑄件的表面缺陷有多種，本文僅選擇①粘砂，②砂孔和渣孔，③夾砂，④氣孔，⑤脹砂、縮孔和縮松等缺陷進(jìn)行討論。有的缺陷如灰班雖然發(fā)生在鑄件表面上，而產(chǎn)生原因完全屬于材質(zhì)方面，則不包括在本文內(nèi)：一.球墨鑄件氣孔缺陷氣孔是最難分析其形成原因和最難找出防治方法的鑄件缺陷。這是因?yàn)闅饪椎男纬稍蚝芏?，從外觀上又不易分清氣孔是屬于那種類型的。雖然采用掃描電鏡和能譜等微觀分析方法有助于估計(jì)

2、氣孔的產(chǎn)生原因，但是這些先進(jìn)的技術(shù)都還處于研究階段，大多數(shù)鑄造工廠尚難在生產(chǎn)中利用。根據(jù)氣孔發(fā)生機(jī)理，可分為裹入、侵入、析出和反應(yīng)四類氣孔。其中裹入氣孔是澆注時(shí)金屬液中裹帶著空氣泡，隨著液流進(jìn)入型腔中而產(chǎn)生的氣孔缺陷。侵入氣孔是鑄件表面凝固成殼以前，砂型、砂芯等造型材料受熱產(chǎn)生的氣體侵入金屬液中，形成氣泡而產(chǎn)生的氣孔球鐵鑄件最常遇到的氣孔缺陷是反應(yīng)氣孔和析出氣孔。以下將分別討論：1.析出氣孔金屬液中溶解的原子態(tài)氫、氮?dú)怏w元素，隨金屬溫度下降而溶解度逐漸減小。下降至結(jié)晶溫度或凝固溫度時(shí)，溶解度突然變小，氫、氮以分子態(tài)氣相析出形成氣泡，使鑄件產(chǎn)生氣孔，稱為析出氣孔。生產(chǎn)鑄鐵的工廠中，最常見的析出氣

3、孔是使用樹脂砂型和砂芯造成氨氮?dú)饪祝灿衼碜誀t料和增碳劑的氮?dú)饪?。。①氨氮酚醛樹脂覆膜砂的硬化劑為烏洛托平（六亞甲基四?CH2)6N4）。鑄鐵件用熱芯盒呋喃樹脂含有尿素（CO(NH2)2）。硬化劑用含有尿素和NH4Cl的水溶液。冷芯盒和自硬砂用酚醛脲烷樹脂的聚異氰酸酯組分中含有-RNCO基團(tuán)。上述樹脂砂都含有多少不等的氨或胺，都是引起析出氣孔的根源。所含氮不同于空氣中的氮，大氣中78％是由氮組成，并不引起析出氣孔缺陷。區(qū)別在于上述樹脂的氮是“氨氮”。澆注時(shí)，樹脂砂中粘結(jié)劑分解出NH3，在高溫下NH3進(jìn)一步分解出原子態(tài)的[N]和[H]。溶解在金屬液中并向內(nèi)擴(kuò)散。隨著金屬液溫度下降，溶解度也下降

4、。凝固時(shí)溶解度突然變小，氫和氮以分子態(tài)析出成小氣泡。兩種氣泡合稱“氮?dú)饪住?。由于[N]在鐵水中擴(kuò)散較緩慢，氣孔在遠(yuǎn)處少。除了一小部分露在鑄件表面以外，大部分形成的氣孔就位于表皮下面，經(jīng)拋丸或初加工后顯露出來，因此又稱為“皮下氣孔”。大多為表面光潔的細(xì)小圓球形孔洞，孔內(nèi)有石墨膜?？讖酱蠹s只有0.5~1mm左右，因而又常稱為“針孔”。分布較彌散，主要靠近樹脂砂型和砂芯處和熱節(jié)處較多。有時(shí)也會(huì)成為枝晶間裂隙狀。大多數(shù)向鑄件內(nèi)延深不超過6mm。用電爐或沖天爐熔化廢鋼生產(chǎn)鑄鐵件和使用增碳劑瀝青焦炭或SiC，都有可能將原材料所含氮帶入而形成裂隙狀氮?dú)饪住＂鄯乐勾胧゛)嚴(yán)格控制鐵水中、粘結(jié)劑中和樹脂砂中氮含

5、量和降低樹脂加入量。根據(jù)工廠經(jīng)驗(yàn)，含氮量控制數(shù)值見下表，表中上下限對應(yīng)于薄壁及厚壁鑄件：控制N含量（％）粘結(jié)劑樹脂砂金屬液一般灰鐵3～100.10～0.200.015高強(qiáng)灰鐵，球墨鑄鐵3～60.06～0.100.010鑄鋼，高合金鑄鐵0.5～1.00.01～0.020.010b)鑄鐵件樹脂砂中加氧化鐵粉（Fe2O3）約0.3～1.0％。有人認(rèn)為其原理是鐵水遇到Fe2O3快速放出氧，立即與從粘結(jié)劑的N分解產(chǎn)物反應(yīng)形成穩(wěn)定的NOx化合物。也有人認(rèn)為氧化鐵與鐵水接觸后發(fā)生分解，并與碳作用生成一氧化碳。通過一氧化碳?xì)馀莸囊莩?，同時(shí)帶走了鐵水中的氮和氫。但會(huì)降低芯砂強(qiáng)度或增加樹脂耗量，非萬不得已，最好不

6、用。應(yīng)從原砂質(zhì)量和樹脂改性上著手。c)在鐵水中加入0.05％的氮穩(wěn)定劑Ti，或Fe-Ti合金（含鈦24～28％）。鈦與氮可形成不溶于鐵水的氮化物TiCN或TiN。但會(huì)惡化切削加工性能，此法慎用。d)砂型和砂芯上涂刷不含氮的高溫?zé)Y(jié)型涂料，在高溫下涂料能夠燒結(jié)成為密實(shí)的防護(hù)殼，阻止粘結(jié)劑分解出的氣體溶解入金屬液。也有時(shí)采用含氧化鐵粉的專用涂料。e)烘烤冷芯盒和自硬砂用酚醛脲烷樹脂砂芯使顏色變成巧克力棕色，粘結(jié)劑的揮發(fā)達(dá)55%。對消除氣孔有明顯作用。組分II樹脂中氮成分可以繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)形成穩(wěn)定的化合物。2.反應(yīng)氣孔鐵水與砂型、砂芯、夾雜物等之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣體，以及鐵水與溶解的化合物發(fā)生化學(xué)反

7、應(yīng)生成氣體，所產(chǎn)生的氣孔稱為反應(yīng)氣孔。一般為直徑1～3mm的小孔，分布在鑄件表皮下，所以又稱為皮下氣孔。球墨鑄鐵件的皮下氣孔特征是在鑄件表面以下1～3mm處，有成串、成簇的直徑1～3mm的小氣孔?？壮是蛐位驕I滴形，孔壁光滑發(fā)亮，覆蓋著一層石墨膜?？锥催吘壋Ｊ菬o石墨組織的金屬層。有的孔洞存在很小的開口，孔壁呈氧化色。小部分孔洞表面粗糙，含有Mg、Al、Mn、Si等夾雜物。皮下氣孔的形成機(jī)理為：①?zèng)_天