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在中国铸造业飞速发展的今天，铸造缺陷对于铸造企业来说，是无法回避而又必须解决的重要课题。为了降低铸件成本和废物排放，提高铸件的可靠性，消除铸件缺陷是极其重要的一环。采用扫描电镜和能谱分析仪器能够深入分析缺陷的微观特征和成分组成，为确定缺陷种类和成因提供了重要的依据。裂隙状气孔是铸铁件上一种析出性气孔缺陷，其宏观特征与铸铁件的内部缩松缺陷非常相似，因此很容易混淆而难以解决。 1 缺陷的特征与产生条件 生产中出现此缺陷的灰铸铁件，采用静压造型线湿型砂造型，呋喃树脂自硬砂手工制芯;10t/h冷风冲天炉-30吨有芯工频感应电炉双联熔炼生产。铸件重133Kg，主要壁厚20-50mm之间，铸铁牌号HT250。2011年2月某夜班生产出来的该铸件，抛丸清理后检查发现上型高点的厚大部位，部分铸件有轻微外露孔洞缺陷，在未加工表面发现6-8个细小的孔洞，如图1所示。当对其进行常规加热焊补作业，在扩孔清创时，发现内部缺陷很大，超出铸铁件允许挽救范围而报废。与此同时，已经检测合格进行加工的铸件，在钻孔时，发现孔内存在严重缺陷，由于缺陷部位壁厚在50毫米以上，又处于最高点，最初曾怀疑是缩孔缩松缺陷。 该铸件当班生产610件，报废81件，废品率13.28%，其中内废65件，加工后废16件，所有报废件的流水号集中在 440号～580号之间，比例高达57.8%，而此前此后没有发现类似缺陷。缺陷不仅出现在厚部，上部、最高处，而且也出现在薄部、下部和低处，不仅与树脂砂接触的前端面有，而且不与树脂砂接触，只与湿型砂接触的表面也有，加工过程中发现的缺陷特征，缺陷形貌表现为撕裂状，内壁粗糙。 用机械方法剖开铸件后，断面缺陷分散而数量较多，与外观特征基本一致，但破坏了大部分缺陷的原貌。进一步选定方向锤击断开后，在缺陷的原生断面上发现有大量排列整齐的枝晶乳突存在。
2 铸件缺陷断面检测与成因分析 2.1 铸件缺陷部位断面组织与成分分析 为了对铸件的缺陷类型进行确认，先对铸件缺陷断面组织进行检测，除了石墨形态有部分B、E型石墨外，没有发现与收缩缺陷有关的其它组织异常情况。 为了确定缺陷是否是缩松缺陷，先对铸铁缩松有影响的化学成分进行检测分析，缺陷铸件化学成分分析结果。化学成分中只有一个硅量偏低，但铁液的碳当量、铬和磷含量都处于工艺控制范围之内，以前生产过程中也多次出现此成分，有时甚至更低，但均未出现此缺陷;此外当天前后成分均如此，为何仅中间一段出现这种缺陷呢?这说明缺陷与基础成分关系不大，也进一步确定了铸件不是缩松缺陷，而是裂隙状气孔缺陷。因此又取样对缺陷部位的氮含量进行了检测，其值为91ppm。 2.2 缺陷微观分析 为了深入分析铸件缺陷的形成原因，又对铸件的缺陷部位进行了电镜扫描和能谱分析，分析了断面的微观特征。整个断面树枝晶排列整齐，有序分布，在枝晶之间覆盖着一层碳膜，没有任何夹杂存在。对缺陷枝晶之间部位成分进行的能谱分析，其中碳膜占69.63%，以及极少量的氧化物。由于含氧量极低，氧化物可能在破开铸件缺陷后，保存和检测过程中与空气接触所致，而非凝固中形成。缺陷断面的微观特征与气孔的特征相似，因此缺陷确定 就表面特征而言，该种气孔缺陷特征与铸铁件内部缩松非常相似，但不同之处在于缩松缺陷多集中在厚壁等热节部位，数量少而集中，而裂隙状气孔却是大面积出现，相对于缩松缺陷比较放散，不仅分布在厚壁部位，也出现在薄壁部位，数量较多，而且比较分散。因此根据该铸件的缺陷断面特征和弥散分布位置，依据对缺陷进行的成分和微观组织分析，确定缺陷为裂隙状气孔。 2.3 缺陷成因分析 综合国内外文献资料，铸铁件裂隙状气孔大致分为三种：氮气引起的气孔，氢气引起的气孔，氮氢混合引起的气孔。陈国桢等人在文献资料称：这种裂隙状气孔为氮氢混合皮下气孔。形成原因主要是铁液浇注后，呋喃树脂分解出氨，氨又能分解出氮和氢。因此使得铁液-砂芯界面的金属液层溶解的氮和氢急剧增加，金属液层凝固时液相中的氮、氢更为富集而达到过饱和状态。此时砂芯砂粒间突入金属液的气泡核为气核，金属液中氮、氢扩散进去，长大成气泡，成为开口的、有喷出口的气孔;或凝固时，沿树枝晶体的凹坑，沟槽形成氮或氢气泡，继而长大成为气泡，成为封闭的皮下气孔。由于气孔由氮、氢混合而形成，因此产生的气孔为氮氢混合气孔。 金仲信在资料中也归纳了国外文献资料对气孔的分类，把这类由氮气或氢气引起的气孔归类为溶解性皮下气孔。在亚共晶铸铁中溶解在树枝状晶间隙的气体而产生裂隙、裂缝状气孔。缺陷内部无氧化，一般也无夹杂物。灰铸铁件薄壁部位含氮量若超过130ppm，厚壁部位含氮量若超过80ppm，则可能产生裂隙状气孔。铁液表面张力下降时会助长缺陷的形成，铁液中氮气、氢气的浓度增高增加了气泡的压力，而最容易形成裂隙状气孔。一汽无锡柴油机厂生产中也检测出裂隙状气孔铸铁件氮含量在80ppm～125ppm。 灰铸铁中的氮气主要来源于树脂砂型或砂芯，废钢、增碳剂等材料。随着HT250、HT300等高牌号铸铁件的生产，废钢的大量使用成为必然的趋势，由于废钢中的硫含量低，且钢中的奥氏体相可溶解不少氮，所以在熔化过程中氮含量会不断增加。加上不断增加使用的增碳剂，以及使用的含氮树脂，都不断累加了铁液中氮气的含量，从而引起裂隙状气孔。一般铸铁铸件中，氮的含量在40～70 ppm, 日本工学会研究指出：控制铁液中的氮含量，不使用沥青焦炭增碳剂，严格控制含氮高的炉料，减少或不使用氮高的造型制芯材料，就能控制裂隙状气孔的发生。 此缺陷铸件在生产时使用中氮呋喃树脂制芯，含氮量在2%以下。同时采用醇基涂料。该铸件中检测氮含量在0.091%，可以确定缺陷是氮气引起的裂隙状气孔，但为什么同一班生产废品只在某个时段出现，而其他生产时间没有发现同一类型缺陷呢?该类型气孔缺陷的产生一方面与铁液温度存在直接关系。氮在铁液中扩散速度比较低，随着温度下降，过饱和原子氮以氢气泡或已有气泡为核心析出长大，由于其形成温度低，扩散速度降低，气体分布在奥氏体枝晶之间，呈裂隙状分布。另一方面与铁液中高废钢加入量，砂芯中加入过量树脂或砂芯未烘干，炉前使用增碳剂也有最直接关系，增加的氮气或氢气使原来并不能析出的气泡浓度增加，气泡压力增大，从而形成气孔。 在实验室针对增碳剂进行了大量缺陷复制试验。试验采用了潮模砂造型，金属炉料配比与生产现场一致。但试验时炉内加入了0.48%增碳剂，包内加入0.5%增碳剂，出铁后搅拌均匀。结果显示浇注温度在1340℃～1450℃之内，并没有出现过裂隙状气孔，但在温度低时会出现渣气孔及未溶解的增碳剂，这种高温石墨化的合资企业产增碳剂不是形成气孔的因素。当班生产过程中也没有使用记录。 在大批量制芯过程中，混入的呋喃树脂量基本是在工艺范围之内，但不能排除的这600个砂芯可能不在一个班完成，另一班使用的呋喃树脂量增加的可能，而在下芯过程中使用了这批砂芯。砂芯采用醇基涂料，不存在未烘干现象。 当班生产使用40%废钢加入量，调整炉料与否，没有明确记录，中间段增加废钢用量或混入奥氏体合金钢，都可能使处于欠饱和的气泡浓度增加，从而形成裂隙状气孔。同期在另外一个车间使用同样呋喃树脂砂的壳体件，由于主要壁厚在10～20mm之间，并没有出现过裂隙状气孔。 2.4 预防措施与验证 a 采用中氮呋喃树脂时，保证树脂砂中树脂加入量尽可能低，且保持加入量的一致性，必要时采用低氮呋喃树脂。 b 在高强度铸铁中减少废钢的加入量势必会影响强度，在保证30～40%废钢加入量时 ，尽可能减少具有奥氏体相的废钢使用，适当提高生铁的加入比例。因为生铁中带入的微量钛能够中和一部分铁液中自由氮，形成化合物而不以游离气体析出。 c 适当提高铁液的出炉温度。在严寒的冬季凌晨生产时，铁液温度降低速度是非常明显的，氮在铁液中扩散速度比较低，随着温度下降，容易形成更多的气孔。几次裂隙状气孔都出现在11月～2月之间，也说明了这个问题。 d 由于锆和氮容易形成化合物，因此采用锆孕育剂，能够减少氮气孔的产生概率。 验证效果：在采用上述措施后，尤其是采用低氮树脂后，消除了该件的裂隙状气孔。但在另个车间的壳体上仍然沿用中氮树脂。两年后冲天炉拆除，采用大容量电炉熔炼，随着增碳剂的大量使用，在薄壁壳体上出现了裂隙状气孔，最后不得不取消了中氮树脂的使用。 3 结论 根据缺陷断面特征和弥散分布位置，确定缺陷为裂隙状气孔。主要原因是铁液中氮气、氢气析出较多造成的。在使用呋喃树脂时，尽可能采用低氮树脂，即使采用中氮树脂，也要尽可能减少中氮呋喃树脂的加入量，保持树脂加入量的一致性。同时适当提高冬季铸件的浇注温度，提高生铁加入量，减少奥氏体相废钢，不采用劣质增碳剂，或者采用含锆孕育剂，能够减少这种裂隙状气孔的出现的概率。 |
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