气孔的分析与防止

第二节　气孔的分析与防止

气孔是气体以气泡形式在铸件表面或内部形成的孔洞气孔是铸件中最常见的缺陷之一。气孔类缺陷总的特征是气孔的形状、大小不一，内壁光滑，明亮或微带氧化色。按照气孔中气体形成的原因，气孔可分为三种：因铸型（芯）中的气体侵入形成的侵入性气孔；因金属液中含有气体形成的析出性气孔；因金属液与铸型相互间的化学作用形成的反应性气孔。

一、侵入性气孔

在浇注和铸件凝固过程中，铸型或砂芯受热而产生的气体及型腔中的空气，侵入金属内部所造成的气孔，称为侵入性气孔。

侵入性气孔的特征是：尺寸较大，孔壁光滑，表面氧化，多数呈梨形或椭圆形，位于铸件表面或内部，如图6-1所示。

图6-1　侵入性气孔

气缸体ZL104湿型。因砂芯木烘干造成侵入气孔

1.侵入性气体的来源

在高温金属液的热作用下，型壁内造型材料生成的气体，为侵入气体的主要来源。造型材料中产生气体的主要来源是水、粘结剂、粘土和各种附加物，这些材料在热作用下发生汽化，分解和燃烧等物理化学反应产生大量的气体。此外，浇注时由浇口和型腔混入的空气，金属液与冷铁、芯撑相互作用产生的气体也是侵入气体的来源。

2.防止措施

主要是提高铸型的排气能力和降低型（芯）砂的发气量。

（1）降低型（芯）砂的发气量。首先，应严格控制型砂中的水分含量，特别是湿型，在保证铸件表面质量的前提下，适当减少煤粉和重油的使用量。其次，应尽量减少芯砂粘结剂的含量。

生产实例：某厂生产汽车缸体铸件，为了便于出砂，采用油砂芯，当桐油含量为4%时，缸体因侵入气孔而大量报废，减少桐油含量为2.5%时，气孔便大为减少，使成品率上升到80%。

某柴油机厂使用合脂砂，为了不附加糊精而提高合脂加入量，发现砂芯不易紧实，且出现呛火，后把合脂由3.2%降到2.7%，问题得到解决。

使用含氮量高的树脂粘结剂芯砂也易产生气孔，如呋喃Ⅰ型树脂含有尿素，它能分解出氮、氢、氨，故常加入1%～5%的氧化铁粉，以延续氨气的离解，防止产生气孔。使用树脂砂，应尽量选用含氮量低的树脂，如呋喃Ⅱ型树脂（不含尿素），能明显减少气孔缺陷。

（2）增加铸型的排气能力。首先，要注意型（芯）砂的透气性。其次，要注意使砂芯内的气体能顺利地排出型外。所以在砂型上要扎出气孔，特别是型腔中容易存住气体的地方，安放出气冒口；在砂芯中心扎排气道及放炉渣、焦炭块等，以增强砂芯的排气能力，见图6-2。

图6-2　砂芯中气体运动方向

（a）合理（b）不合理

图6-3为495柴油机缸盖截面示意图，其右侧的进气管弯头砂芯、通气道应如图那样成连贯的通道，为此，应在芯盒中拐弯处设一个搭接两气针的支承点。某厂先前没设这支架点，扎气孔时从两头扎进去，有时两孔并不能搭接连通，结果砂芯通气不良，机械加工时，发现有30%的铸件在图示位置产生气孔而报废。

图6-3　495柴油机缸盖截面示意图

1-气孔　2-进气管弯头砂芯　3-通气孔

二、析出性气孔

析出性气孔是铝合金和铸钢件生产中常见的缺陷，它主要是由于金属自身原因所造成的。

金属液大量溶解氢、氮和氧，氧以氧化铁的形式存在。在金属液凝固的同时，氢和氮的溶解度显著降低，使氢和氮析出，铁液中的氧化铁和碳反应生成一氧化碳，而一氧化碳不溶于铁液，从凝固的金属或夹杂的表面析出，成为气泡核心。随着温度的降低，溶解在金属液中的氢、氮析出而扩散到气泡核心中去，使其长大。因此，熔炼过程中，合金过分氧化和溶解过多气体，则容易使铸件产生析出性气孔。

1.析出性气孔的特征

析出性气孔多是细小的，呈圆形、椭圆形或针状，分布在铸件的整体或某一部分，其内壁光滑而明亮。氢气孔比氮气孔明亮，氢氮复合气孔易产生在铸件的中心部位。在铝合金中常以针状孔存在，大小在1mm以下，通常在铸件的厚大断面或热节处较为严重。如图6-4和图6-5所示。

图6-4　针　孔

法兰盘、灰铸铁件湿型。因型砂太湿、透气性差等原因造成的针孔

图6-5　针　孔

铝合金铸件，因除气不净造成针孔

2.防止措施

一般防止析出性气孔从三方面着手，即减少合金液的吸气量；对合金液进行除气处理；对合金液要阻止气体析出。

生产中防止析出性气孔常采取如下措施。

（1）减少金属液的溶气量。

1）炉料、孕育剂、各种炉前附加物应干燥，无锈蚀，无油污。

2）避免液态金属与炉气接触，采取熔渣保护或坩埚加盖快速熔炼工艺，勿使温度过高，防止金属液过度吸收气体。

3）炉衬、浇包及各种工具应充分烘干。

（2）对金属液进行除气处理。

1）浮游除气法。向金属液中吹入不溶气体，使溶解的气体扩散到不溶气体的气泡中而逸出。如向铝合金液中吹入氯气或加入氯盐，形成不溶的AlCl₃气泡，将氢带出；向铜合金液中吹入氮气，加入磷铜等，也能除去铜合金液中溶解的气体。

2）氧气除气法。如往铜合金液中吹入氧气以去除氢气，然后再往铜液中加脱氧剂去除氧。

3）真空脱气。将金属液在真空条件下熔炼与浇注，可避免气体进入金属液，还可以使已溶于金属液中的气体不断析出。

（3）阻止金属液中的气体析出。

1）提高铸件的冷却速度，使气体来不及析出。

2）使金属液在一定的压力下凝固，阻止气体析出。

三、反应性气孔

浇入铸型中的高温金属液与铸型材料、冷铁和熔渣等之间，由于化学反应形成的气体，在铸件内造成的气孔，统称为反应性气孔。一般位于铸件表皮下，又称皮下气孔或针孔。

1.反应性气孔的特征

反应性气孔位于铸件表皮下，有的呈分散的针孔，有的隐藏在铸件上部并伴有夹渣。如图6-6所示。

（1）铸钢件皮下气孔。铸钢件的皮下气孔形状为垂直于铸件表面的针状，多位于铸件的表皮下1～2mm，数量多，尺寸小，一般直径为φ1～3mm，孔表面光滑，呈银白色或蓝黑色。

（2）球墨铸铁件皮下气孔。气孔常位于皮下1～3mm处，多为φ1～3mm圆形或长形小孔，分散细小。湿型铸造最易发生。

2.防止措施

（1）铸钢件皮下气孔的防止措施是：降低钢液中的溶气量，即在熔炼时去气脱氧，尽量减少钢水中的氢和氧化铁；严格控制型砂的水分含量，造型时尽量少刷水；提高铸型的排气能力可防止铸钢件产生皮下气孔。

（2）球墨铸铁件皮下气孔的防止措施。

1）在保证球化的前提下，尽量减少残留镁量应≤0.03%～0.04%。

2）要尽量降低铁水中硫的含量。因S与Mg形成MgS，MgS又与水汽生成H₂S，将造成皮下气孔增加。

3）控制冷却速度。铸件凝固速度快，皮下气孔就减少。例如用金属型浇注，皮下气孔就减少。

4）型砂中配入煤粉，在金属-铸型界面上造成还原性气体保护层，防止铁水氧化，可减少皮下气孔。

5）严格控制型砂中的水分，提高型砂的透气性，可减少皮下气孔。

图6-6　皮下气孔

拖拉机主动片HT20湿型。型砂水分高造成皮下气孔