如何避免球铁的皮下气孔缺陷

在球墨铸铁生产中最常见的缺陷就是皮下气孔，在湿型砂铸型，特别是比表面积大的小型铸件中最易发生皮下气孔。皮下气孔往往位于铸件表面以下0.5~1mm处，呈细小的圆形或椭圆形孔洞，孔径多为0.5~2mm的针孔，内壁光滑(内表面有时附有石墨膜)，呈均匀分布在铸件上表面或远离内浇道的部位，但在铸件侧面和底部也偶尔存在。在铸态时，皮下气孔不易发现，但经热处理后，或是经机械加工则显露。皮下气孔影响铸件的表面质量，并且在出现皮下气孔的部位，往往伴随有片状石墨，因而恶化了该部位的力学性能，严重的会使铸件报废。某产品的铸造毛坯结构如图1所示。

该铸件材质为QT450，最薄处壁厚为6 mm，在头弧部、尾弧部是非加工表面，技术要求规定在其表面不允许有深度大于1 mm的皮下气孔，单件铸件质量为1.1 kg，铸造总质量为50 kg。采用湿砂型铸造，气压造型。铸件内腔用覆膜砂热芯成形，从一端芯头排气，初期采用5t冲天炉熔炼铁液，铁水出炉温度1 430℃左右，球化包底筑成凹坑式，采用冲入法球化处理，球化剂为FeSiMg8RE7，孕育剂为FeSi75Al0.5，总加入量为0.5%~ 0.8%，分多次加入。铸件滚光清理后表面光洁平整，经第二次喷砂处理后，在铸件表面发现弥散分布的小圆坑，孔径为0.5~2 mm，经解剖后确定为皮下气孔。为了消除这种流行性缺陷，针对在湿型生产球墨铸铁件易出现的特征，工艺上除注重这种缺陷对铸件“壁厚效应”的敏感性，即它的形成同铸件凝固速度有内在联系，还应从形成原因上分析，找出相应对策。

1、皮下气孔成因分析

皮下气孔是湿型球墨铸铁件常见的铸造缺陷，所以说它带有流行性缺陷，且对薄壁铸件特别敏感，原因是薄壁件凝固速度快，气体来不及形成气泡，厚壁件凝固速度慢，气体形成气泡后有足够的时间上浮排出，不会滞留在铸件表层。影响皮下气孔形成的主要因素有:

①残余镁量和残余稀土量，当镁残留量>0.06%时，皮下气孔显著增加。统计数据显示，湿型球墨铸铁件ω_Mg残留=0.05%时，皮下气孔缺陷率为7%，当ω_Mg残留=0.065%时，皮下气孔缺陷率剧增，高达33%。残留镁量越高，形成皮下气孔的倾向性越大。稀土元素会增大铁液的表面张力，能有效防止皮下气孔产生倾向，以ω_RE残留=0.025%左右为佳。

②铁液中硫含量高，容易引起皮下气孔，含硫量越高，情况就越严重。这是因为除了有氢致皮下气孔外，还可能由于H₂S气体而使缺陷情况更为严重，球化处理后会产生氧化物和硫化物(包括MgS)渣滓，若扒渣不净MgS随铁液流进型腔，上浮至金属一铸型界面的MgS同界面水气发生化学反应，反应产物H₂S气体也会形成皮下气孔。

③铝和钛的影响，铁液中Al>0.03%时，皮下气孔增加，若残留铝和残留钛兼有时，则皮下气孔急骤增加，生产实践证明：球墨铸铁件Al<0.03%时，一般不会产生皮下气孔，但如果同时Ti >0.01%，则会促使铸件产生皮下气孔。

④铸型水分>5%时，湿型球墨铸铁件易出现皮下气孔。因为铁液与铸型界面上的水分存在化学反应，产生H₂、H₂S气体，在铸件快速凝固时，来不及上浮，就停留在靠近铸件表面上，形成皮下气孔。

⑤炉料有水、球化剂和孕育剂吸潮及铁液中含氢量增加均会导致皮下气孔较多。

⑥熔渣过多和铁液氧化夹杂是产生皮下气孔的重要原因(渣为触媒导致皮下气孔产生)。

⑦铁水出炉温度低，或浇注温度低，易形成皮下气孔。

⑧浇注速度慢，铁液易氧化、降温、进渣，易形成皮下气孔。

上述诸因素单独出现时，皮下气孔虽有可能产生，但不会十分严重，如果儿种因素同时肴加一起作用，则皮下气孔倾向大大增加。根据我公司铸造厂的生产实践，逐一对上述因素进行对照、分析、排查，最后确定其中②、⑥、⑦三种因素的影响较为严重。硫对湿型球墨铸铁件皮下气孔的影响机理，目前尚无系统确切的理论依据，但原铁液硫含量高易产生皮下气孔，却是不争的事实，原因是高硫铁液易形成较多的硫化物夹杂物(MnS、FeS、MeS等)，引起渣产生皮下气孔，另外，熔炼与处理过程中形成氧化物熔渣(如FeO、MnO、AlO、SiO等)，铁液与型砂表面水分发生反应生成的氧化物熔渣等，都可能成为气体形核的衬底，吸附气体分子聚集成气泡，铁液中残留镁量过高，镁在脱硫、脱氧时产生的氧化物和硫化物越多，球墨铸铁的皮下气孔会急剧增加，将浇注温度提高到1380℃以上，可以有效地防止皮下气孔，实质上铁液温度越高，夹杂物越少，其原因是:一方面氧化反应在高温下不易进行；另一方面高温下夹杂物易于上升排除。

另外，涉及到铁液的化学成分、熔炼温度和纯净度，这是铁液冶金质量的3个主要指标。化学成分控制得越严格，有害元素硫含量越低；铁液温度越高，夹杂物越少；铁液的冶金质量越高，则产生皮下气孔的可能性越小。所以，提高铁液冶金质量，是生产湿型球墨铸铁件中防止皮下气孔的关键控制环节。

2、防止皮下气孔的工艺措施

防止皮下气孔的工艺措施主要有：

①脱硫处理。所谓脱硫，就是尽量将铁液中的硫向炉渣中转移，并随之排除，铁液中FeS量越少，脱硫效率也就越高，适当提高脱硫渣的碱度与铁液温度、减少炉渣中氧化亚铁的含量，有利于促进脱硫，因此，加大炉渣量，提高熔渣的流动性、加强搅拌、提高铁液与熔渣温度都有利于脱硫的充分进行，及时扒渣，防止回硫。采用炉外脱硫处理的方法，利用由碳化钙和氧化钙组成的铸造专用工业电石作为脱硫剂进行脱硫处理，加入量约占铁液质量的0.5%~1.5%。

②提高铁液纯净度为了提高铁液的纯净度，减少熔渣。曾采用在小浇包内加集渣剂二次除渣的措施，皮下气孔的数量(出现个数)有所减少，但未得到根除。在铸型表面抖敷冰晶石粉可以消除皮下气孔，但使用情况表明并不理想。铸件清理后，表面仍会出现一些小的渣孔，有时与皮下气孔转变成的小凹坑极为相似，表面质量仍不符合产品质量要求，这可能是冰晶石与铁液中的夹杂物反应(主要指固态渣)生成液态溶渣，仍然滞留在铸件表面无法排除的原因，因此，对球墨铸铁件在设计浇注系统时要尽可能加设过滤网和挡渣装置。

③调整焦铁比，优化熔炼工艺。提高冲天炉出铁温度，有利于消除和减轻遗传性和提高铸件品质，因此可以说，冲天炉出铁温度的高低，反映了现代铸铁的生产水平，炉前测温达到1470℃以上，同时采用脱硫、集渣措施，特别是在加商品集渣剂时，将定量的冰晶石粉(氟铝酸钠Na₃AlP₆，熔点994℃)作为熔剂一并加在铁液表面，并适当搅拌静置，提高了集渣效果，从而防止了界面铁液层的吸氢，可以有效地抑制球墨铸铁件皮下气孔的产生，效果显著，工艺出品率也明显提高。

④对化学成分的控制。化学成分虽不作为验收依据，但它是生产高韧性铸态铁素体球墨铸铁件的前提，严格控制和计算炉料配比，控制终硅量（Si<3.0%），在保证铁素体的条件下尽量降低硅量。另外，含锰量不宜高，过高（Mn>0.65%）时，也会造成渣气孔，控制Mn<0.30%，可避免铸态下形成渗碳体。同时使用低硫、低磷的纯净炉料，严格限制白口化和反球化元素含量，也是必须遵循的原则。

⑤提高铸型的透气性，有利于减轻皮下气孔。

⑥采用5t中频无芯感应电炉熔炼球墨铸铁铁液，皮下气孔得以控制。电炉熔炼时成分易于控制，铁液温度可以升高到1530℃~1550℃出铁。由于不使用熔剂，保证了铁液的纯净度，电炉不用焦炭(特别是高硫焦炭)，不会增硫，铁液的冶金质量大大提高和稳定，为高质量球墨铸铁件的生产创造了硬件设施。

3、结语

熔炼球墨铸铁铁液，在铸型水分、铁液中的含气量、球化元素残留量及其他有害元素都得到有效控制的情况下，同时提高脱硫、除渣效果，保证铁液有较高的纯净度，并辅以较高的熔炼处理和浇注温度，提高铁液的冶金质量是防止皮下气孔的**有效措施。

本文转自：百铸联盟

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