球墨铸铁气孔缺陷和缩松缺陷问题的解决方案

气孔特征 皮下气孔大多数情况下是由多个直径为1-3mm的小气孔，成串横列于铸件表面以下1-3mm处。气孔内壁光滑，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。一般为圆球形、团球形、泪滴形、长针形。在铸态时，皮下气孔不易被发现；但是，铸件经热处理后，或是经机械加工后则显露。 

形成的原因以及防治措施

1、控制铁液质量

（1） 控制残留铝量湿型球墨铸铁件的危险残留铝量为0.03%-0.05%，此时会出现皮下气孔，小于0.03%时，一般不会出现。在不影响金相组织的前提下，浇注前添加0.2%以上的铝，就可以消除皮下气孔。但是铸铁中的铝主要来自孕育剂，湿型孕育的球墨铸铁件，在铁液中加入过多的硅铁孕育剂时，则是铸件产生皮下气孔的原因之一。  （2） 控制钛量铸铁中残留铝和残留钛都有时，过量的残留钛会使铸铁产生严重的皮下气孔。球墨铸铁件残留铝量小于0.03%时，一般不出现皮下气孔，若此时残留钛含量超过0.01%时，则会产生皮下气孔。钛铝共同作用下，加剧界面水气还原，使得界面铁液含氢量更高，更易形成皮下气孔。残留钛主要来自熔炼炉料生铁锭，应注意生铁锭的含钛量，含钛量高的与低的搭配使用，控制钛量。  （3）减少硫含量 锰、硫 对于湿型球墨铸铁件，从防止皮下气孔的角度来讲，硫元素是有害元素。当硫元素含量超过0.094%时容易产生皮下气孔，硫含量越高，出现缺陷的情况越严重。除此之外，产生的H2S可能会使缺陷更加严重。球化处理之后产生的氧化物、硫化物渣，清理干净。否则产生在界面处产生H2S气体也会形成皮下气孔，这种皮下气孔周围的石墨球化不良。  （4）添加稀土元素加入稀土元素能够脱氧、脱硫，提高铸铁液态的表面张力，能够有效的防止皮下气孔的产生。球墨铸铁一般用稀土镁硅铁合金做球化剂，浇注前铁液中加碲（Te）0.002%（20ppm），加入量很少就可以起到明显的效果。  （5）控制浇注温度为防止球墨铸铁件产生皮下气孔，选择正确的浇注温度，避免落入危险的浇注温度范围（危险浇注温度1310℃-1250℃）。 （6）控制铁液原始含氢量实践证明当铁液含氢量到4-5ppm，此时易产生皮下气孔，一般原始铁液含氢量控制在2-2.5ppm以下，开炉后1.5-3.5小时内，含氢量较高不适宜浇注。  

2、铸型因素的控制

（1）控制型砂含水量湿型型砂的水分、死粘土和附加物 水分应少于5%，当水分从4.5%到6.5%时，球墨铸铁的皮下气孔出现的几率会增加7-10倍。在砂型中添加煤粉（4%-6%）、赤铁矿粉（2%）、二氟化铵（2%-2.5%）等各种附加物都有利于防止皮下气孔。  （2）型砂温度流水线生产时，对于皮下气孔非常敏感的球墨铸铁，不能用冒热气温度超过35℃的热砂造型，否则极易在铸件过热部位出现皮下气孔，不解决热型砂造型问题，其他防治措施的效果不理想。因此在砂处理系统设计上旧砂回用的砂冷却装置，容量足够的贮砂斗等设备设施，工艺上定时添加新砂及合理的湿型型砂壁厚度等，保证生产制造时不出现热型砂造型的问题。 

（3）型腔表面抖敷熔剂粉常用的熔剂粉是冰晶石粉或者氟化钠粉，据有关统计，抖敷的氟化钠粉的同不抖敷的相比较，可使球墨铸铁皮下气孔产生的缺陷由25%降至5%，有利的减少皮下气孔。 

 （4）型砂中加入适量煤粉型砂加入煤粉4-5%浇注时煤粉在金属铸型界面形成还原性气膜，不仅可以防治铸件粘砂，而且可能抵制了界面水气的反应，也是防止皮下气孔。另外也可以加入沥青2%或木屑粉2%-3%来防止皮下气孔。防止球墨铸铁件缩孔、缩松方法的新进展上世纪50年代初(甚至更早)，铸造界就发现铸铁件由石墨析出产生的体积膨胀可对铸件起到自补缩作用，然而，至今仍然有不少铸造工艺人员不会很好地利用这种自补缩作用。一般认为:ω（C），ω（Si）量越高，孕育作用越强，越有利于石墨化；石墨化膨胀量越大，自补缩作用就越好。他们不知道石墨膨胀发生时间对补缩作用会有影响，甚至有人主张要采取工艺措施，使石墨化膨胀提前，使膨胀与凝固初期的收缩均衡，达到减少外部补缩量，从而减小冒口尺寸的目的，其结果反而导致外部补缩与石墨化膨胀相互抵触，使铸件更容易产生缩孔、缩松缺陷。         随着生产技术的发展，铸造界对此问题的认识已逐步深化。早在21年前，RW Heine就发现：先共晶石墨析出使石墨化膨胀提前，不但使膨胀不能用于补缩，反而会使铁液倒流，进人冒口导致铸件产生缩孔、缩松缺陷。近年来，国外已经开展了如何利用石墨化膨胀自补缩作用的试验研究，并且加强对到如何控制石墨析出时间，使石墨化膨胀高峰期推迟的方法。现摘要介绍如下石墨析出时间的控制。最初只是通过控制ω（C），ω（Si）量和孕育强度，以防止初生石墨析出引起膨胀过早;目前，已发展到研制特殊球化剂和特殊孕育剂，使石墨析出高峰从铸件凝固初期推迟到凝固后期，也就是使大部分石墨化膨胀推迟到型腔进出口已凝固封闭、外部补缩已停止、只能依靠石墨化膨胀进行自补缩的凝固后期，从而使膨胀更有效地起到消除缩孔、缩松的作用。2011年，埃肯公司(Elkem Metals.Inc.)技术服务部经理Doug White在“防止缩孔、缩松缺陷，提高球铁件工艺出品率"的论文中列述了防止球墨铸铁件缩孔、缩松缺陷的各项措施，其中几项主要措施都涉及。1、在不发生石墨漂浮、没有初生石墨析出的前提下尽量提高ω（C）量        图1是按照壁厚为13~38mm的铸件制作出来的。为防止石墨漂浮，铸件的碳当量(CE=C+1/3Si)不能超过4.55%；对于更薄的铸件，CE可以适当提高。此外，上世纪80年代中期，英国铸铁研究学会(BCIRA)曾受美国铸造学会委托，系统研究了各种工艺因素对球墨铸铁石墨漂浮的影响。表1为试样的情况，表2是不同Si量、不同壁厚的方形试棒防止石墨漂浮的最高ω(C)量(浇注温度为1400℃)，即减少缩孔、缩松倾向的最高ω(G)量。

共晶凝固包括奥氏体和石墨同时析出以及石墨在奥氏体外壳包围下长大。如果按照共晶凝固方式进行凝固，缩孔、缩松倾向将随ω(C)量增加而减小。但ω(C)量过高，凝固过程将以析出初生石墨开始，大部分由石墨析出所产生的膨胀会在凝固初期被消耗掉，这是由于石墨在铁液中上浮时，析出速度过快造成的。在凝固后期，共晶团之间的孤立液池凝固时，由于石墨化膨胀量不足以补充体积收缩，故缩孔、缩松倾向较大。2、控制石墨析出产生膨胀的时间        如果石墨析出过早，在凝固后期浇、冒口不能提供补缩液体时，石墨化膨胀量将会过小，将会产生大量的缩孔、缩松缺陷。因此，从凝固开始到凝固结束，石墨析出应始终保持相同的速度，尤其是凝固初期石墨析出不宜过快。影响凝固各阶段石墨析出量的因素有:        (1) ω(C)和ω(Si)量按表1和表2将CE控制在目标值的同时，应采取高C低Si的原则。因为C是使石墨膨胀的元素，Si是影响凝固初期膨胀量的元素，ω(Si)量较高，使石墨球数增加，出现较多的铁素体，并且会使石墨析出较早，进而导致凝固初期膨胀量过大，凝固后期残余铁液凝固时膨胀量不足。因此，ω(Si)量只要能够防止碳化物形成、强化铁素体达到力学性能要求即可，不宜过高。(2)孕育剂孕育剂的加入量过多或采用含Bi的孕育剂将导致石墨球数增多，耐石墨球的尺寸均匀，进而使缩孔、缩松倾向增大。(3) ω(Mg)量随着ω(Mg)量的增加，缩孔、缩松倾向也随之增大，因此，应严格控制ω( Mg)量。3、稳定控制原铁液的ω(S)量        由于石墨球数随ω(S)量的增加而增多，所以，在生产壁厚较薄、白口倾向较大的铸件时，采用ω(S)量较高的原铁液是防止碳化物形成的有效措施。但原铁液的ω(S)量过高，会使石墨析出过早、石墨球较多且尺寸均匀，导致缩孔、缩松倾向增大，这种现象多出现在厚断面铸件。原铁液ω(S)量变化较大将导致石墨球数及尺寸均发生较大的变化，为此，在铸造生产中各包次原铁液的ω(S)量应尽量保持一致。4、避免原铁液停留时间过长        由于在原铁液停留期间，其形核能力会发生衰减，而且会损失大量的C，所以，在进行球化处理和孕育处理前应避免原铁液停留时间过长。如果在出铁温度下停留约30 min后才进行球化处理和孕育处理，很容易形成碳化物和产生缩孔、缩松缺陷，而且这种碳化物即使采用包内孕育和随流孕育的方法也很难消除。若此时加入晶体石墨(例如石墨电极切屑)则可以恢复部分形核能力，补偿停留引起的ω(C)量损失。5、避免球化处理后的铁液停留时间过长球化处理后的铁液在自动浇注包内停留25~30 min，会使铁液的形核能力降低，缩孔、缩松倾向增大，这种情况下，利用热分析方法可有助于将铁液恢复到缩孔、缩松倾向较低的状态。向自动浇注包补加新鲜处理的铁液，并加人0.1%用含S化合物和含O化合物包覆的孕育剂，可使这种已经衰退的“死铁液"恢复形核能力。6、采用减小缩孔、缩松的专用球化        传统的MgFeSi球化剂一般加入混合RE(mischmetal)，目的是抵消反球化元素、防止浇注温度低时铸件边缘产生碳化物和优化石墨球数。专用球化剂中不加混合RE，而是加入纯度较高的La，利用此类球化剂生产的铸件不仅石墨球数多，而且石墨球的尺寸大小不一，凝固初期形成的石墨球数也略有减少，中、小尺寸的石墨球数明显增多，说明凝固过程中石墨析出量自始至终比较一致，因此，在凝固后期有较大的膨胀        表3为A、B两种型内球化剂的成分对比。表3中两种球化剂的La加入量相同，只是A种球化剂中除La外还有其他稀土元素，且量较多，B种球化利中则不含其它稀土元素；铁液均来自同一自动浇注包，两种球化剂分别放入两个铸型，二者浇注时问间隔仅有数秒钟，因此，对比条件基本上是相同的。图2是使用这两种球化剂所生产铸件的金相组织，图3为两种球化剂得到的球墨尺寸分布对比。使用A种球化剂得到的大尺寸球墨相对较多，而使用B种球化剂得到的大尺寸石墨球较少，且以中、小石墨球为主，尺寸分布偏向于较细小的石墨球，即缩孔、缩松倾向较小。石墨球的尺寸与其析出和开始长大的时间有关。从图3可以看出，采川A种球化剂处理时，凝固初期析出石墨(尺寸较大的石墨)数量相对较多，凝固后期析出的石墨(尺寸较小的石墨)相对较少；而采用B种球化剂处理时，凝固末期(冒口已不能提供补缩铁液)析出的石墨相对较多，囚而可以预测到它的缩孔、缩松倾向较小。