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技师专业论文
工种：铸造工
题目：石灰石砂铸件气孔形成的原因分析与消除措施
日 期：2012年5月12日
石灰石砂铸件气孔形成的原因分析与消除措施
【摘要】在铸造生产过程中，由于设计、工艺、材料管理等原因。铸件内部、表面或工作性能等方面容易产生各种缺陷，铸件缺陷影响铸件的质量，严重的甚至造成废品。所以提高铸件质量，降低铸件废品率是铸造生产中需要经常分析研究的问题。
【关键词】造型，烘模，扣箱，浇注，气孔
铸造是机械制造的基础，在一般机械中，铸件重量约占机械设备重量的50%以上，在工业设备中铸件占的重量更大，约占80%以上，随着铸造技术的发展，在国民经济的各项领域中。广泛的采用各种铸件，因此，学习铸造方法，研究铸造理论，对铸造事业是非常必要的。但是在铸造生产过程中，由于设计、工艺、材料管理等原因。铸件内部、表面或工作性能等方面容易产生各种缺陷，铸件缺陷影响铸件的质量，严重的甚至造成废品。所以提高铸件质量，降低铸件废品率是铸造生产中需要经常分析研究的问题。下面对铸件产生气孔的原因谈谈自己的一些认识：
石灰石砂与硅砂相比具有许多优点：它没有受热后的相变膨胀，铸件的结疤、夹砂缺陷少；含游离SiO2少，大大减少了矽肺病的危害；型砂溃散性良好，落砂清理容易；生产铸件时不易粘砂，能获得表面光洁的铸钢件；石灰石砂来源广，可就地获得优质廉价的原砂；对铸钢件适应性广，既能生产碳钢件，也能生各种合金钢铸件。因此，用石灰石造型受到铸钢生产工人的普遍欢迎。但是，石灰石砂也有自己的使用特点，必须根据这些特点在生产中采取相应的措施，否则将会造成许多铸造缺陷。其中，用石灰石砂造型时，铸件气孔就是一个颇为头痛的问题，它是铸件报废的一个主要缺陷，占此类铸件报废问题的60%～80%，因此对石灰石砂铸件气孔形成的原因进行详细的分析，并采取的预防措施与对策，具有十分重要的现实意义。
1、产生气孔的原因分析
图一 侵入气孔形成过程
气孔形成的种类和原因是很复杂的，有析出性气孔、反应性气孔(图二)、侵入性气孔(图一)、有浇注时卷入的气体而形成的气孔，有从型砂侵入的气体而形成的气孔。还有渣气孔，砂气孔等。对此，教科书和一般的资料对此有较详细的描述。本文仅就石灰石砂的特点及铸件生产的气孔特性进行分析。
图二 反应会孔的形成过程
a—形成气泡核心 b—气泡长大 c—形成针孔 1— 砂型 2—钢水 3— 气泡核心 4—针孔
石灰石原砂是以石灰石（CaCO3）为主要成分的矿岩，经机械破碎、筛选、粒度分级等工序制成，它是一种特殊的热解发气性用砂，在高温下发生如下热分解反应：
9200C CaCO3 → CaO+CO2↑
CO2是一种强氧化性气体，在高温下易与金属液发生如下反应：
CO2+C→2CO↑ CO2+Fe→FeO+ CO↑ 就造型材料本身而言,石灰石砂最易给铸件造成两种气孔,其中一种是砂气孔,铸件在造型、烘模、扣箱、浇注过程中,因掉砂、冲砂等原因,使砂粒或砂块进入钢液中,砂粒在金属液中发生以上三个反应而生成的气孔.由于气孔中常留有较多的FeO或FeO与其他金属氧化物、硅酸盐形成复合残渣.因此,在实际生产中此种气孔常与夹渣伴随产生，气孔较大，有时与夹渣不易区别开来。其二是侵入性气孔，此种气孔不是在浇注过程中卷入，而是在浇注后，在铸型的界面上，金属与型砂发生一系列的物理和化学反映，从而使型砂产生的气体侵入铸件表面凝固前，气体侵入，则气体可能随凝固析出或来不及析出则形成表面光滑的铸件内气孔；如表面已进入凝固或半凝固状态，则此时形成垂直于铸件表面表层的细长气孔。
此种气孔不同于湿型铸造产生的表面氢气孔，孔口常外露，孔口多呈椭圆形，细而长。从显微分析得知，孔壁呈蓝色（氢气孔呈现金属本色），孔内常伴随有Si、Fe、Ca等低熔点的金属氧化物，最易沿晶界生长。
下面，就石灰石砂侵入性气孔形成的机理进行详细的说明。众所周知，只有满足下列条件，气体方可侵入铸件形成侵入性气孔。
P气≥P液+P腔+R金
式中 P气——界面上，型砂气体对金属的压力 P液——液态金属的静压力
P腔——型腔中气体的压力，一般为大气压 R金——气体侵入金属所必须克服的阻力
2R金=
r——金属液表面张力 r——气泡半径
的大小与金属液的成分与状态非常大。我们知道，当金属液较纯净，较
大时，气体进入金属必须克服较大的阻力，但当金属液中含有FeO或金属液表面被氧化后，由于FeO的熔点低（1370°C），活性好，它是金属液良好的表面活性剂，它的存在使金属液的表面张力大幅度降低。
在石英砂造型时，由于型砂中的气氛接近与中性，因此在考虑侵入性气孔时，往往是注意p气的影响，对R金没有予以特别的重视。
但石灰石砂与石英砂不同，位于界面上的石灰石砂受热分解时，一方面形成 强氧化性的CO2气体，使金属液氧化，降低金属液的表面张力；另一方面，由于砂粒的分解形成了孔隙，孔隙又为气泡形核准备了良好的物质条件，从而形成了既有气源，又有低表面张力和孔隙的侵入气体环境，因此，气体极易突破金属的表面能侵入金属液中，从而形成侵入性气孔，即使金属液表面凝固，由于石灰石砂型与钢液剧烈的界面反应，以及界面先快后慢的冷凝特点，在晶粒的接合处会形成薄弱的FeO空间，从而为铸件的表层形成细长气孔创造了条件。
综上所述，预防石灰石砂铸件产生气孔应下列思路着手。
（1）在造型、扣箱、浇注过程中创造良好的工作条件，采取相应的措施，防止掉砂、冲砂、夹砂。
（2）型砂具有良好的气流方向性。背压少，有利于排气。
（3）金属液具有良好的抗二次氧化能力，尽量降低金属流的二次氧化倾向。（4）减弱型砂发气的氧化气氛，如在面砂中渗入石墨粉，但要慎重，否则会由于铸件表面不能形成良好的临界氧化铁层而形成牢固的粘砂层。2．防止铸件气孔的措施
对于侵入性气孔而言，石灰石砂在高温下的分解反应是不可避免的，我们所 要做的是改善界面条件，要求面砂易形成烧结层，减少面砂孔隙率，提高背砂透气性，对铸件的钢液冶炼采取相应的措施，使钢液中FeO含量少，钢液中含有一定的残余硅、铝等还原物质，从而减弱钢液的二次氧化倾向。
笔者在生产实践中，通过采取以下措施，对防止铸件产生气孔取得了良 好的效果。
（1）面砂用40—70目细砂，适当提高粘土加入量（质量分数5%—6%），再加入6%的水玻璃，使面砂减少孔隙和形成烧结层，背砂则用20—40目粗砂。造型时面砂很薄，一般不超过30mm，在背砂上插入通气孔，以形成良好的通气条件，同时相对于石英砂造型相比，吃砂量要提高，对于一箱多型的铸件，在各型的相邻处要保证足够的吃砂量和通气措施。
（2）控制良好的钢液的冶炼过程。石灰石砂铸件与硅砂期待件相比，其钢液冶炼应有相应措施，主要是提高钢液的抗二次氧化能力和减少含氧量，在冶炼时脱氧要完全，应保证钢液的残余硅含量大于0.03%，在终脱氧时，其脱氧剂应适当加大，当采用铝条终脱氧时，其加入量应不小于0.18%，从而保证一定的残余铝 量和硅量，提高钢液的抗二次氧化能力，提高钢液的表面张力，此举不仅可达到预防气孔的目的，并且也显著改善了铸件的表面质量。
（3）在造型过程中，尽可能采用底注式，浇道、浇杯最好全部为预制耐火砖，以减少和消除冲砂性气孔。在扣箱完毕后，应用压缩空气将残砂吹吸干净，并将明冒口、浇口盖好，防止掉砂、冲砂。
【参考文献】张少本，宋小春.《铸造工艺学》
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