皮下气孔

冶金工程学术语

皮下气孔是试棒表面存在较严重的点蚀缺陷,表面下约5mm的范围内存在的空洞称为皮下气孔〔2～5〕,皮下气孔中卷入了Ca、Si、Cl、S等夹杂元素。由于气体被阻挡在金属体的近表面处，形成气泡，并在气体的压力作用下将该处表面层的金属顶得凸起来，呈小丘状。

定义

球铁件的皮下气孔经常出现在铸件表面的表皮层内，一般位于表面下0. 5 - 2m m处，直径也多在0. 52mm之间，在铸件的各个表面上都有可能产生。其内表面不一定是光滑的和近于球形的。已经证实，在气孔的内表面上附有石墨薄膜和具有各种形状和尺寸的SiO2-MnO氧化物的化合物，有些皮下气孔，在铸件落砂清理后即可发现，但大多数要经热处理喷丸或经机械加工除去表面的氧化皮后，方能清晰地显露出来。这些气孔大都呈针状、圆状，与铸件表面垂直，属于反应性气孔。

总的来说，球铁的皮下气孔问题主要是一个氧化问题，或者是外来元素，如Mg.AI及Mn的氧化，或者是溶于铁水中的碳的氧化。用粘土砂型时，这类气孔中气体大都为H2S气体、镁蒸气、氢气和CO气体。用树脂砂造型时，还会出现氮气孔。此外，球铁具有糊状凝固的特点。因而，随炉料进入铁水中的气体及浇注系统设计不合理而带入型腔的气体，如来不及排出型腔，也会在铸件表面下的树枝状晶体之间聚集起来，结果亦能形成皮下气孔。

形成机理

张力说

气孔的敏感程度受表面张力的影响很大。当铁水的表面张力小于某个临界值时，就会促进球铁件皮下气孔的产生，相反，能抑制气孔的出现。金属液的表面张力越小，气体通过砂型孔隙侵入金属液所需的压力就越小，即砂型的气体或外来气体就容易侵入铁水中而形成气孔。

氧化说

浇注时，由于高温铁水对铸型的作用，型内会产生大量的水蒸汽，因而，在铁水和铸型的界面上，会发生反应。当铸型的透气性不足时，H2,CO,H2S等便会穿过铁水表面层而侵入铁液中。随着铁水温度的下降和粘度的增加，该气体无法逸出，往往在铸铁件的表面皮下形成气孔。降低型砂的水分以及减少铁水的氧化(如降低铁水的氧化结膜温度)均能抑制球铁件皮下气孔的产生，便是该机理一个强有力的佐证。

气流说

当铁水一旦进入型腔，型内便会产生大量的气体。如果铸型内部产生由外向内—即向铸件方向迁移的气体流，如空气、氮气、氢气等，使得金属和砂型(芯)界面上的气体压力猛增，此时皮下气孔的形成趋势便会上升;相反，如果阻止气体向铸件方向迁移，使铸型内部产生由内向外排出的气体流，那么，就能从根本上防止产生皮下气孔.如减压排气铸造法和正透气性梯度法便是该机理成功的应用。

影响因素

冷却条件

1.浇注温度涉及浇注温度对铸铁皮下气孔影响的文章，可以说，已经很多，可各自的实验结果却不尽相同，有些看起来似乎是矛盾。例如:

(1)球铁皮下气孔的大小及数量随着浇注温度的降低而降低。

(2)随浇注温度的降低( 1 400℃-1 350℃-1 300℃ )，皮下气孔的个数随之增多。

(3)当浇注温度在1356℃和1 200℃时，皮下气孔基本消失，或者显著减少，而当浇注温度在1 285℃和1 304℃时，皮下气孔却相当严重。当浇注温度小于1 300℃时，便出现了皮下气孔，尔后随浇注温度的继续降低，皮下气孔的严重程度增加;

(4)浇注温度在1 300-1 400℃之间不出现皮下气孔。但仔细分析不难看出，当浇注温度在1 350℃- 1 400℃之间时，球铁件形成皮下气孔的可能性最小，这一点也被作者的生产实践所证实。

2.铸件厚度据文献报道，铸件壁厚从6mm增至25mm时，针孔也随之增多，壁厚更大时，针孔又减少。而文献指出，自从型内处理球铁以来，气孔一直发生于厚断面铸件上(75mm)。因此，一般来说铸件壁厚小于6mm以及壁厚大于25mm时，铸件不易出现皮下气孔。

3.冷铁一般认为，冷铁可以控制结晶过程，但不能消除气孔。文献的对比试验表明，型腔里放30^ 40mm厚的外冷铁，不管采取何种措施，都不同程度地发生呛火现象，夏季时更为严重。由此可见，用冷铁消除气孔也许不是一个好方法，特别是当冷铁严重锈蚀时。但如果将冷铁和冒口或其它措施(如浇注温度、型砂添加物等)结合起来，倒有可能达到分散和减少皮下气孔的目的。

型砂添加物

1.水分球铁件的皮下气孔实则是反应性气孔，铁水与铸型(水分)的反应所形成的气体乃是造成气孔的主要原因，因此控制型砂的水分就具有非常重要的作用。已证明，铸型依次按下列顺序减少皮下气孔:湿型一干型一水玻璃砂型一壳型。陈希月等的试验也证明了这一点，型砂水分超过6%，随水分含量的增加，气孔倾向增大，型砂水分达7. 6%时，在所有不同壁厚的试样中均出现了严重的气孔。

2.煤粉随煤粉加入量的增加，皮下气孔数目急剧减少，当其加入量大于3%以后，皮下气孔减少的趋势明显变慢。同时还发现，因硬沥青(天然沥青)防止皮下气孔的效果比煤粉还要好，这是由于，与煤粉比起来，硬沥青含有较多的低温挥发物的缘故。吕秀如也认为，煤粉加入5% -7%，即可减少皮下气孔，这是因为，煤粉在浇注后一部分气化，一部分焦结，隔开了铸型和铁水，从而阻止了气体向铁水内部的浸入。

铸型中添加1%或稍多一些的煤粉，就能完全消除皮下气孔，其作用机理在于，煤粉使铸型中产生非氧化性气氛，降低了铁水成分的氧化。由此可见，尽管三位作者对煤粉作用的机理解释不一，但关于煤粉减少皮下气孔的结论却是肯定的.需要强调的是:所加煤粉必须是新鲜煤粉，旧煤粉(尽管是黑的)不能保证不产生气孔。

3.氧化铁粉据试验证实，当型砂中FesOa含量增加时，气孔有所下降，当FesOa含量达到5%时，气孔显著下降.S. F. Carterl经过研究后指出，在湿砂型中加入2%的Fe203，可以使球铁件的气孔废品率由65%降至5%以下，在含N2树脂砂中，加入2% - 5%Fe203，也可大大减少形成皮下氮气孔的危险性。Fe203消除气孔的原因被认为是:Fe203能降低石英砂的烧结温度，因而在铁水与熔融型砂之间形成了粘性的玻璃质层，该层的存在阻止了砂型与铁水之间化学反应的进一步扩展.可见型砂中添加氧化铁的确有减少皮下气孔的形成倾向。

4.其他膨润土加入量在7% - 13%的范围内变化时，对气孔发生的数目未见显著的影响。但减少粘土含量，特别是失效粘土含量，适当增加优质膨润土含量。以及添加氟化氢钱或用轻油处理过的膨润土;用水玻璃代替粘土，均可铸出没有皮下气孔的试棒。在加硫的砂型中，也可铸出无皮下气孔的试棒，但是铸铁的显微组织却受到了影响。

铸型敷料

实践证明，砂型和砂芯涂料是减少外源气孔的有效措施，因为它能防止砂型产生的气体浸入正在凝固的金属液中。据报道，下列敷料对防止铸件的皮下气孔有一定的作用:

1.油溶性涂料涂料溶剂为煤油和汽油两种，填料为200目的石英粉、石墨粉或磁性氧化铁粉三种。

2.无水性氧化性介质用小喷雾器把煤油喷洒到铸型表面，再均匀地抖撒一层矿石粉。

3.冰晶石粉将NasA1Fa(或Na3SiF6)粉装在纱布袋内，然后抖撒到型腔和芯子表面，浇注时在通气孔和箱缝处引火。

4.氟化钠粉将其盛于纱布袋内，抖在上砂型表面，使NaF熔体在铁液表面占优势。

5.柴油造型时，在铸型表面喷些柴油。

6.其它石墨加水或者水和粘结炭黑涂于铸型表面，并在200 0C烘一夜;酒精与粘性炭黑涂于铸型表面，然后点燃烘干。

熔炼情况

据介绍，包外加冰晶石粉(冰晶石粉随硅铁粉进入铁水流中)的方法，可以有效地消除皮下气孔，这是因为加入冰晶石粉可以溶解铁水表面的氧化膜并保护铁水表面不再氧化。此外，铁水表面覆盖煤粉后，除了相对提高浇注温度外，煤粉还能燃烧生成CO还原性气体，浮于铁水表面，阻止了铁水表面的氧化，从而减少皮下气孔的产生。向炉内加入2%-3%的CaCOs或1%-2%的Na2COs，使其在炉内沸腾并充分搅拌，反应结束后再出炉浇注，也可以获得较满意的效果。

在冲天炉熔炼的情况下，采取下列措施可以防止球铁皮下气孔的产生:

①有合适的风压风量。

②改善炉况，防止铁水氧化。

③严格控制鼓风湿度，一般将绝对湿度控制在8g/ Nm以下，如热风，富氧送风，吹氧。

④保证焦炭质量(块度大，固定碳高，含硫量低，灰分小)。

⑤尽量提高浇注温度，保持合适的底焦高度及焦铁用量。

⑥将供风强度控制在合适的水平。

经生产验证，凡能降低铁水吸气及铁水含气量的措施，都将有助于皮下气孔的减少。如:

①炉料(燃料、金属炉料、熔剂、耐火砖、木材)等，应做到干燥、无锈蚀、无油污，多次重熔的炉料，其配比量要适当限制；

②球化剂、孕育剂必须事先彻底烘干，除去水分，同时要注意其粒度和加入量；

③尽量少用或不用含气量大的炉料；

④炉料配比时，新料的加入量一般控制在40%-60%以下。

铸造工艺

一般来说，薄壁、上型和铁水死角处容易出现皮下气孔，因此，将易出皮下气孔的部位放至下型或开设内浇口是有利的。若根据皮下气孔的形成是发生在携带二次氧化渣的铁水一铸型界面的气体析出过程这一机理，浇注系统应保证铁水平稳而较快的充型，并设有较强的挡渣工艺;在不导致其它弊病的情况下，适当延长铁水在横浇道和内浇道的距离;若条件允许，多开几个内浇口，并将内浇口或冒口颈尽可能选择在型腔比较宽敞、铁水流畅阻力小的位置。而吸氢是在金属流过铸型表面时发生的，故而在工艺设计时也应考虑采用短的横浇道和内浇口。同时，适当增加直浇口的高度和冒口高度，以增加金属液的静压力;并在浇注后立即添加保温剂(硅石70% ,锯末10%，炭粉20%),以免冒口过早生成硬皮。既要实行快速浇注，又要保证铁水充满浇口杯，以免随流带入空气。所有这些，对减少皮下气孔来说都是有利的。此外，凡能改善透气性的措施，也能对降低皮下气孔的数目起到积极的作用。

在注意其它因素的同时，必须考虑到铸件在铸型中的位置、金属液的引入位置和浇注系统等参数，如果设计的铸件在铸型中的位置有形成气孔的危险区，那么浇入的金属液的全部或者大部分必须以最短的浇注路程到达危险区。为了防止皮下气孔，有人认为，合理的排气通道应选择在金属和铸型界面之间。应修改浇注系统，减少金属液在浇注系统中的动能。许多研究者报道，非紊流浇注系统或开放式浇注系统以及上冒口顶注法在减少皮下气孔方面将是很有益的。面砂由低水分的细砂组成，而背砂由粗砂组成;以及在生产厚壁铸件时，应用水玻璃错砂作面砂，也能大大减少皮下气孔缺陷。

总结

一方面，皮下气孔的形成是一个多变量函数，在某些情况下，一种因素起主导作用，改变该因素就能明显地促进或抑制皮下气孔的产生，但在另一种情况下，该种因素也许就变得不那么重要了；另一方面，有些因素也具有两重性，如型砂中加煤粉，它既能生成大量的CO和H2，汇集于铁水与铸型界面上，增加气体侵入铁水的可能性，又能使界面上形成还原性气氛，减少金属的氧化，但后者抑制气孔的作用明显大于前者的促进作用。因此要解决球铁的皮下气孔，就要针对具体情况，逐一分析各种可能的影响因素，从而方能找出比较明显的解决途径。

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