铸钢桥壳铸件气孔形成与解决

应用技术——铸钢桥壳铸件气孔形成与解决　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1/1998中国铸造装备与技术

铸钢桥壳铸件气孔形成与解决

齐兰成(重庆市:400900　四川汽车制造厂铸造分厂)

摘　要:分析认为, 浇注初期前端钢液的污染和滞留是形成铸钢桥壳铸件气孔缺陷的主要原因, 采取使首入钢液溢流和冲流的措施可解决这一问题。

主题词:桥壳铸件　气孔　钢液　氧化　污染

　　本文所指的桥壳为四川汽车制造厂生产的“红岩”重型汽车的后驱动桥桥壳。其材质为ZG25M n, 毛坯重168kg , 外形最大尺寸为:1530mm ×390mm ×286mm , 一般部位壁厚15mm , 其法兰为截面尺寸46m m ×31m m 的八边形, 两端为半轴套筒, 内孔 91mm , 壁厚31. 5mm , 属中等壁厚的壳体铸件。

铸造工艺条件:湿型砂抛砂造型, 水玻璃砂手工制芯, 3t 碱性电弧炉熔炼。

铸造工艺设计特点:中间分型, 套筒两端5、6内浇道分型面引入钢液, 中间1#、2#、3#、4#内浇道底注, 法兰开口朝下(见图1)

。

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10mm 不等, 呈密集分布, 排列方向大体与铸件表面垂直, 其中一部分尺寸较大, 深度较深, 总体看为皮下气孔。经观察统计发现, 这一气孔有明显的规律

性, 此废品量约占该件废品量的20%～25%, 问题十分突出。为此, 结合铸件的结构特点, 从分析气孔形成的原因入手, 提出工艺改进措施。1　气孔的形成

根据气孔形状、分布与该件铸造工艺分析, 认为气孔形成的主要原因是由于初期浇入砂型的钢液(最先进入型腔的前端钢液, 下面简称首入钢液) 与湿的铸型在型-液界面的作用特别强烈, 二次氧化和气体侵入使首入钢液的气体和氧化物含量较高, 钢液被污染所致。关键因素是首入钢液在套筒两端及法兰边背向浇注系统一边滞留, 而流距较长, 一方面加重了二次氧化, 使钢液中气体含量较高; 另一方面, 热量损失较多, 温度较低, 钢液的气体溶解饱和度降低, 粘度增加, 使气体易于析出, 不利逸出, 从而形成气孔。

1. 1　首入钢液界面被二次氧化造成反应性气孔1. 1. 1　被砂型中的水蒸气二次氧化

在钢液高温作用下, 湿型铸造砂型中较多的水分(4. 5%～5. 5%) 、膨润土中的结晶水都迅速蒸发, 成为水蒸气, 体积显著增大, 如1mg 水在1365℃时产生7. 44m L 水蒸气。常温的砂型未被钢液烤灼, 水分迁移作用很弱, 首入钢液对它的热作用尤为强烈。

在这一过程中, 产生的水蒸气直接分解为氢和

1　青岛铸造机械厂抛丸器实验小组. 500毫米高效抛丸器试验总

结. 铸造机械, 1978(1)

2　第一机械工业部编. 国外机械工业基本情况・铸造机械分册.

第一机械工业部技术情报所, 1978.

3　机械工业部济南铸造锻压机械研究所编. 国外机械工业基本情

况・铸造机械分册. 北京:机械工业出版社, 1986.

4　徐顺庆, 宋遵奎. 国外机械工业基本情况・铸造机械分册. 机械工业出版社, 1994.

5　刘树藩主编. 铸造机械设计基础. 北京:机械工业出版社, 1990. 6　黄锡恺, 郑文纬主编. 机械原理. 北京:高等教育出版社. 1986.

图1　桥壳铸造工艺简图

由以上工艺生产的铸件毛坯, 经机加工后在法兰边背向内浇道一边(如图1ab 段) 和套筒端口的侧

面和外圆面上, 暴露出严重的气孔缺陷。气孔形如针状和蝌蚪状, 表面光滑, 直径约1～3mm , 深1～

收稿日期:1997—06—04

(上接第20页) 　　b . 螺旋分丸轮从根本上改变了弹丸的输送方式, 克服了传统分丸轮供丸能力严重不足的缺点, 尤其是无内筒的螺旋分丸轮能够大幅度提高抛丸量和抛丸率。

长度是其关c . 螺旋分丸轮螺旋叶片的螺旋角、键的结构尺寸, 其最佳值必须通过进一步的试验和理论分析来确定。

参　考　文　献

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氧是困难的。原因是钢液在1600℃左右状态下对水蒸气作用分解为氢和氧的平衡常数很小(K p =9. 6×10-3) , 水的分解反应:

2H 2O →2H 2+O 2

(1)

难以进行。但此时不稳定的水蒸气很容易氧化其它元素。处于界面处不稳定的高温水蒸气, 除大部分在铸型中的温度差(温度梯度) 和压力差(压力梯度) 的作用下通过铸型排出外, 其余部分或是侵入金属液内, 或与钢液中以铁为主的元素发生化学反应:

Fe+H 2O →FeO+2H Si +2H 2O →SiO 2+4H M n+2H 2O →MnO 2+4H 2Al +3H 2O →Al 2O 3+6H C+H 2O →CO+2H

(2) (3) (4) (5) (6)

腔内铸型表面所含的水分经高温气化, 钢液处于强烈的氧化气氛之中, H 2O 、O 2与钢液中的Fe 、Si 、C 、M n 、Al 等特别是Fe 元素发生反应, 致使首入钢液被二次氧化污染。由于桥壳结构和铸造工艺的原因, 无论是到达套筒两端的首入钢液, 还是进入法兰边背向浇注系统一边的首入钢液, 流过的距离都很长, 二次氧化较严重。而这之后型腔内铸型表面水分大量蒸发迁移, 气体大量排出型外, 参与化学反应(11) 、(12) 的CO 2随之减少, O 2与水蒸气也被消耗。相反, 在钢液的高温作用下, 由于砂型中的糊精等有机物的燃烧及其它化学反应, 使CO 浓度大量增加。这样氧化气氛减弱, 还原气氛增强, 钢液二次氧化难以进行。还原气体的存在可以从浇注中、后期从铸型出气孔排出的气体的迅速燃烧得到证明。1. 1. 4　形成反应性气孔

钢液被水蒸气二次氧化, 在钢液界面产生各种氧化物如FeO 、SiO 2、M nO 2、A l 2O 3等固体质点, 气体依附这些质点形成气泡。反应生成的CO 也能容易地在晶体界面形成CO 气泡核心。随着各种气体浓度的不断增加, 液相中的氢氧和未成核的CO 等气相成分均向气泡扩散, 就会依附钢液中已有气泡核心和界面新产生的非金属夹杂物等非自发气泡核心随着金属的结晶, 沿枝晶间长大, 形成气孔。1. 2　气体侵入首入钢液严重, 造成侵入性气孔

湿型铸造砂型具有较高的水分, 水分在蒸发迁移前, 由于钢液的热作用气化强烈, 型-液界面气体瞬时压力很高, 高压水蒸气直接侵入首入钢液是产生气孔的另一个主要原因。

钢液充满型腔前的界面钢液静压力P j 为:

P j = ×h +p q

式中　 ——钢液密度

　h ——型壁与钢液上液面相对高度　p q ——钢液上液面型腔气体压力型-液界面气体压力总和∑P G 为:

钢液进入型腔后与铸型界面发生二次氧化反应生成的氢在钢液表面层的浓度不断增加, 液相界面前沿易形成过饱和的气体和很高的气体析出压力。一方面原子氢会聚合成分子氢, 它在铸型中的温度差和压力差的作用下通过铸型排出。另一方面, 在界面上较高的氢分压状态下反应产生的原子氢被钢液吸附, 并向钢液内扩散从而增加了钢液中氢的浓度。首入钢液的这一作用是强烈的。随着型腔表面水分的迁移, 表层水分含量减少, 钢液的这一作用减弱。1. 1. 2　被型腔内空气中的氧二次氧化

首入钢液在经过直浇道、横浇道、内浇道进入型腔的过程中与浇注系统、型腔内及砂粒间空气中的氧气发生反应生成FeO :

2Fe+O 2→2FeO

(7)

1. 1. 3　界面上的其它反应

砂型中的有机物如糊精等, 在钢液的高温作用下被氧化燃烧, 生成CO 2↑:

C +O 2→CO 2

(8)

2C +O 2→2CO (9) 2CO+O 2→2CO 2(10) 反应生成的CO 2一部分排出型外, 一部分在界面与钢液中的Fe 和FeO 发生如下反应:

CO 2+Fe →FeO+CO CO 2+2FeO →Fe 2O 3+CO

(11) (12)

∑P G =P H 2O +P H 2+P N 2+P CO +P CO 2+…

式中　P H 2O ——水蒸气分压力

　P H 2——氢气分压力

　P N 2——氮气分压力　P CO ——CO 分压力　P CO 2——CO 2分压力

钢液进入型腔前的型腔表面型砂中的水分保持了这之后的最高含量。首入钢液进入常温状态下的型腔后, 在高温作用下, 正如前面所述1m g 水在1365℃时可产生7. 44mL 水蒸气, 未得到迁移的砂型中的水分、常温状态下的砂粒间的空气被高度过

本反应及被水蒸气和氧气二次氧化生成的FeO, 由于首入钢液凝固速度较快的原因难以扩散,

只增加了钢液表面层的浓度。在钢液凝固时与结晶前沿枝晶内产生浓度偏析的[C ]发生还原反应, 生成CO ↑:

FeO+C →Fe+CO ↑(13) 浇注初期阶段, 型腔内空气中的氧气被加热, 型

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热迅速蒸发、膨胀, P H 2O 极大、P H 2、P CO 、P CO 2较大, 型-液界面气体压力总和∑P G 很高。型壁砂粒之间的空隙中同时形成许多小气泡, 并向外扩大。此时型-液界面与钢液上液面相对高度h 较小, 由于明冒口、出气孔的存在, 钢液上液面型腔气体压力P q 也相对较小, 使得界面钢液静压力P j 较小, 这样界面钢液的总压力也较小, 界面气体总压力与之相比却很大, 气泡从界面侵入钢液中。又由于钢液的滞留和较多的降温使得气体不能从首入钢液在铸件本文所述的气孔产生部位得以逸出, 从而形成侵入性气孔。而在首入钢液之后, 在砂型的其它部位情形就不一样了。一是前面已论述过, 型腔表面砂型中的水分由于蒸发迁移; 二是砂型砂粒间的空气过热程度降低, 气体膨胀作用极大地减小, 这样界面气体总压力∑P G 降低, 钢液界面压力增加、热量损失减小和钢液处于流动状态带来搅拌作用, 使得气体一方面不易侵入, 另一方面容易上浮逸出。

首入钢液并非一定会在铸件中产生气孔缺陷。无论反应性气孔, 还是侵入性气孔, 当钢液在型-液界面处于流动状态时, 由于钢液表面张力的变化及流动带来的搅拌作用, 这些气泡将会脱离界面或从钢液中逸出, 只要流距较短、降温较少、不出现滞留, 并不会造成铸件的气孔缺陷。否则将会造成气孔缺陷。对于桥壳来说, 首入钢液两端套筒端口和法兰边背向浇注系统一边流动距离都较长, 这样一是流动过程中二次氧化和气体侵入都较严重; 二是到达这两处后降温较多, 气体饱和溶解度降低, 而粘度增加; 三是由于套筒端口处于铸件的两个极端, 而法兰边背向浇注系统一边处于浇注位置最低处, 从两个方向来的钢液在这里相向汇集, 因此产生了首入钢液的滞留, 致使钢液中气体易于析出, 难以逸出。2　防止与解决

从桥壳法兰与套筒端口部位气孔形成的机理分析看, 解决问题的关键就是处理好被污染的首入液。为此采取了溢流和冲流的工艺措施(见图2) 。a . 设置溢流冒口将首入钢液溢出。如图2所示, 在法兰边背向浇注系统一测设置了溢流冒口M 10。溢流冒口的大小等于法兰体积, 使得经法兰两侧向法兰边、背向浇注系统一边汇集的中间四道内浇道的首入钢液溢出铸型。

b . 在横浇道端头增设了M 8、M 9两个溢流冒口, 使进入套筒两端的首入钢液在进入铸型前首先被溢流。

#

6#内浇道从距套筒端口100m m c . 将两端5、

参　考　文　献

1　李弘英. 铸钢件的凝固和致密度的控制. 北京:机械工业出版

社, 1985.

2　李魁盛. 铸造工艺及原理. 北京:机械工业出版社, 1987. 3　李庆春. 铸件形成理论基础. 北京:机械工业出版社, 1988. 4　美国铸造工程师协会编. 铸件缺陷分析. 武达兼, 陈嵩生译. 机械工业出版社, 1982.

图2　改进后的桥壳工艺简图

处改到25mm 处, 并将分型面水平引入变为套筒下部底注, 使原来滞留的钢液流动起来。一方面带来的搅拌作用宜于气孔逸出; 另一方面首入钢液上溢到

明冒口M 1、M 2中, 解决了钢液滞留问题。

溢流冒口和底注冲流措施实施后, 前述气孔缺陷便消除了。实践证明本文对气孔形成原因之分析是正确的。

首入钢液形成气孔的机理与解决措施在四川汽车制造厂吊耳支架、平衡轴支座等铸钢件上多有应用, 均取得了明显效果。

3　小结

铸钢件湿型铸造工艺中, 首入钢液极易被二次氧化产生的反应性气体和侵入气体污染。由于桥壳本身的结构特点, 首入钢液流距过长, 污染加重, 热量损失较大, 温度降低较多, 在法兰边背向浇注系统一边和套筒两端——首入钢液可到达的铸件死角和钢液滞留部位——将产生气孔缺陷。采取使首入钢液溢流和冲流的措施可解决这一问题。

此外, 对于中小型铸钢件的湿型铸造首入钢液易在铸件死角处产生气孔缺陷的问题, 应引起充分重视, 可通过采取如下措施解决: 设置溢流冒口。这项措施主要针对宜于安放溢流冒口的铸件。冒口的大小根据缺陷产生部位局部结构体积相等考虑。 底注。这项措施适用于底面为非平面或平面较小的铸件。 内浇道尽量置于铸件端头、死角, 避免钢液滞流。! 对于回转体、盘类铸件, 应切向引入钢液, 以利于钢液处于流动状态, 使气体上浮逸出。