對影響球墨鑄鐵件皮下氣孔的各種因素分析表明，鐵液中氣體的產(chǎn)生有其必然性，通過減少氣體的發(fā)生量以防比皮下氣孔的方法并不是都能奏效。基于此，提出了利用石墨化膨脹將已經(jīng)產(chǎn)生的氣體排擠出鐵液來消除皮下氣孔，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
1、問題的提出
我公司是一家美商獨(dú)資生產(chǎn)線路金具的企業(yè)，其產(chǎn)品主要用作高壓輸電線路上的掛具。產(chǎn)品材質(zhì)為QT400-18，鐵素體占基體85%以上。鐵水在0.5 t中頻感應(yīng)爐中熔煉，出爐溫度1450 ℃。用稀土鎂球化處理，加入量14%；用75Si-Fe孕育，加入量為0.8%。三明治式?jīng)_包處理，8min內(nèi)澆注完畢，最后一勺包澆注試棒檢驗(yàn)力學(xué)性能。濕型砂手工脫箱造型。生產(chǎn)中，鑄件易產(chǎn)生皮下氣孔，一般位于鑄件表面下0.3-2mm處，呈細(xì)小的圓形或橢圓形孔洞形式，直徑多在1-3mm，常常導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。
傳統(tǒng)做法是通過減少氣體的生成量來防止皮下氣孔的產(chǎn)生，所采取的主要措施有：
(1) 降低濕型砂含水量
徐建林認(rèn)為型砂的含水量應(yīng)控制在5.0%以下，因?yàn)樵阼F液與鑄型界面上有反應(yīng)式：
Me+H2O→MeO+H2↑
MgS+H2O→MgO+H2S↑
其中Me代表Fe、Mn、Mg等金屬元素，當(dāng)蒸汽壓達(dá)到一臨界值時(shí)，會(huì)形成皮下氣孔。文獻(xiàn)中說明，型砂的水分高于5.0%并不一定產(chǎn)生皮下氣孔，在實(shí)踐中，我們也發(fā)現(xiàn)有這樣的現(xiàn)象。
由于線路金具要求每個(gè)鑄件上應(yīng)標(biāo)識產(chǎn)品名稱、生產(chǎn)廠家及生產(chǎn)日期，過低的含水量降低型砂對這些標(biāo)識的復(fù)制性，因而我們一般使用的型砂含水量在48%-5.5%之間。
(2) 加強(qiáng)型、芯的排氣
砂芯采用覆膜砂熱硬化法生產(chǎn)，澆注后產(chǎn)生大量氣體。為此，在砂芯中設(shè)有排氣孔，且使芯頭外露，以達(dá)到出氣良好的目的。為加強(qiáng)砂型的排氣，要求砂型的緊實(shí)度要低，鑄型表面硬度控制在60-70(硬度計(jì)為A型)，且在砂型上都扎氣眼，采用半開放半封閉式澆注系統(tǒng)，使得型內(nèi)氣體在鐵水充型過程中有足夠的時(shí)間外逸。
(3) 夾雜物
熔渣在鐵液中對氣孔的形成起非自發(fā)形核的作用，使各類氣體依附并長大，且一起上浮，形成皮下氣孔。在珍珠巖集渣的基礎(chǔ)上，我們采用避渣網(wǎng)結(jié)合合理的澆注系統(tǒng)已可有效地?fù)醭墼拌F水在澆道中的沖蝕物，使夾雜物的危害性降到最低程度。
(4) 鎂、鋁、鈦
殘余鎂含量應(yīng)在保證球化良好的情況下小于0.05%，鑄件的鋁及鈦含量應(yīng)控制在0.03%和0.01%以下，否則易產(chǎn)生皮下氣孔。為此，我們對這3種元素做了化驗(yàn)，即使在有皮下氣孔的鑄件中也沒有發(fā)現(xiàn)超出此范圍的。
(5) 磷、硫、錳
經(jīng)化驗(yàn)，P、S都在0.02%以下，錳在0.2%以下，這些因素的影響也已降低到很低水平。
通過采取以上措施，將能夠產(chǎn)生氣體的各種因素都已被控制在很低水平，但在實(shí)際生產(chǎn)中，皮下氣孔現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。因而，我們認(rèn)為，解決皮下氣孔問題不應(yīng)只是減少氣體的發(fā)生量，而且應(yīng)想辦法將已經(jīng)產(chǎn)生的氣體排擠出鐵液以防止皮下氣孔的產(chǎn)生。為此，我們提出了利用石墨化膨脹來消除皮下氣孔的設(shè)想。目前在這方面的研究尚未見專門報(bào)道，本文提出了解決皮下氣孔問題的新思路。
2、石墨化膨脹消除皮下氣孔的原理
(1) 氣體的產(chǎn)生溫度
將各種產(chǎn)生氣體因素控制在很低程度并不代表就不產(chǎn)生氣體，實(shí)際上述反應(yīng)仍在進(jìn)行，只是生成氣體的量較少而已。因?yàn)闅怏w大多在鐵水處于較高溫度時(shí)產(chǎn)生，加之鐵液內(nèi)部存在各種夾雜，使得氣體得以長大成為氣泡，氣泡因密度小而上浮，如果長時(shí)間維持此溫度，則氣泡可完全逸出鐵液而從型砂中排出。對于厚大鑄件，這是有可能的。線路金具的壁厚都較小，冷卻速度快，氣泡則沒有足夠的時(shí)間逸出。
(2) 石墨化膨脹的三個(gè)階段
對球墨鑄鐵而言，石墨化膨脹的第一階段發(fā)生在1230℃到共晶轉(zhuǎn)變(1150℃)前，這是由于石墨是穩(wěn)定相，其本身熔點(diǎn)高，過冷度相對較大，而造成其先于碳化物生成。
先生石墨球必然會(huì)導(dǎo)致鐵液的體積脹大，而整個(gè)鐵液因溫度下降已產(chǎn)生液態(tài)收縮，脹與縮的共同作用必使鐵液內(nèi)部壓力升高。此時(shí)鐵液并無任何強(qiáng)度可言，壓力升高不可能通過排開型砂使型壁外移得到釋放，釋放途徑只可能是排擠液體中的氣泡使之逸出鐵液或排擠型腔中的液體使之沿內(nèi)澆口回到澆注系統(tǒng)中，實(shí)際上這兩種情況都是有可能的，我們可采取增加壓力頭來抑制第二種可能的進(jìn)行，促使第一種可能得以很好實(shí)現(xiàn)。
石墨化的第二階段即共晶石墨產(chǎn)生階段，由于液流通道仍未完全堵塞，石墨化膨脹擠出氣泡也是有可能的，但由于此時(shí)奧氏體枝晶骨架已形成，熔體具有了一定的強(qiáng)度，將排開型砂使型壁外移而對擠出氣泡沒有太大貢獻(xiàn)。
固態(tài)時(shí)，沒有新的氣體生成，也無逸出通道，故此時(shí)的石墨化膨脹對消除皮下氣孔無貢獻(xiàn)。
3、實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果
眾所周知，C、Si都是促進(jìn)石墨化的元素，硅能固溶于鐵素體，使基體得到強(qiáng)化。因此，球鐵石墨化膨脹的程度與C、Si含量有關(guān)，為使其具有所需的膨脹量，需對其含量作必要的調(diào)整。高C低Si是生產(chǎn)球鐵的原則，對于鐵素體球墨鑄鐵，Si量可高些，但Si增加會(huì)導(dǎo)致韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，所以Si量應(yīng)控制在2.7%以下。我們通過改變廢鋼加入量來調(diào)整含C量。在采用傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，我們選用不同的C、Si含量的球鐵進(jìn)行皮下氣孔實(shí)驗(yàn).
從表中可看出：隨著CE的增加，皮下氣孔率降低，據(jù)表1推算，在4.55%以上時(shí)可完全避免皮下氣孔的產(chǎn)生，即碳應(yīng)在3.65%以上。
4、結(jié)束語
球墨鑄鐵易出現(xiàn)皮下氣孔，僅僅依靠減少氣體的發(fā)生量來防止皮下氣孔的做法是有局限性的。這些在鐵液中或在與鑄型的界面反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體是不可避免的，更因其產(chǎn)生機(jī)理的復(fù)雜性，給生產(chǎn)控制帶來困難，因此，在盡量減少氣體發(fā)生量的同時(shí)，調(diào)整C、Si含量，可以利用石墨化膨脹將這些已經(jīng)產(chǎn)生的氣體排擠出鐵液。實(shí)驗(yàn)證明碳當(dāng)量CE在4. 55以上（對中小件）時(shí)可以消除皮下氣孔。
