铸铁件砂孔和渣孔缺陷的研究与防治

任现伟

(洛阳古城机械有限公司,河南洛阳 471023)

砂孔是在铸件内部或表面形成的相对比较规则的孔洞，其形状与砂粒或砂团的外形较为一致，通常分布在铸件下方和易冲砂的内浇口等附近。从高倍放大镜下目测，可见孔内有微黄色透明发亮的硅砂颗粒。对于尺寸较大的砂孔缺陷，在经过抛丸处理后，仍可从孔内掏出细小的硅砂颗粒。多个砂孔同时存在时，铸件表面呈灰色橘子皮状。

渣孔是外形不规则的暗孔或明孔，孔中局部或全部被熔渣所填塞。由于熔渣相对于金属液的比重较轻，所以渣孔一般分布在铸件上半部分、铸件顶面、内浇口附近或铸件拐角处。渣孔多以网状分布或呈现带有褶皱的不规则云彩状，也有以团絮状和片状夹层存在于铸件内部。在铸件上有时只是单个的，但聚集成片的渣孔也较为常见。另外，渣孔也是铸件形成裂纹的根源之一。

1 渣孔和砂孔的危害

不论是砂孔还是渣孔，对于铸件的危害都是不容小觑的。首先，渣孔和砂孔破坏铸件结构的连续性，使铸件整体形状不完整；其次，砂孔和渣孔减少铸件的有效承载面积，削弱铸件承受载荷的能力，可能会导致微裂纹缺陷的产生与扩展，从而引起材料宏观力学性能的劣化；此外，由于砂孔和渣孔缺陷的存在使铸件在空洞边缘极易引起应力集中，应力集中可使铸件产生疲劳裂纹，降低铸件的机械性能，甚至会发生静载断裂。

2 砂孔形成的原因

砂孔，顾名思义就是铸件中出现了硅砂颗粒或其他造型材料引起的孔洞类缺陷。我们可以从砂孔缺陷中的硅砂来源查起，以便对症施策。

2.1 原材料方面

由于原材料不合格，特别是铸铁回炉料的不合格导致砂孔产生的情况是我们经常会遇到的。目前，仍有一些铸造企业将不经表面处理的回炉料作为炉料直接投入熔炉中参与熔炼，往往这样的回炉料表面粘附有大量的硅砂颗粒。虽然有的铸造企业会采用抓起、放下使回炉料从高空落下与相互撞击的方式除去回炉料表面粘砂，目测来看，大部分的粘砂可以去除，但是我们不得不承认，还有相当一部分和金属本体粘连紧密的砂粒是不能被有效去除的。在中频感应电炉中使用这样的回炉料进行熔炼，需要消耗大量的电能，而且还要耗费大量的人力和使用过多的除渣剂，而且往往去除不彻底。因硅砂的主要成分是二氧化硅，二氧化硅的熔点高达1650℃，而铸铁的过热温度一般不超过1530℃，所以，金属液中仍悬浮有难熔的硅砂颗粒。如果这样的金属液被用于浇注，那么就会在铸件上形成微小的砂孔缺陷。

2.2 砂处理方面

很多情况下，有的铸造企业为了确保型砂的透气性，忽略了型砂的紧实率和强度。紧实率和强度偏低，特别是热湿拉强度偏低的型砂，造出的铸型往往很难经受住高温金属液重力加速度的冲击和炙烤，在浇注充型过程中，铸型局部就会被金属液破坏，金属液又会将脱落的砂粒或砂块冲到铸型的其他流速较慢的部位，于是形成砂孔缺陷。

2.3 模具方面

模具制作时，特别是浇注系统设计时，如果浇道之间的角度、方向和圆角设计的不合理，尤其是内浇口的尺寸和位置设计的不合理，就有可能使造出的铸型局部出现尖角砂，在充型过程中，这些尖角砂也很难经受住金属液的冲刷，如果这些尖角砂块被冲入铸件在型腔中的相应位置，就会导致砂孔的产生。另外，如果浇注系统没有拔模斜度或过渡圆角，也会使型腔局部强度过低，造成砂孔的产生。选择的浇口杯如果形状和尺寸不合理，也会在浇注过程中将砂粒冲入型腔中。当然，如果模具上的修补材料脱落而又没有被及时发现的话，也会导致型砂颗粒进入铸型，从而产生砂孔缺陷。

2.4 造型方面

在造型过程中，特别是在自动造型机造型过程中，往往会因为造型速度过快，而疏忽了合型前和合型后的型腔质量，如果此时模具局部粘砂或铸型局部掉砂，造好的铸型在浇注后就会在固定的位置出现砂孔缺陷。此外，造好的铸型在合型前，没有做好防护处理，很有可能使从造型机中吹出来的砂粒和其他异物落入合型前的铸型内；对于合型完毕尚未被浇注的铸型，如果没有做好防护处理，也有可能使砂粒或其他异物从浇口杯处落入型腔中，从而在浇注后形成砂孔缺陷。

2.5 浇注方面

浇注过程中充型不平稳，也会使浮于浇口杯内液面上的砂粒，直接进入型腔；如果浇注液流没有正确的对准浇口杯，就有可能将型腔以外的沙粒或砂团随金属液带入型腔，从而在浇注后形成砂孔缺陷。

3 渣孔形成的原因

渣孔是在金属液中的一些非金属夹杂物、难熔高熔点合金、金属化合物等物质在型腔中相互作用后凝固在铸件上的产物，一般都是一些金属氧化物夹渣或溶剂夹渣。对于渣孔产生的原因，我们仍然需要从来源查起。

3.1 原材料方面

如果使用的废钢和生铁等原材料氧化和锈蚀严重，甚至是含氮、氢等元素过高的原材料，特别是涂有油漆、镀铬、镀锌和含硫、含锰、含钛高的废钢都是产生渣孔的主要原因。含铝高的孕育剂、球化剂以及合金等材料，也可能导致渣孔产生。

3.2 模具方面

如果模具上的浇注系统设计的不合理，在对这样的模具造出的铸型进行浇注的过程中就会产生大量的紊流现象，金属液在型腔中还会再次氧化，并且加大氢、氧、氮等气体在金属液中的溶解度。此外，金属液互相冲击的过程中还会加大S 元素和Mn、Mg 等元素的化合反应，产生大量的MnS和MgS 等夹杂物。

3.3 熔炼和浇注器具

如果使用的熔炉、球化或蠕化包、金属液转运包以及浇注包的包衬保温材料的强度不高，耐火度不够，这些不牢固的保温材料很有可能在熔炼、转运、球化或蠕化、以及浇注过程中落入金属液中。由于这种保温耐火材料在金属液中很难做到完全被去除，所以，使用这样的金属液浇注后的铸件，其上会形成和包衬材料颜色相近的微红色渣孔。

3.4 熔炼过程

金属液在熔炼过程中会吸入大量的气体，如果金属液在熔炉内的保温时间过长，特别是过热时间偏长都会使金属液大量吸气而过分氧化，氧化过度的金属液被浇注后，就会在铸件上形成氧化夹渣。

3.5 金属液中有害元素

如果金属液中S 含量过高，就会和Mn 元素发生化学反应，生成大量的MnS 夹杂物。此外，S元素还会与球化剂或蠕化剂中的Mg 反应生成大量的MgS 夹杂物。

3.6 浇注方面

浇注过程中如果充型不平稳，也有可能在卷入气体的同时裹入大量的夹杂物，从而产生渣孔缺陷。如果捞渣不及时、不彻底，金属液中的夹渣还会与金属液一起被浇注进型腔内。如果选择的除渣剂质量太差，非但起不到除渣作用，反而会与金属液接触后造出大量的稀渣。另外，过滤网在浇注系统中放置的位置不正确，同样起不到避渣的效果。

4 砂孔缺陷的防治

4.1 原材料方面

回炉料必须经过完全抛丸处理，去除表面上的粘砂；避免使用表面粘有浮砂和缺料的砂芯。

4.2 砂处理方面

在确保型砂透气性的同时，必须兼顾型砂的紧实率和强度。避免因型砂的紧实率和强度太低，从而使铸型经不起高温金属液的冲击和炙烤而产生砂孔缺陷。

4.3 模具方面

在设计模具浇注系统的时候要充分考虑浇道之间过渡的角度、方向和圆角是否合适，确保不在横浇道、直浇道和内浇口附近造成易于冲砂的条件。还要注意浇口杯是否和模板边缘平齐，如果有落差的话，造出的铸型就会在这个部位带有片状砂翅。另外要确保模具上的修补材料没有任何脱落，从而保证模具本身不会引起铸件砂孔缺陷的产生。

4.4 造型方面

在造型过程中，要通过安装在造型机上的摄像头或反射镜观察模具上是否有粘砂现象。每次生产前，要确保造出的铸型内部没有脱落的砂粒或砂块。对于使用砂芯和冷铁的铸型，应观察砂芯或冷铁下入型腔后的状况，避免下入的砂芯或冷铁定位不准，造成合型后铸型局部掉砂。对于最先造出的已经合型完毕尚未浇注的铸型，要采用开箱检查的方法排除掉砂和挤型等现象。对于等待浇注的铸型还要做好防护措施，避免砂粒或其他异物从浇口杯、排气通道落入型腔内。

4.5 浇注方面

确保浇注过程中持续充型平稳，避免不连续浇注导致的浇口杯液面上方漂浮的砂粒被冲入型腔；每次浇注时，要确保金属液流对准浇口杯，减少或避免型腔以外的砂粒或砂团随金属液进入型腔。

5 渣孔缺陷的防治

5.1 原材料方面

不使用氧化和锈蚀严重的废钢和生铁。对于涂有油漆、镀铬、镀锌和含硫、含锰、含钛高的废钢，要经过完全抛丸或烘烤处理后，方能使用。不使用含氮、氢等元素过高的原材料。使用铝含量适中的孕育剂、球化剂以及合金材料，避免渣孔缺陷的产生。

5.2 模具方面

设计适合所生产铸件的浇注系统，使金属液在浇注系统中的流动尽量呈层流状态。

5.3 熔炼和浇注器具

筑包时使用耐火度高、强度高的炉衬和包衬耐火材料。同时，要注意炉衬和包衬的修补质量。烘烤炉衬和包衬时，要先采用小火，充分预热后逐渐将火焰调大，避免烘烤方式错误，造成炉衬和包衬发生裂缝和开裂现象。

5.4 熔炼过程

在保证金属液化学成分和足够的出炉温度后，要尽快出炉浇注，避免金属液随着熔炼时间的延长吸收过多的气体。

5.5 金属液中有害元素

尽量减少金属液中的S 含量，避免生成过多的MnS 夹杂物。此外，在保证球化率或蠕化率的同时，尽量减少球化剂或蠕化剂的使用量，以减少MgS 夹杂物和避免因残Mg 含量过高造成的缩松缺陷。此外，还应特别注意球化剂或蠕化剂中实际的Mg 含量。

5.6 浇注方面

浇注前要做到充分捞渣处理，尽量减少金属液中的夹渣物。浇注过程中持续保持充型平稳，避免金属液面上漂浮的夹渣物进入型腔中。使用除渣效果明显的除渣剂。过滤网要放在浇注系统中能够起到避渣的位置。

6 结束语

铸件表面上的砂孔和渣孔很容易被识别，但是铸件内部的砂孔和渣孔必须在精度很高的X 光等无损探伤设备下才能被发现，也有可能在机械加工的时候暴露出来。如果严重的砂孔和渣孔缺陷没有被检查出来，很有可能在最终客户使用的过程中发生安全事故。因此，不管是表面的还是内部的砂孔和渣孔缺陷对于铸造企业来说都是必须要重点关注和优先解决的缺陷类型。因此，作为铸造工作者，我们仍然还要对铸造过程中产生砂孔和渣孔的来源、形式、状态等诸多方面进行仔细的剖析，才能在此基础上进一步避免和减少此类缺陷的产生，为研究和生产优质铸件提供更多的实际参考价值。