铸钢件气孔缺陷的分析及预防研究

张俊丰

（中海油能源发展装备技术有限公司机电技术服务中心，天津 300452）

0 引言

铸钢件是指用铸钢制作的零件，由于铸造工艺原因在铸造的过程中易出现气孔缺陷，不仅极易影响铸钢件的产品品质，而且会极大地降低铸钢件的结构强度，在长期使用中就有可能出现受力断裂等，极大地影响了铸钢件的使用安全。根据统计目前铸钢件的浇注合格率仅95.4%，为了提升浇注质量，一般通过优化浇注流量等方式来进行生产，但在实际使用过程中发现该方式不仅对铸钢件一次合格率的提升有限，而且极大地影响了铸钢件的生产效率，难以满足铸钢件高效、高质的实际生产需求[1]。

根据对铸钢的整个工艺流程分析，铸钢过程中的气孔主要是铸钢型腔内未排出的空气在浇注时浸入钢液内导致的，而在实际生产中铸钢件内的空气实际上很难完全排空，因此需要从铸钢件气孔缺陷和形成的原因进行入手，针对性地进行专项预防。根据实际应用表明，优化后铸钢件的一次生产合格率提升到了97.4%，铸钢件内的气孔数量可以降低67.3%，对提升铸钢件的生产稳定性和可靠性具有十分重要的意义。

1 铸钢气孔缺陷分类

铸钢在生产过程中会受到多方面因素的影响，均会对铸钢气孔的形成产生一定作用，根据对铸钢件气孔缺陷形成的机理和表象，将铸钢的气孔类别分为侵入型气孔缺陷、卷入型气孔缺陷、析出型气孔缺陷、反应型气孔缺陷四种[2]。

通过对各种铸钢气孔缺陷的分析，侵入型气孔缺陷数量占据了整个气孔缺陷的76%以上，卷入型气孔缺陷占据气孔缺陷数量的约14%，析出型气孔缺陷占据整体缺陷数量的7%，反应型气孔缺陷占据整体缺陷数量的3%，各种气孔缺陷的表象如下。

1.1 侵入型气孔

在铸造过程中，由于水分的蒸发、有机物的燃烧等形成了大量的气体，其中部分的气体能够通过砂型模具溢出，而还有部分的气体则无法通过砂型模具溢出，导致这些气体逐渐的集聚在铸钢液和型腔的内表面处，铸钢液在逐步凝固的过程中，就会在表面形成明显的表面空洞，其结构如图1-1 所示。

图1 铸钢气孔示意图

1.2 卷入型气孔

卷入型气孔是指在浇注过程中，铸钢溶液把空气卷入到金属溶液中，随着铸钢液的逐渐凝固，在金属内的空气无法及时排除，因此在铸钢件的内部形成了典型的气孔，其主要出现在铸件的中上部区域，而且气孔的体积相对较大，气孔内表面光滑。

1.3 析出型气孔

析出型气孔是指在浇注过程中，卷入到铸钢溶液中的空气在外界因素的作用下其溶解速度逐渐发生变化，在凝固的阶段的冷却环节，会有部分的气体析出，进而影响到铸钢的凝固。析出型气孔的尺寸相对较小，而且会密集地分布在铸件的表面，呈针状或者小椭圆状，其结构如图1-2 所示[3]。

1.4 反应型气孔

主要是指金属液体成分之间发生变化，导致在铸钢表面下层产生气孔的现象。所产生的气孔主要分布在铸钢表面下层约2 mm 的位置，从外表无法发现内含气孔，只能通过特殊的探测设备进行探测。

2 铸钢气孔缺陷的预防

根据以上分析，侵入型气孔缺陷和卷入型气孔缺陷是导致铸钢生产效率低、质量一致性差的关键因素，占据了气孔异常的90%以上[4]，因此本文重点对气孔异常的控制方案进行研究，降低气孔缺陷数量，提高铸钢生产合格率。

2.1 侵入型气孔缺陷预防

根据上文所分析的侵入式气孔的形成机理，可以从减少产生气孔的气体压力、加大进入注浆液内的阻力并增强气体在金属液中的析出能力三个方面进行优化[5]。首先可以利用粗糙度较大的原砂来制作砂型芯，增强气体的可渗透性。其次可以在砂型芯中排布一些细微的通气孔，人为地提高砂型芯的可透气性。若通过以上优化措施，均无法满足注浆液浇注时的排气需求，则可以在砂型芯上增加芯头增加砂芯的排气能力。总括起来就是要提高砂型芯的透气性，从而满足浇注时快速排气的需求，降低在浇注过程中的侵入型气孔缺陷，增设芯头的改善方案如图2 所示[6]。

图2 砂型芯增设芯头改善示意图

2.2 卷入型气孔缺陷预防

该缺陷是在浇注过程中，铸钢溶液把空气卷入到金属溶液中产生的，因此重点是在浇注过程中要保证浇注的平稳性，避免造成铸钢液的剧烈翻腾。同时项目组还从铸钢液浇注工具入手，将传统的圆柱形的浇注漏斗更改为不同心的锥形浇注结构，从而有效地降低在浇注过程中浇注液在漏斗内的转动，减少浇注液的翻腾，新型浇注漏斗结构如图3 所示[7]。

图3 新型浇注漏斗结构示意图

为了进一步降低浇注液在漏斗内的旋转，可以在漏斗底内设置十字形金属网片[8]，对浇注过程中浇注液的变化姿态进行修正，提高浇注的稳定性。

析出型气孔缺陷。主要可以通过保证在浇注过程中内外部的压力差来实现，降低气体析出对铸件产品质量的影响[9]。

3 应用实例分析

某大型构件，采用了铸钢生产工艺，但在批量生产中发现构件内出现气孔的比例达到了90%以上，且以侵入型气孔缺陷和卷入型气孔缺陷为主，大的气孔直径约为0.5 cm，小的约为0.1 mm，当对表面进行抛光或者喷砂处理后，在表面上出现大量的麻点，不仅极大地影响了产品的外观，而且还降低了产品的结构强度，根据质量控制部门的统计，该大型构件的一次合格率仅95.4%，平均分布气孔数量约为147 个，难以满足品控需求。

当采用新的工艺，对铸件浇注过程进行控制后，该大型构件的一次合格率提升到了97.4%。平均气孔数量约为48.1 个，比优化前降低了67.3%，极大地提升了铸钢件生产的效率和质量，目前已经在多个冶金生产企业投入了应用，取得了极好的应用效果。

4 结论

针对铸钢在生产过程中气孔数量多，生产质量一致性差的不足，在对铸钢件内气孔类型和成型原因进行分析的基础上，针对性地提出了改善砂型芯结构、开发新的浇注工装、保证浇注过程中的压力差平衡等优化措施，根据实际应用表明：

1）铸钢的气孔类别分为侵入型气孔缺陷、卷入型气孔缺陷、析出型气孔缺陷、反应型气孔缺陷四种。其中侵入型气孔缺陷和卷入型气孔缺陷占据了90%以上。

2）通过提高砂型芯的透气性，满足浇注时快速排气的需求，能够有效降低在浇注过程中的侵入型气孔缺陷率。

3）采用锥形浇注结构能够降低在浇注过程中浇注液在漏斗内的转动，从而有效的降低卷入型气孔缺陷率，优化后铸钢件的一次生产合格率能够提升到97.4%，铸钢件内的气孔数量可以降低67.3%，极大地提升了铸钢件的质量。