灰铸铁常见的冶金缺陷

1、 灰铸铁中常见的冶金缺陷引言 虽然冶金缺陷只占多铸造厂产品缺陷的很小一部分，但要分析其原因和采取正确的措施却是及其费时和昂贵的。在本文中将根据艾肯研发中心的案例研究来描述一些最普通的冶金缺陷。在任何缺陷的检查过程中，必须拥有良好的设备以便为正确的分析缺陷形成原因提供足够的信息来避免错误，特别是当认为是主要原因的时候。其它的缺陷，像魏氏体石墨，就需要高放大倍数的显微镜。1.氢引起的针孔 氢气孔可能是代价最为高昂的一种缺陷，因为一般它们在机加工后才显露出来，在灰铁和球体都会出现，常以圆球状出现在铸件表皮之下。由于气孔的内壁被石墨所覆盖，因此检查的时候气孔内壁是黑色和发亮的。这种气孔内壁石墨的析出导

2、致了气孔外壁产生了石墨的耗尽的区域，这些图片显示在图1当中。有几种因素能够引起单个的氢或成片的氢气针孔，最主要的原因就是铁液中的Al或钛与来自型砂、潮湿的工具，或潮湿的耐火材料中的水汽发生反应。水汽的其它来源可能是湿的空气或者被有污染的炉料、铁锈，型砂中积聚的死粘土也会使型砂的水分升高. 机加工暴露出的氢气孔 具有内壁石墨膜的特写氢气孔图1 氢气针孔 通过将铁液中H的含量限制在200ppm以下和最大程度的减小Ti含量和防止氢气孔的出现和减少其发生的几率。对废钢的仔细控制、避免使用蠕墨铸铁的回炉料（如果用Ti生产）和去除带釉的废钢有助于减少氢气孔的的产生。一些生铁也含有较多的Ti。应该采取措施来

3、使所用的耐火泥和涂工刷涂料具干燥，并向砂处理系统中加入足够的新砂来阻止死粘土在型砂中的累积。型砂中的水分最好低于3%，在浇注之前，芯子和涂料必须完全干燥和熟化。现在已经注意到提高浇注温度和提高碳当量能够减少这种特殊缺陷的发生几率。2.氮气孔氮气孔缺陷可能在铸件表面或皮下出现，图2是经过昂贵的机加工后处理后在铸件皮下发现的氮气孔，氮气孔更容易在中等壁厚的铸件和靠近使用树脂粘结剂的芯子和造型材料。氮气孔和裂隙状氮气孔一般形状不规则（与圆的的氢气孔相比较），垂直于铸件表面，可深入铸件表面以下几个mm。氮气孔内部都有连续的或者不连续的石墨析出膜，与这种析出膜相连的就是周围已经脱碳的基体组织，图2清楚的

4、显示了这一情况，这这幅图片中还能看到伸进N气孔壁内部的树枝状凸起。有时石墨会变得短而厚，这是氮含量高的典型信号。 系统中氮含量高是造成裂隙状氮气孔的主要原因，在冲天炉熔炼铸铁中，高的氮含量来自于炉料中高比列的废钢，熔化这些废钢需要较多的焦炭；在电炉熔炼当中，则是使用了质量差的氮含量高的增碳剂；在制芯和造型中使用树脂粘结剂也可能导致但在铸件的局部累积，特别是在潜在的热节处。灰铸铁经过机加工后出现的氮气孔 氮气孔周围石墨耗尽区域的特写 图2：氮气孔 一般情况下应把薄壁铸件中N的含量限制在120ppm以内，中厚壁的含量限制在80ppm以内，在没有芯子的铸件截面附近一般不会出现N气孔，此外，对认真的选

5、择原材料也能减少N气孔的出现。Ti和Zr能够中和N的有害作用，但是使用Ti是要小心，因为如前面讨论的那样，在较高的Al含量和水的含量下，Ti的存在易使铸件产生氢气孔。提高浇注温度和增加碳当量有助于减少氮气孔缺陷的发生几率。 一般情况下，很难区分出氢气孔和氮气孔，分析缺陷试样有助于显示控制元素的是否在合理的范围之内，然而有时也会出现具有氢气孔和氮气孔特征的，在这种情况下，这些元素对形成氢气孔和氮气孔起了共同的作用，因此必须采取严密的控制措施来检查缺陷的发生原因。3.一氧化碳气孔 CO气孔是灰铸铁中第三种常见的气孔缺陷，图3显示了典型的CO气孔缺陷的例子，这种缺陷经常能够在铸件皮下看见。像这儿描述

6、的CO气孔直径有几个mm，在的铸件中，大的CO气孔可以塞进一只拳头，其内部常有渣或者硫化锰渣，在其内部也能发现伸进内壁的突出物。灰铸铁中的表面渣孔 聚集的渣的特写图3 一氧化碳气孔 造成这种缺陷最普通的原因就是铁水包和出铁口内的铁液没有清理干净，这将导致较低的浇注温度和MnS渣或者氧化物渣在下一包中铁水的聚集。最终这些渣多到一定量就会发生下面的反应：MeO + C = Me = CO通过完全清理浇包和出铁口，使用干净的浇包和阻止渣在铁液中的累积，增加浇注温度也会对减少CO气孔会有所帮助。4.收缩缺陷图4 显示的例子是典型的收缩缺陷，缩孔的内壁表面有点型的树枝张枝晶，但是内壁没有石墨膜，石墨膜的

7、出现一般与铸件的气孔缺陷有关。如图描述的收缩缺陷出现在铸件热节的中心，该处铸件较小的圆角和不良的浇注系统设计促使形成了此缺陷，此外热节周围松软的砂型对此缺陷的形成也起了一定的作用。 实际上，在铸件上发现的大部分的收缩缺陷的原因都归因于松软的砂型，除此之外，还有几种收缩形成的原因：A.厚壁处的铸件补缩不良或内浇口不够B.低或者碳当量低，从而造成在凝固过程中没有足够的较低密度的石墨析出来抵消凝固过程中的收缩。C.铸型没有夹紧或者压铁重量不够造成抬箱D.孕育不足和过量孕育也能导致收缩缺陷。前一种情况导致了没有足够的石墨析出，而后一种情况导致了过多的共晶团，太多的共晶团也能导致共晶团之间的缩松。E.含

8、硫量超过0.1%也能促进缩松缩孔的形成，较高的浇注温度也一样。图4：热节收缩缺陷5. 晶间碳化物现在的铸造产业必须面临所使用的废钢质量下降的问题。现在铸造厂所使用的废钢的微量元素含量比以前更高了，这就导致了出现晶间碳化物发生几率的增加。在厚壁铸件中应特别注意这种情况，厚壁处较长的凝固时间使有害元素如Mo、V、Ti、Cr、Mn在晶界上析出和聚集。在某种情况下，增加孕育剂使用量和使用强效孕育剂可以冲淡碳化物成元素，从而避免碳化物的形成，但是应注意到碳化物元素形成碳化物的效果是累加的。另外对于有些碳化物形成的碳化物，如Cr和Mo，是不能通过随后的热处理来消除这些碳化物的。通过控制原材料特别是废钢以及

9、优化孕育剂的加入方法可以避免晶间碳化物的产生。增加碳当量也有助于稀释有害的微量元素。图5：晶界附近的碳化物6. 魏氏体石墨 图6显示了经典的魏氏体石墨组织。这种组织-有时也被称作短棒状石墨-当微量元素如pb、Bi、Sb的含量高时易在铸铁组织中发现。 特别是铸件的壁厚比较大时，在有氢的存在条件下，Sb促进魏氏体石墨的形成。Bi和Sb的作用一样。产生这种石墨的普通原因就是Pb，当铅的含量为0.0005%时就有可能促进魏氏体石墨的形成。 一般情况下铅来自于废钢种的易切钢，被油污染的废料、带有搪瓷的废钢，镀锌铁板、或被轴承合金污染的废钢，使用废弃的含铅汽油发动机作为回炉料也是铅的一个来源。 魏氏体石墨

10、对灰铸铁的力学性能有着灾难性的影响，石墨上的尖钉起着裂纹的作用，极大的降低了灰铸铁的抗拉强度。用电炉熔炼时铅的含量会上升，而用冲天炉熔炼时则很少出现这种状况，因为铅在加入的批料中铸件消失了。一般铅在灰铸铁中的含量超标以后，很少有有效的措施来减少铅的含量，除非使用含有稀土的孕育剂或者是预处理剂来将铅从灰铸铁中清除出来。魏氏体石墨组织图 魏氏体石墨的特写图6：魏氏体石墨的组织照片7. 斯氏体 斯氏体-一般叫做磷共晶-实际上是一种磷化铁的析出物。除非铸铁中含有过量的磷共晶或者在晶界上磷共晶被发现，一般情况下，这不被被认为是一种铸造缺陷。 当铸铁中的磷在合适的范围之内，磷能够提高铁液的流动性和铸件的耐

11、磨性，少于的0.04%的可能导致铸件渗漏，大于0.04的磷会使在晶界上析出连续的斯氏体，这会使铸铁产生收缩缺陷和使铸铁变脆。 除了降低原材料中磷的含量之外，还可以通过加大孕育量和冷却速率来减少铸铁中斯氏体的含量。应该仔细检查废钢和原材料避免家庭供暖用铸件作为炉料，还应该对生铁的磷含量作分析，因为有些品牌的生铁磷含量比较高。图7：灰铸铁中的磷共晶8. 夹渣 夹渣也有可能像在这儿描述的一样在铸件表面被发现，也有可能在铸件内部发现夹渣。砂粒周围没有脱碳层并且夹渣是多相共存的，可以通过这种特征来识别夹渣。在熔炼和浇注过程中扒渣不充分或者由于渣在在浇包和出铁口的累积是造成夹渣的主要原因-这一部分已经CO气孔那一部分介绍过。在浇注系统中设置集渣包或过滤器有助于除渣，但却对解决夹渣的跟没原因没有帮助，因为这是不能代替良好的除渣行为的。当铁水的压头过大或者浇注系统中存在着紊流就有可能导致渣的产生。花费时间来仔细检查浇注系统的设计和熔炼的除渣措施对消除渣的产生是值得的。 灰铸铁中的夹渣 多相的夹渣特写 图8 夹渣缺陷9. 夹砂 夹砂一般是在型腔中产生的，当铁液以较高的高度落到直浇口底部时，就会引起周围松软砂子的冲蚀。尖锐的圆角也是引起冲砂的一个普