铁致裂隙状氮气孔的形成机理及防止

铁致裂隙状氮气孔的形成机理及防止

随着铸造产量的发展和出口精度的提高，尤其是高品牌灰铁的产量，中国制造业正在采用手动火山砂、防腐木材等有机树种木材的形状和制造芯，这也显著提高了灰铁和报废钢的比例。因此，出现一种裂隙状的皮下气孔也增多起来了，一些工厂由于缺乏此方面的经验而感到束手无策。作者认为，这种裂隙状的皮下气孔大都是由于铁液或树脂砂中的含氮量过高而引起的氮气孔。作者在日本进修铸造技术期间和在某铸造厂担任技术顾问时曾碰到和解决过此种缺陷，在此向大家介绍灰铸铁件裂隙状氮气孔的主要特征、形成机理和防止方法，以供同行参考。1下铸件的表面、深度通常，裂隙状氮气孔产生铸件的平面和边角处，垂直于铸件的表面、深度可达皮下2cm。其形状和一般的皮下气孔有所不同，不是圆形、椭圆形、滴水状或针状的，而呈裂隙状（如图1所示）。2血工阶在10-6一般灰铸铁的含氮量为（40～70）×10-6，适量的氮有助于改善石墨形状，促进基体的珠光体化，提高抗拉强度。但当铁液在熔炼过程中吸收的氮量超过一定的临界值（通常大于10×10-6）时，在铸件凝固后期析出，周围又被已经形成固体的枝晶壁所包围、得不到铁液的补充时，就会形成存在于枝晶间的裂隙状皮下气孔。其实，这种裂隙状氮气孔不是直接由于氮气形成的。因为氮气是非活性气体，在铁液中的溶解量低于0.015%。而氮的化合物受铁液高温分解，成为初生态原子氮[N]，并可大量熔入铁液之中。生产实践证明，铁液碳当量低、炉料中废钢配比高、采用电炉熔炼、树脂砂中树脂的NH2超量是产生裂隙状氮气孔的主要原因。下面就由铁液化学成分和炉料配比、熔炼方法及呋喃树脂等氮含量而引起的裂隙状氮气孔，加以说明。2.1氮气孔渗流造成的原因灰铸铁含碳、硅低，即碳当量低时，氮在铁液中的溶解度增大。因此，高牌号灰铸铁件易产生裂隙状氮气孔。当熔融状态的铸铁中含有Zr、Al、Ti、Mg等元素时，可能形成氮化物，使铁液中的含氮量减少。2.2铁液的浇筑比熔炼方式对灰铸铁中含氮量有较大的影响。即使是C、Si含量相同的铁液，用工频电炉熔炼比冲天炉熔炼时的白口倾向大，含氮量也高。图2是中频电炉、工频电炉和冲天炉熔炼铁液时含O2量、N2量的对比。2.3废钢配比的影响熔炼高牌号灰铸铁通常加入大量的废钢和回炉铁，这势必增加了铸铁的白口倾向，也增加了铁液中的含氮量。图3是废钢配比对工频电炉和冲天炉熔炼铁液的含氮量的影响。实际上随着废钢配比增加，增碳剂的加入量也随之增多，增碳剂中所含的氮大部分加入铁液中，特别是加入增碳剂后很快进行浇注时。2.4酚醛树脂覆膜砂为等温油树脂，在纺粘法和双酰胺等聚合物中的克氏原螯虾等各组分会发生裂隙状氮气孔，会从铜洛托品中产生nh为了提高呋喃树脂的粘结强度，呋喃树脂生产厂在呋喃树脂粘结剂中添加了含有NH2尿素树脂。当呋喃树脂粘结剂中氮的质量分数为4%时，粘结剂强度最高。含氮量过多或过少，粘结强度都有所降低。为此，有些呋喃树脂生产厂为了降低成本而多加尿素树脂。相对而言，铸造厂为了保证或提高型砂强度也只得多加树脂。致使型砂、芯砂的含氮量增多。用酚醛树脂覆膜砂制芯或酚醛尿烷树脂造型也同样会产生裂隙状氮气孔，这是因为：酚醛树脂覆膜砂所用固化剂的乌洛托品中含有NH2。酚醛尿烷树脂中的聚异氰酸酯的基本化合物为NCO，其中N和C结合力弱，在浇注时形成分子状态的H2，它易从铁液中向砂型外逃逸。但是，聚异氰酸酯在潮湿的环境下使用时，NCO与水发生强烈反应，产生如式（1）那样的NH2。3防止裂缝和氮孔的拉伸如上所述，产生裂隙状氮气孔的主要原因是由于铁液或有机树脂砂中的含氮量过高。相应的防止方法如下：3.1降低铸造白口倾向，降低铁液含氮量对于灰铸铁，薄壁件的w(N)应控制在0.013%以下，而厚壁件的应控制在0.008%以下。当铁液中的含氮量过高时，可加入与氮结合力强的钛。作者在日本某企业进修铸造技术期间，该公司在表1所示的HT250、HT300牌号的灰铸铁铁液中的氮量超过85×10-6时，就根据表2所示的原铁液的氮量，相应地加入适量的钛铁（质量分数24%～28%），使铁液残留w(Ti)达0.02%～0.025%，以消除由于氮的析出而造成的铸件裂隙状的氮气孔，实际效果良好。由于在铁液中加入钛铁比较麻烦，而且是事后补救措施，因此，作为最佳的事前预防方法是选用含钛生铁。(2）降低熔炼时的铸铁白口倾向尽量少用促使铸件产生白口倾向的炉料，控制铁液中的含氮量。作者曾帮助常州华能精细铸造厂解决过由于熔炼时铸铁白口倾向大而产生的裂隙状的氮气孔。该厂主要生产压缩机铸件，其主要产品机座、机架和缸体均采用冲天炉-工频电炉双联熔炼、垂直分型迪砂造型。1999年10月至2000年4月，上述三种铸件及曲轴等多种铸件有高达30%～50%的裂隙状氮气孔，以致于严重影响正常生产。该厂原来判断为“硫化锰皮下气孔”，采取气动脱硫也无济于事。作者分析了氮量过高的原因，这是因为该厂在较长时间连续出现铸件废品率过高，炉料配比中回炉铁的加入量大，废钢锈蚀严重、且薄壁料多。此外，冲天炉-工频电炉双联熔炼过程中，孕育之外的硅铁、锰铁全部从工频电炉内加入，冲天炉铁液经常呈氧化现象，致使熔炼铸铁白口倾向大。经检测，铁液含氮量高达160×10-6。对此，采取如下的防止措施：(1)尽可能多加新生铁，除孕育之外，硅铁、锰铁均在冲天炉内加入。机座等铸件的炉料配比作表3所示的改变。(2)尽量不用锈蚀严重、薄壁的废钢。(3)正确掌握冲天炉熔炼状况，杜绝铁液氧化。经采取上述措施，即减少白口倾向，裂隙状的氮气孔得到根除，迪砂生产线恢复正常。(3）正确选用增碳剂在采用电炉熔炼时，由于废钢配比增加，增碳剂的加入量随之增多，所含的氮也大部分熔入铁液。实际经验表明，沥青焦炭含氮量高，作为增碳剂使用时容易产生氮气孔，必须引起高度重视。而电极电墨作为增碳剂，则由于其含氮量低而不容易发生氮气孔。此外，在熔炼过程中即使加入含氮量高的增碳剂，如沥青焦炭，也只有在刚加入铁液时含氮量急剧增加，当铁液保温十多分钟后，含氮量逐渐恢复到加增碳剂前的水平（见图4）。为此，加入增碳剂后立即出炉浇注是不妥当的，而要通过保温一段时间，让氮气逃逸。3.2中氮呋喃树脂再生旧砂的质量控制(1）选用含氮量低的有机树脂防止树脂含氮量过高而引起的裂隙状氮气孔，关键在于减少有机树脂中的含氮量。树脂含氮量越低越好。但含氮量低，树脂价格升高。为了防止氮气孔，对于一般的铸铁件可选用中氮树脂（2.0%～5.0%），而铸钢件和高级铸铁件最好选用低氮树脂（0.3%～2.0%）。只有有色金属铸件才可使用高氮树脂。此外生产中也发现，使用中氮呋喃树脂时，再生旧砂中呋喃树脂含量比低氮呋喃树脂高，因此，使用再生旧砂时树脂加入量少为好。应当注意的是，在选择有机树脂的生产厂家时，要选质量信得过、获得质量体系认证的企业。此外，要求厂方提供有关含氮量等的质量保证书也是必要的。(2）型砂中或涂料中加入氧化铁粉在型砂中加入氧化铁粉后，由于铸铁的浇注温度在1300℃以上，砂型表面的温度超过1000℃。在这样的温度下氧化铁粉促进呋喃树脂的热分解，起到将NH2分解成H2的催化剂作用。即便产生了N2气体，在某种条件下产生气孔，但通常不溶入铁液和形成皮下气孔。实践表明，在全部型砂中加入氧化铁粉是不经济的。为此，通常仅在面砂中加入3%的氧化铁粉就可以了。涂料中加入氧化铁粉也可防止这种皮下气孔。这是由