鑄鋼件氣孔缺陷的分析及預防研究

張俊豐

（中海油能源發展裝備技術有限公司機電技術服務中心，天津 300452）

0 引言

鑄鋼件是指用鑄鋼制作的零件，由于鑄造工藝原因在鑄造的過程中易出現氣孔缺陷，不僅極易影響鑄鋼件的產品品質，而且會極大地降低鑄鋼件的結構強度，在長期使用中就有可能出現受力斷裂等，極大地影響了鑄鋼件的使用安全。根據統計目前鑄鋼件的澆注合格率僅95.4%，為了提升澆注質量，一般通過優化澆注流量等方式來進行生產，但在實際使用過程中發現該方式不僅對鑄鋼件一次合格率的提升有限，而且極大地影響了鑄鋼件的生產效率，難以滿足鑄鋼件高效、高質的實際生產需求[1]。

根據對鑄鋼的整個工藝流程分析，鑄鋼過程中的氣孔主要是鑄鋼型腔內未排出的空氣在澆注時浸入鋼液內導致的，而在實際生產中鑄鋼件內的空氣實際上很難完全排空，因此需要從鑄鋼件氣孔缺陷和形成的原因進行入手，針對性地進行專項預防。根據實際應用表明，優化后鑄鋼件的一次生產合格率提升到了97.4%，鑄鋼件內的氣孔數量可以降低67.3%，對提升鑄鋼件的生產穩定性和可靠性具有十分重要的意義。

1 鑄鋼氣孔缺陷分類

鑄鋼在生產過程中會受到多方面因素的影響，均會對鑄鋼氣孔的形成產生一定作用，根據對鑄鋼件氣孔缺陷形成的機理和表象，將鑄鋼的氣孔類別分為侵入型氣孔缺陷、卷入型氣孔缺陷、析出型氣孔缺陷、反應型氣孔缺陷四種[2]。

通過對各種鑄鋼氣孔缺陷的分析，侵入型氣孔缺陷數量占據了整個氣孔缺陷的76%以上，卷入型氣孔缺陷占據氣孔缺陷數量的約14%，析出型氣孔缺陷占據整體缺陷數量的7%，反應型氣孔缺陷占據整體缺陷數量的3%，各種氣孔缺陷的表象如下。

1.1 侵入型氣孔

在鑄造過程中，由于水分的蒸發、有機物的燃燒等形成了大量的氣體，其中部分的氣體能夠通過砂型模具溢出，而還有部分的氣體則無法通過砂型模具溢出，導致這些氣體逐漸的集聚在鑄鋼液和型腔的內表面處，鑄鋼液在逐步凝固的過程中，就會在表面形成明顯的表面空洞，其結構如圖1-1 所示。

圖1 鑄鋼氣孔示意圖

1.2 卷入型氣孔

卷入型氣孔是指在澆注過程中，鑄鋼溶液把空氣卷入到金屬溶液中，隨著鑄鋼液的逐漸凝固，在金屬內的空氣無法及時排除，因此在鑄鋼件的內部形成了典型的氣孔，其主要出現在鑄件的中上部區域，而且氣孔的體積相對較大，氣孔內表面光滑。

1.3 析出型氣孔

析出型氣孔是指在澆注過程中，卷入到鑄鋼溶液中的空氣在外界因素的作用下其溶解速度逐漸發生變化，在凝固的階段的冷卻環節，會有部分的氣體析出，進而影響到鑄鋼的凝固。析出型氣孔的尺寸相對較小，而且會密集地分布在鑄件的表面，呈針狀或者小橢圓狀，其結構如圖1-2 所示[3]。

1.4 反應型氣孔

主要是指金屬液體成分之間發生變化，導致在鑄鋼表面下層產生氣孔的現象。所產生的氣孔主要分布在鑄鋼表面下層約2 mm 的位置，從外表無法發現內含氣孔，只能通過特殊的探測設備進行探測。

2 鑄鋼氣孔缺陷的預防

根據以上分析，侵入型氣孔缺陷和卷入型氣孔缺陷是導致鑄鋼生產效率低、質量一致性差的關鍵因素，占據了氣孔異常的90%以上[4]，因此本文重點對氣孔異常的控制方案進行研究，降低氣孔缺陷數量，提高鑄鋼生產合格率。

2.1 侵入型氣孔缺陷預防

根據上文所分析的侵入式氣孔的形成機理，可以從減少產生氣孔的氣體壓力、加大進入注漿液內的阻力并增強氣體在金屬液中的析出能力三個方面進行優化[5]。首先可以利用粗糙度較大的原砂來制作砂型芯，增強氣體的可滲透性。其次可以在砂型芯中排布一些細微的通氣孔，人為地提高砂型芯的可透氣性。若通過以上優化措施，均無法滿足注漿液澆注時的排氣需求，則可以在砂型芯上增加芯頭增加砂芯的排氣能力。總括起來就是要提高砂型芯的透氣性，從而滿足澆注時快速排氣的需求，降低在澆注過程中的侵入型氣孔缺陷，增設芯頭的改善方案如圖2 所示[6]。

圖2 砂型芯增設芯頭改善示意圖

2.2 卷入型氣孔缺陷預防

該缺陷是在澆注過程中，鑄鋼溶液把空氣卷入到金屬溶液中產生的，因此重點是在澆注過程中要保證澆注的平穩性，避免造成鑄鋼液的劇烈翻騰。同時項目組還從鑄鋼液澆注工具入手，將傳統的圓柱形的澆注漏斗更改為不同心的錐形澆注結構，從而有效地降低在澆注過程中澆注液在漏斗內的轉動，減少澆注液的翻騰，新型澆注漏斗結構如圖3 所示[7]。

圖3 新型澆注漏斗結構示意圖

為了進一步降低澆注液在漏斗內的旋轉，可以在漏斗底內設置十字形金屬網片[8]，對澆注過程中澆注液的變化姿態進行修正，提高澆注的穩定性。

析出型氣孔缺陷。主要可以通過保證在澆注過程中內外部的壓力差來實現，降低氣體析出對鑄件產品質量的影響[9]。

3 應用實例分析

某大型構件，采用了鑄鋼生產工藝，但在批量生產中發現構件內出現氣孔的比例達到了90%以上，且以侵入型氣孔缺陷和卷入型氣孔缺陷為主，大的氣孔直徑約為0.5 cm，小的約為0.1 mm，當對表面進行拋光或者噴砂處理后，在表面上出現大量的麻點，不僅極大地影響了產品的外觀，而且還降低了產品的結構強度，根據質量控制部門的統計，該大型構件的一次合格率僅95.4%，平均分布氣孔數量約為147 個，難以滿足品控需求。

當采用新的工藝，對鑄件澆注過程進行控制后，該大型構件的一次合格率提升到了97.4%。平均氣孔數量約為48.1 個，比優化前降低了67.3%，極大地提升了鑄鋼件生產的效率和質量，目前已經在多個冶金生產企業投入了應用，取得了極好的應用效果。

4 結論

針對鑄鋼在生產過程中氣孔數量多，生產質量一致性差的不足，在對鑄鋼件內氣孔類型和成型原因進行分析的基礎上，針對性地提出了改善砂型芯結構、開發新的澆注工裝、保證澆注過程中的壓力差平衡等優化措施，根據實際應用表明：

1）鑄鋼的氣孔類別分為侵入型氣孔缺陷、卷入型氣孔缺陷、析出型氣孔缺陷、反應型氣孔缺陷四種。其中侵入型氣孔缺陷和卷入型氣孔缺陷占據了90%以上。

2）通過提高砂型芯的透氣性，滿足澆注時快速排氣的需求，能夠有效降低在澆注過程中的侵入型氣孔缺陷率。

3）采用錐形澆注結構能夠降低在澆注過程中澆注液在漏斗內的轉動，從而有效的降低卷入型氣孔缺陷率，優化后鑄鋼件的一次生產合格率能夠提升到97.4%，鑄鋼件內的氣孔數量可以降低67.3%，極大地提升了鑄鋼件的質量。