针孔:缺陷类型和成因

针孔也常被称为表面气孔,它们零星分布在大面积范围内,并可能影响整个铸件表面。大部分情况下,针孔只会在机械加工后显现出来,但通常肉眼可见。主要出现在铸件的外表面或紧靠由含有层状石墨、球状石墨和蠕状石墨的铸铁制成的铸件表面下方,以及可锻铸铁和铸钢内。
表现

针孔有多种形状,从具有裸金属表面或覆盖小型石墨表皮的球形气泡到较大的形状不规则且伴有熔渣或存在氧化的空洞。氢针孔和氢氮针孔无法明确区分,此外还有一种CO-熔渣反应针孔。已知造成该缺陷可能的根本原因一方面是铁的特殊性质,另一方面是造型材料体系的特殊性质。在具体情况下,针孔的成因往往并不单一,而通常是多个原因的组合。针孔会损伤涂层如搪瓷、热镀锌、粉末涂层等。铸件承受静态压力的能力几乎不受该缺陷的影响,尤其当铸件为球墨铸铁类型且应力水平较低时。但是对于需要防渗且已经过加工的功能面而言,该缺陷可能会导致废品。此外,如果缺陷的位置不当还可能会降低动态强度,因此受振动应力作用的安全铸件内不得出现针孔。

成因

针孔的主要原因在于金属(即铁)以及造型材料体系的特殊性质。

氢针孔和氢氮针孔形成的三个阶段

  • 水蒸气和伴生元素反应。形成金属氧化物和氢原子,扩散至液态金属内。氮氢化合物也以类似方式分解并扩散至金属液中。
  • 金属氧化物和金属液中的碳反应,形成微小的气泡。
  • 氢气和可能存在的氮气扩散至微型气泡内并增大气泡。

针孔形成的冶金学原因

  • 金属液中过高的氢含量常见的来源可能是潮湿的炉料,常吸收水分的细粒度且未受保护的铁合金,高度锈蚀的给料(吸附OH基),特别容易释放碳氢化合物的油和乳剂,以及空气湿度的升高。
  • 金属液中过量的氮含量可能由氮载体如废钢(达130 ppm N,最大200 ppm N)、钢轨钢(达170 ppm N)、生铁(10到60 ppm N)和渗碳剂(从0.11 x 104 ppm到1.675 x 104 ppm N)引入。

铸铁中的氮含量在40到140 ppm范围内,因此如果从外部诱导(例如通过诱导性搅动)气泡形成就会发生放气。形成针孔的临界极限值通常在80到100ppm之间,虽然当与CO沉淀物共同出现时更低的氮含量就能达到临界值。
与铸钢相比,铸铁不易吸收气体,因为碳和硅降低了气体的溶解度,因而也降低了铸铁吸收氢气和氮气的能力。因此,低饱和度的铸铁熔液更加敏感,这点在必须具备低饱和度的可锻铸铁上得到了印证,这种铸铁出现缺陷的频率很高。
铬、钼、锰、钒和钛能增加氢气和氮气的溶解度,反之,铝、磷、硅和碳则降低其溶解度。一个经过验证的案例表明:具有相同气体含量的铸件在含有70 ppm 铝时完好无损,但是含有380 ppm铝的相同铸件则表现出大量针孔。更高的铝含量会导致铁中的铝与注入气体中的水蒸气作用转化为铝氧化物和氢气。然后氢气形成气泡。在此,我们应懂得区分完全由冶金学原因引起的气泡和由外模/型芯与铸件发生界面反应引起的气泡。

与造型材料相关的针孔成因

  • 型砂中水分和氮含量均过高
  • 型腔内不利的气体环境,其成因可在光亮碳的材料种类和总量上寻找
  • 芯砂中氮含量过高,或型芯造型材料粘合剂内氮氢化合物含量过高
  • 特别是在壳型粘合剂的热解过程中,形成牢固的外壳前会放出大量气体

以下内容解释了该缺陷形成的机制:

在还原性气氛中,氨气按以下方程式分解

2NH3 + N2 + 3H2 .

氨气在600℃时几乎完全分解。在这个过程中气体体积翻倍,2摩尔氨气生成1摩尔氮气和3摩尔氢气。根据以下方程式,氢气能与析出的一氧化碳反应:


CO + H2 + H2 O + C

  • 膨润土粘合的造型材料未经充分处理,导致存在不受限于膨润土内(在三层矿物蒙脱石内)的自由水,这可能增加形成氢气的风险。

除了铁的成分和造型材料的特性外,还有其他影响针孔形成的原因。如果熔渣未被完全撇除,就可能导致熔渣夹杂物成为产生气泡的根源。即便已经除去熔渣,含有球状石墨的铸铁包含大量氧化物也会促进针孔的形成。镁处理过程中产生的熔渣也会对此产生影响,虽然我们现在还并不清楚它是以完全机械的方式导致的表面缺陷还是因为促进了气体的形成而导致缺陷。浇铸和浇道技术也可能影响针孔的形成。无湍流的浇道系统和较短的浇铸时间可降低形成针孔的可能性。此外,冷隔也可能是形成针孔的一个原因。它们在经过氧化后被浇铸金属液包裹。在这里会进行生成CO的反应,并形成气泡。