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            冷芯盒樹脂砂生產剎車盤 氣孔缺陷不得不防

            2018-03-07
            來源: 原創
            1166

            灰鑄鐵鑄件加工后靠近鑄件上部、尖角部位出現裂隙狀孔洞類缺陷,放大鏡下可看到粗大的樹枝晶,與縮孔、縮松缺陷類似,從缺陷形貌、分布區域判斷,認為不是縮松缺陷。通過試驗與分析驗證,斷定氣孔屬于亞共晶鑄鐵在凝固過程晚期形成的析出性氮氣孔。隨著電爐逐漸取代沖天爐,廢鋼加增碳劑熔煉鑄鐵的廣泛應用,氮氣孔缺陷明顯上升,容易出現批量廢品,因該缺陷在加工后才被發現,經濟損失很大。


              氣孔分析及解決措施


             ?。保?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important; line-height: 25.6px;">鑄造工藝

              由于雙片制動盤散熱及抗熱衰退性能好的特點,被廣泛應用于汽車制動前盤上。鑄件重量一般為6~50kg,材料為HT200,化學成分為:wC=3.1%~3.5%,wSi=1.7%~2.2%,wMn=0.6%~0.9%,wS<0.12%,wP<0.12%。配料:回爐料(含鐵屑) 60%、廢鋼35%、生鐵5%,使用增碳劑增碳。用濕型粘土砂造型,三乙胺冷芯盒制芯,中頻感應電爐熔煉鐵液。出鐵溫度控制在1520~1550℃,澆注溫度1360~1450℃,澆注時間為7~12s。原鑄造工藝如圖1所示。



              圖1 剎車盤原工藝示意        


              2.氣孔特征

              圖2是機加工后暴露出氣孔外觀形貌,圖3是氣孔部位的金相組織。



            圖2 加工后暴露出的A、B部位氣孔   



              圖3 氮氣孔形貌(100×)  


              該類氣孔共同特征是:

             ?、糯蠖嗉谐霈F在鑄件的上箱遠離澆口部分,并且成簇分布于靠近砂芯的鑄件尖角部位,分別見圖1 A、B處,個別時候C處也會出現批量氣孔缺陷。從鑄件尖角部位沿一定角度延伸到鑄件內部,深度可達5~7mm。

             ?、坪癖谇绎L道薄鑄件容易出現該缺陷。

             ?、强锥匆话愠柿严稜?,少部分呈圓形,孔壁一般覆蓋一層光亮碳膜,周圍石墨少。

             ?、瓤锥粗車ǔ]有石墨,氮在石墨與基體界面上的吸附和在石墨中的固溶是氮使石墨組織形態發生變化。氣孔附近石墨短小彎曲,往往伴隨著許多鐵素體,通過這一特征,可以將氮氣孔和縮松區別開,縮松形貌見圖4。

             ?、赏瑺t鐵液澆注結構類似制動盤,用冷芯盒樹脂砂芯生產的鑄件有氮氣孔缺陷,不下芯的單片制動盤或合脂油芯鑄件出現這種缺陷。


              圖4 縮松形貌(100×)   


              3.氣孔產生原因分析

              金屬液在冷卻、凝固過程中氣體溶解度下降,析出的氣體來不及排除,就會形成析出性氣孔。溶解在金屬液中的氣體析出形成氣泡必須滿足以下條件:

              PN?f>PE

              PE =Pα+ρgH+2σ/r

            式中 PN?f——N2析出分壓力(Pa);

                  PE—— 氣泡外壓力(Pa);

                  Pα——型腔內金屬液面上的大氣壓力(Pa);

                  ρ——金屬液密度(kg/m3);

               g ——重力加速度為9.80665(m /s2);

                   H——氣泡以上金屬液高度(m);

                   σ——金屬液表面張力(N/m);

                r——氣泡半徑(m);

               2σ/r——由金屬液表面張力造成的附加壓強。

              影響氮氣孔形成的主要因素有:

             ?、盆F液含氣量愈高,N2析出分壓力PN?f越大。通?;诣T鐵中含氮量為0.002%~0.008%。含氮量明顯高于這個數值時,就可能產生氮氣孔,而且厚壁鑄件比薄壁鑄件更容易形成這種缺陷,這是氮在鐵中擴散速度較低的緣故。鐵液中氮主要來自石墨化不充分的增碳劑和部分含氮高的廢鋼。

              冷芯盒砂芯鑄鐵形成氮氣孔傾向大的主要原因,是由于鐵液吸收了大量砂芯燃燒后產生的NH3或NH2,氮氫化合物在高溫下進一步分解出原子態的[N]和[H],溶解在所接觸的金屬液表層中并向內擴散。增加排氣冒口和排氣槽,減少鐵液吸收冷芯中N,對減少N2孔有利;芯子設計成中空形狀,壁厚應在滿足強度要求的情況下以盡量減薄,能夠減少芯子發氣量,有利于減少N2孔。

              N量在鐵液中擴散速度比較低,使靠近芯子的鑄件表面N量最高,隨著金屬液溫度下降,溶解度突然變小,過飽和的原子態的N可以氫氣泡或已有氣泡為核心析出長大,由于氮氣孔形成溫度較低,氣體往往分布在奧氏體枝晶之間呈裂隙狀分布。

             ?、畦T件冷卻速度對氮氣孔影響很大,薄壁鑄件冷卻速度快,表面凝固快,有助于減少鐵液從砂芯中吸收更多的N2,并且鐵液凝固速度快,氣體來不及擴散,N2析出分壓力PN?f較低,因而氣孔不容易形成。厚壁鑄件冷卻速度慢,鐵水在凝固過程中吸收聚集較多的氮,形成氮氣孔傾向增大。

             ?、氰T件結構對氮氣孔也有影響。鐵液從下箱引入,遠離內澆道的邊角部位的鐵液在充型過程中吸氣最多,含氣量最高,加上邊角部位最容易與砂芯接觸吸氣,析出氣孔傾向最大。

            另外,鐵液中自發形核的r極小,2σ/r很大,難以自發形成氣泡,尖角部位為形成氣泡核創造條件。在尖角部位加補貼,可減少鑄件尖角效應,N的析出明顯減少。

              鑄件厚壁越厚,鐵液冷卻時間越長,鐵液從砂芯中吸收的N越多, N的析出越容易,形成氮氣孔缺陷傾向越大。    

             ?、仍谏靶局屑覨e2O3的作用是能夠降低鐵液與砂芯之間的界面張力,使鐵液更好地潤濕砂芯,阻礙砂芯中的氣體進入鐵液,從而減少鐵液從砂芯中吸收更多的N,但同時也增加了鑄件粘砂傾向,因此Fe2O3一般用于砂芯涂料中效果比較好。

              關于加Fe2O3對解決N2孔的原理眾說紛紜,一種觀點認為其原理是Fe2O3遇到鐵液快速放出氧,與樹脂中的N分解產物反應形成穩定的NOx化合物;另一種觀點認為是Fe2O3與鐵液接觸后發生分解,并與C作用生產CO,CO的逸出帶走了鐵液中的N;也有資料認為Fe2O3粉在高溫下能促進樹脂分解,起到將NO2分解成H2的催化作用,即便產生了N2氣體,通常不溶入鐵液,形成皮下氣孔。將相同樹脂含量的砂芯,一種加0.2% Fe2O3砂芯,另一種不加Fe2O3,作發氣量檢驗結果如圖5所示,結果發現加Fe2O3芯子的最初的發氣速度要快于不加Fe2O3的砂芯,使樹脂盡快分解并排出。


              圖5  加Fe2O3與不加Fe2O3芯子發氣量


              4.防止措施

              導致鑄件形成氮氣孔的原因是多方面的,歸納起來主要是鐵液中由原料帶進的N以及鐵液在充型過程中不斷吸收N,當金屬由液態轉變到固態溫度時,N的溶解度突然變小,即N在固相中的溶解度顯著小于在液相中的溶解度,SN.S<SN.L,N的溶解度突然變小是鑄件產生析出氣孔的本質原因。

              

              生產過程中采取以下改進措施:

             ?、趴刂畦F液中N量  用中頻感應電爐熔化鐵液,大量廢鋼爐料及增碳劑的加入,導致鐵液中的N量過高。為降低鐵液中N量,增碳劑應選用wN<0.05%的石墨化充分的增碳劑取代N量高的增碳劑。石墨化不充分增碳劑的wN高達0.5%~1.0%,但正常生產過程中難以對增碳劑N量進行檢驗,可以通過檢驗增碳劑S量以及能否在白紙上劃出痕跡來粗略判斷N量。

              由于Ti、Zr能與鐵液中的N生成N化物,用含Ti、Zr的孕育劑對鐵液孕育處理,可以中和鐵液中部分N。不過Ti能增加鑄鐵過冷石墨,影響鑄件加工性能,并能促進形成氫氣孔,所以不建議采用專門加鈦鐵解決氮氣孔。生產過程中可增加含Ti生鐵加入量,一方面減少增碳劑的加入量,另一方面其中的Ti起到固定N的作用,對解決氮氣孔有一定幫助。

              通過選用低N增碳劑和SiSrZr孕育劑等措施,雖能降低鑄件氮氣孔出現幾率,但不能杜絕特殊結構制動盤的氮氣孔。

             ?、萍訌婅T型排氣  鐵液充滿鑄型后,冷芯盒樹脂燃燒產生大量氣體使型內壓力瞬時增高,氣體容易侵入鑄件。圖6為改進后的工藝,將砂芯制成中空形狀,在鑄型上加排氣冒口,并在芯頭外圓分型面處設置排氣槽,使砂芯中樹脂燃燒產生的氣體能夠順利排出,減少了氮氣孔的產生。



              圖6 改進后的工藝


             ?、菧p少砂芯發氣量  冷芯盒樹脂中的聚異氰酸脂組分中含有-RNCO基團,受到鐵液高溫作用產生熱解反應,產生N原子溶解到金屬液中,高溫下N原子在鐵液中溶解度高,但擴散較緩慢,靠近砂芯鐵液N含量高。因此,要降低砂芯樹脂含量尤其是聚異氰酸脂加入量。對于薄壁芯或復雜芯樹脂太低將會影響砂芯強度,因此制芯應選用角形系數低、顆粒較粗、含泥量低的原砂,這樣可用較低樹脂含量生產出較高強度、透氣性的砂芯,降低氣孔缺陷。此外,水分易與聚異氰酸脂反應,不但降低砂芯強度,還增加鑄件氮氣孔和氫氣孔的傾向,所以制芯原料中的水分應盡量低,并防止砂芯吸潮。

             ?、燃友a貼減少尖角效應  考慮到大多氮氣孔的深度一般比較淺,所以在氣孔部位A增加4mm高的局部補貼(見圖6),生產結果該部位氣孔明顯減少,并且如果出現氣孔也比較輕微,會在隨后的加工過程中加工掉。說明在A處等尖角部位加補貼能起到減少氣體析出的作用。

             ?、缮靶局屑覨e2O3  以上措施對解決氮氣孔取得一定效果,但有時也會出現反復,不能徹底解決氣孔缺陷。在砂芯中加0.2% Fe2O3,經過對比試驗,在其他生產條件及工藝不變的情況下,生產出的鑄件沒有出現批量氮氣孔缺陷。Fe2O3對解決氮氣孔機理目前還沒有確定。經過試驗0.2% Fe2O3含量對砂芯強度基本沒有影響,樹脂含量可以維持不變,而且過程控制簡單。


              結語

                冷芯盒樹脂砂芯鑄鐵出現氮氣孔缺陷主要是由于鐵液中吸收過量N,并在冷至固態溫度時N的溶解度突然變小是產生析出氣孔的主要原因。厚壁鑄件冷卻速度慢,N的吸收、析出充分,容易產生氮氣孔。樹脂加入量過多或砂芯過于厚大造成其排氣困難,促使鐵液吸收更多的N,由于N的擴散速度慢,導致靠近砂芯鐵液N含量過高,在冷卻過程中容易在尖角部位析出氣孔。經過不斷改進,使鑄件氮氣孔得到控制和預防,鑄件成品率得到提高。砂芯加Fe2O3措施對解決氮氣孔最有效果,提高了鑄件成品率,是鑄造行業減能降排的有效措施。


            作者:煙臺勝地汽車零部件制造有限公司,王文勝、曹玉亭。


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