铸件气孔的种类与防止方法【摘要】气孔，也称气眼，是铸造生产中最常见的缺陷之一。

产生于铸件内部、表面或近表面，呈大小不等的圆形、长形及不规则形，有单个的，也有聚集成片的，孔壁光滑，颜色为白色，有时覆一层氧化皮。

在长期实践中我们根据形状与生成原因不同一般称之为气孔、气泡、针孔、气疏松和气缩孔。

【关键词】铸件，气孔，浇注，凝固，铸造工艺引言在铸件的废品中，气孔占有很大的比例。

据统计由于气孔导致的铸件废品占铸件废品总数的1/3左右，减少和消除气孔缺陷对提高铸件质量是十分迫切的问题。

1 气孔生成的原因气孔由气体而生成，生成气孔的气体主要是CO、CO2及H2、O2、N2等。

气体主要来自三个方面，即来自金属、造型材料和大气。

气体在金属中熔解度随温度下降而急剧减少。

例如纯铁中氮的溶解度，每一百克金属中1100℃时为20.5cm3，750℃时只有0.3cm3。

氢气的溶解度，每一百克金属中，1000℃时为5.5cm3，而在300℃时只有0.16cm3。

当钢从液态变为固态时，由于溶解度的原因，气体向铸件较高温度方面扩散，扩散至壁较厚、凝固较迟的部位，来不及排放，随着铸件凝固的进行被包容于塑性状态的金属中而生成气体。

所生产的气体是封闭圆形或椭圆形，不于外界相通，孔壁有金属光泽。

型砂中的水分，粘结剂中所含的挥发物，都会因受热而变为气体。

以水为例，当其受到高温金属加热时，首先变为水蒸气，其次，当温度继续升高时水蒸气还要分解。

水变为水蒸气时体积要膨胀，水蒸气分解为氢和氧时还要膨胀。

如这种膨胀受到阻碍则产生压力，此压力在砂型透气不良的情况下，能冲破金属表面凝固膜而穿入铸件内部生成气孔。

在穿入过程中，气体一面运动，一面膨胀，所以形成一个细颈而后扩大的形状，使整个气孔像一个梨形，细颈方面指向气体来源方向。

在铸件表面或皮下往往只有一个微孔不容易看出来，只有热处理后或切削加工过程中才能完全发现。

因为气体与高温金属发生氧化作用，所以孔壁常呈暗蓝色或黑褐色。

金属在浇注系统中和型腔中的流动过程，由于流动不稳定，将气体卷入而生成气体[1]。

铁液中的Al量也是引起铸件气孔的一大原因[2]。

目前铸铁生产多采用高Si/C比成分，因此需要加入较多的硅铁和大量的孕育量，随着硅铁的加入增多了铁液的含Al量，促使铁液吸氢：2Al +3H2O→Al2O3+6（H）球铁生产中残余镁的质量分数一般应控制在0.03%~0.06%，高了就要产生气孔，也是这个道理：Mg+ H2O→MgO+2（H）2 气孔的形状特征气孔是出现在铸件内部或表层，形状一般为圆形或近似于圆形的团球状孔洞；其他形状有泪滴形、梨形、蠕虫状、针状、晶间裂隙状等气孔；气孔孔壁比较光滑而发亮，具有金属光泽，颜色有时发蓝、有时发暗。

灰铸铁气孔表面还覆盖着一薄层片状石墨或碳膜。

当用扫描电镜观察灰铸铁的气孔孔壁时，其孔壁表面呈现凸凹不平的图像，但起伏较缩松、缩孔的内壁平滑；气孔的大小变化很大，有的直径很小，1mm左右，犹如针尖，有的很大可达几毫米。

气孔常出现在铸件的表面、内部或皮下。

有些气孔呈弥散状分布在铸件的皮下，待机械加工后就暴露出来。

有些表面气孔与内部气孔相互贯通呈现在铸件的表面。

3 气孔的种类按气体的来源不同，可将气孔分为四大类。

3.1 一类为反应气孔由金属液与型、芯在接口上或金属液内部某些成分之间发生化学反应而形成的成群分布的气子。

反应气孔一般为针孔。

有时反应气孔形成皮下气孔，位于铸件表层，形状呈针头形或细长圆形。

由金属液内成分之间发生化学反应所产生的反应气孔一般弥散成群分布在铸件整个断面上或局部区域。

位于铸件上部的反应气孔常伴有夹渣。

目视特征：⑴尺寸、形状和分布。

图１显示了这种气孔典型的形貌特征。

气孔孔洞大，孔径可达几毫米；形状无规律性，可以是圆球形、团球形或异形孔洞；分布上为弥散性气孔，成群的大孔洞分布于铸件整个截面积上。

⑵孔壁表面面貌和部位。

孔壁平滑，其表面颜色一般呈金属光亮色。

一般总是内部气孔，往往是在铸件机加工后才暴露出来，加工面上遍布着孔洞，犹似蜂窝。

此时应继续检查铸件整个横断面是否也有成群的孔洞，以免误判为皮下气孔。

⑶流行性缺陷。

这种气孔缺陷具有流行性缺陷的同液性特点，即金属液本身有溶解的，可起化学反应的化合物。

因此无论是用干型还是湿型，同一炉次、包次所浇注的铸件都会产生这种气孔缺陷。

铸件的冒口或直浇道顶面，同有析出气孔的铸件一样，也有冒顶现象，甚至成为菜花状。

内生式反应气孔的目视特征非常相似于析出气孔。

一般来说，其主要差别是前者的孔洞显著大于后者。

诊断时，不要同析出气体、枝晶间裂隙状气孔、皮下气孔、缩松、分散缩孔等孔洞类缺陷相混淆[3]。

3.2 二类为析出气孔由溶解在金属液中的气体在铸件冷却成形过程中析出而形成的气孔。

由于形成气体来源于金属本身，所以也叫内生式气孔。

由于氢的析出而形成的析出气孔，常称为氢气孔。

析出气孔多呈细小圆形或针头状，成群分布在铸件断面或某一局部区域内，内壁较光滑而明亮，呈金属本色。

由于铝合金的吸气性较大，铸件的析出气孔通常表现为针孔。

在铸件热节和厚断面处较严重。

析出性气孔是铸件中一种常见的缺陷。

它的产生原因主要是由于金属液在凝固过程中,随着温度的下降,合金熔体内气体溶解度下降,导致气体过饱和析出、长大,形成气泡,在凝固过程中气泡未能及时排出而形成气孔[4]。

它的危害性在长期的生产科研中被广泛的认识和研究。

目前,关于析出性气孔的主要研究方向集中在它的形态、产生机理和防止的方法[5]。

工业生产中,经常采用真空除气法来排出析出性气孔,这是一种被实践证实了的有效的方法。

但是这种方法仍然存在一些值得注意的问题,真空状态虽然能够提高气体的排出率,但同时也能使残留气体的表现效果更加显著,因此,为达到良好的排气效果,必须使熔体在真空条件下保持足够长时间。

图2 (a) 为真空条件下迅速加热至过热15 ℃的熔体,在达到温度后,不经保温,直接在20 ℃的真空环境中浇注凝固所形成的气孔形貌。

可以看到,尽管气条数量明显减少,但单根气条尺寸明显增大。

同时,发现,在真空条件下形成的析出性气孔形貌是不稳定的,图2 (b) 为真空条件下形成的析出性气孔在常压下保存24 h 后的形貌,可以看到,可能是试样强度的原因,气孔出现了塌陷,塌陷的结果使得初生形貌为连续的气孔变的断续。

这种形貌的改变在常压下形成的气孔中不会发生。

图2(c) 给出了试样浇注前在真空条件下保温60 min 后,在相同温场环境中凝固所形成的试样组织。

可以看到,进行有效的真空除气后的铸件内没有可见的析出性气孔[6]。

图2 真空条件浇注凝固的铸件3.3 三类为侵入气孔由铸型、型芯、涂料、芯撑、冷铁等外部因素产生的气体侵入铸件而形成的气孔。

侵入气孔多呈梨形或椭圆形，位于铸件表层或近表层，比较集中，尺寸较大，孔壁光滑，表面常呈氧化色或蓝色。

梨尖一般指向气体侵入的方向。

侵入的气体一般为水蒸气、一氧化碳、氮气、碳氢化合物等气体。

侵入气体的主要来源①浇注时，由于浇注工艺不正确和浇注系统设计不合理，使金属液发生吸气和卷气的现象；②金属与冷铁、蕊撑、铸型（蕊）表面上的涂料及水分或铁锈相互作用所产生的气体；③由于浇注过程中金属液和铸型之间的热作用使铸型和砂型的孔隙中所包容的空气，砂型和型蕊中挥发物（水份，粘结剂，附加物）挥发生成的气体。

侵入性气孔的形成原因当金属液浇入砂型中的某一时刻，金属液对砂型（蕊）产生剧烈的热作用，使型腔表面的砂层迅速加热到接近金属液的温度，由于水份的蒸发、有机物的燃烧和挥发形成了大量的气体，其中一部分气体通过透气的砂型逸走，但是如果由于型砂或蕊砂的发气量大，发气速度快，而使一部分气体不能及时通过型砂逸走时，就可能侵入金属液中，当铸件凝固时，就会在接近铸件的表面形成梨形气孔[7]。

3.4 四类为卷入气孔在浇注、充型过程中因气体卷入金属液中而在铸件内形成的气孔。

卷入气孔一般为孤立存在的大气孔，形状通常为圆形或椭圆形，位置不定，一般偏在铸件中上部。

4 气孔的防止方法4.1 冶练方面应尽量减少和脱除钢中气体。

通常应注意的问题是生锈的原材料，冶炼过程要去气良好，盛钢筒烘烤干燥，常用工具避免渗水等。

以铝合金为例，通过改变铸件冷却速度v、铝合金液原始含氢量Cm 进行验证试验表明，增大固-液界面前沿液相中氢原子的过饱和浓度区△x 及存在时间△t，将增加气孔的数量及尺寸。

由此得出，铝合金液凝固时的溶质再分配规律可用来解释铸件出现气孔的原因，研究溶质再分配规律对于控制铸件气孔的形成有较大的指导意义[8]。

4.2 在浇注方面浇注前钢水在较高温度下适当镇静，以利气体上浮浇注过程中及时点火引气，以利气体外排[9]。

采用垂直缝隙式浇注系统,既符合铸件结构特点又可以防止氧化皮卷入,还能造成自下而上的凝固条件,减小冒口体积[10]。

4.3 在铸造工艺方面应合理设计浇注系统及冒口，使钢水流动平稳，避免气体卷入，同时浇冒口设计应尽可能做到使压力头增大，有利于迫使气体通过砂型向外排出，在砂型上合理扎出气眼，安排人工气路，并控制砂型烘干深度，严格处理冷铁，芯撑，不允许有锈和其他可发气的污物[11]。

4.4 在造型材料方面应控制其含水量、发气量及透气性，使气体来源减少，并有利气体排除。

以高碳钢为例，钢液中含碳量高时,则含氧量相应降低。

相反,当钢液中含碳量低时,则含氧量高,换言之,同一温度下,低碳钢的含氧量大于高碳钢的含氧量。

这也是低碳钢易形成气孔的原因所在。

针对易形成气孔的低碳钢,在保证铸件化学成分的前提下,消除气孔危害的重点就在于降低钢中氧含量,为了避免钢液溶解过多的氧化亚铁,除保证正常的脱氧以外,控制适宜的熔炼温度和浇注温度就显得很有必要。

在保证钢液充满铸型获得良好的铸件表面品质的条件下,应采用较低的浇注温度[12]。

5 铸件气孔缺陷的防止措施实例5.1 活塞式空压机气阀消除气孔、砂孔的铸造工艺针对原工艺造成废品产生的原因和特点,首先考虑要把放阀片的重要加工面朝下,把桐油砂2芯放在上箱,加强型腔和油砂芯排气的顺畅,于是采用了两种改进的铸造工艺方案[13]。

5.1.1 改进工艺方案a把放阀片的重要加工面朝下、桐油砂芯放在上箱,在桐油砂芯的中心即零件的圆心处设计一瓶颈冒口,瓶颈尺寸是Ø3 0 mm ×15 mm ,冒口尺寸是上Ø8 0 mm、下Ø70 mm、高140 mm ,并且在零件的周边设置3 个Ø8mm 的型腔排气,如图3 。

试生产40 件,经机加工,没有发现气孔。

但有13件发生了缩孔,主要发生在冒口颈底部的连接处。

经分析,发现冒口放置的部位正是铸件的热节部分,浇注时造成了局部过热,浇注后一旦没有补充铁液或浇注过快就很容易发生反缩。

图3 改进工艺方案a5.1.2 改进工艺方案b把放阀片的重要加工面朝下、桐油砂芯放在上箱,根据桐油砂造芯的操作过程及工艺特点,起模后在桐油砂芯的最外层环槽插上3 个Ø15 mm 的圆孔,圆孔间距8～10 mm。