铸件氮气孔缺陷及对其认识.pdf

现代铸铁圆园23/4收稿日期：2023-02-14修订日期：2023-07-22作者简介：俞在宏（1945.1），男，汉族，安徽芜湖人，毕业于合肥工业大学铸造专业，高级工程师，主要从事铸铁生产技术方面的研究工作。铸件氮气孔缺陷及对其认识俞在宏（安徽鸿泰机械有限公司，安徽宣城242500）摘要：介绍了采用中频感应电炉生产机床铸件产生的氮气孔缺陷，对其产生原因进行分析，认为铁液中的氮溶量超标及炉料使用不当是造成氮气孔缺陷的主要原因，通过在铁液中加入铁钛合金，使铁液中过量的氮形成一定量的化合氮，从而降低铁液氮溶量，同时恢复使用市场采购的废旧回炉料，将报废的机床铸件少量搭配使用，使氮气孔问题得以解决。最后指出：生产中应加强对铁液氮溶量的检测，既要控制氮气孔的产生，又要充分利用氮对铸铁的有利作用。关键词：灰铸铁；氮气孔；增碳剂中图分类号：TG251文献标志码：月文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园23）园4原园园12原04Understanding of Nitrogen Pore Defects in CastingYU Zai-hong（Anhui Hongtai Machinery Co.,Ltd.，Xuancheng242500，China）Abstract：The nitrogen pores produced when using medium frequency induction furnace to produce machine tool castings wasintroduced，and the reason causing nitrogen pores was analyzed.It was considered that nitrogen solubility exceeding thestandard and improper using furnace charge was the main reason causing nitrogen pores.Through adding Fe-Ti alloy into ironliquid to make the excessive nitrogen in iron liquid to form a certain amount of combined nitrogen and thereby decrease thenitrogen solubility of iron liquid，at the same time，restore the use of market procured furnace returns，use a small amount ofscrapped machine tool castings，the nitrogen pores defect had been eliminated.Finally，it was pointed out that the detection ofiron liquid nitrogen solution should be strengthened in the production.It was necessary both to control the production ofnitrogen pores and made full use of the beneficial effect of nitrogen on cast iron.Key words：gray iron；nitrogen hole；carburetant氮对铸件具有双重作用：一方面是溶解在铸件中的氮可以强化基体，优化石墨形态，有效提高铸铁强度；另一方面铁液中氮含量超过一定限度，铁液凝固时氮会从铁液中析出而形成氮气孔，使铸件产生废品，造成损失。现就笔者曾服务的某厂生产的机床铸件发生的氮气孔缺陷以及对其认识介绍如下。1生产情况该厂生产多种规格的机床（磨床）铸件，材料牌号为 HT250，机床轨道铸态硬度要求达180耀200 HB，床身质量 1耀2 t，砂轮架、工作台等铸件质量均在 300500 kg。采用多台呋喃树脂砂混砂机造型，铸件经回火处理并粗加工后送主机厂。熔炼设备为 2 t 中频电炉，炉料从市场采购的废旧铸件、废钢以及非石墨型增碳剂等，配比为 70%废旧铸铁+30%废钢+1.5%增碳剂，其他炉料（如硅铁合金等）因与氮气孔无关，未被列出。一般情况下，铸件质量基本良好，材料性能满足铸件要求，常出现气孔缺陷，但并不严重，均以皮下气孔处理，认为属个别案例，并未引起足够重视，但后期铸件出现气孔逐渐增多现象。灰铸铁Gray Iron12圆园23/4现代铸铁图2使用机床废件循环使用次数与铁液氮溶量关系Fig.2Relation between recycling times of machine toolscraps and nitrogen solubility of iron liquid050100150200N1N2N3N4N5N6累计炉次/次100 ppm2氮气孔缺陷的确定铸件经粗加工后气孔显露，气孔深度达 12cm，其深度方向与铸件表面垂直。孔洞垂直方向剖面形成蠕虫状、裂隙状，孔洞内壁常有石墨覆盖。最初孔洞发生在床身等大件轨道加工面上，接着工作台、砂轮架等铸件也相继出现类似缺陷。孔洞先是发生在铸件本体上，后来连铸件飞边、毛刺等断面也出现这种孔洞，经加工后孔洞表面形状如图 1 所示。开始认为是皮下气孔，并按皮下气孔缺陷处理，如：提高铁液浇注温度，强化涂层干燥度，但孔洞并没有缓解。后又认为是树脂和涂料质量问题，采取更换树脂、涂料及酒精等措施，并调整其加入量，但气孔状况仍未解决，并随时间延长，气孔缺陷反而日趋严重，甚至整炉铸件没有一件成品。通过对比出现气孔缺陷前后生产条件的改变，工艺操作的差异，原辅材料的变化等进行逐一排查，结果发现，在铸件出现气孔缺陷时，改变了炉料结构组成，即撤销了原市场采购的废旧铸铁，由该厂累积报废的机床床身代替。分析认为，低碳机床床身铸件氮含量偏高，特别是当时使用的高氮非石墨化增碳剂，使铁液溶氮量快速上升，并根据气孔出现的形状、大小、部位，参照相关资料1-2，断定此类气孔为氮气孔。3原因分析及防止措施3.1无氮气孔情况下铁液的氮含量有资料指出1，铁液中氮含量大于 100 ppm时，铸件就有出现氮气孔缺陷的可能。铸件材料牌号为 HT250，有的甚至在 HT250 以上，铁液基本属低碳当量，低碳当量铁液本身就会引起氮含量增加。另外，炉料主要为废钢及废铸件，特别是当时使用的增碳剂为高氮非石墨增碳剂，这是形成铁液氮溶量偏高的主要原因。在未出现大规模氮气孔缺陷的情况下，炉料配比为 70%废旧铸件+30%废钢+1.5%增碳剂，其中外购废旧铁的氮含量为 2080 ppm，取 50ppm2；废钢氮含量为 50150 ppm，取 100 ppm1；非石墨化增碳剂的氮含量跃2 000 ppm，取 2 000ppm。因此，铁液的全氮量为 70%伊50+30%伊100+1.5%伊2 000=95 ppm，此值接近或等于 100 ppm，故一般出现氮气孔的概率不是太大。3.2使用报废床身后铁液氮溶量使用报废床身替代外购废旧铸铁，由于报废机床床身氮含量在 95 ppm 左右，比一般外购废旧铸铁氮含量高出近一倍（50 ppm），更重要的是使用的非石墨化高氮增碳剂，因此，铁液含氮量迅速上升，计算如下：第一次使用报废机床铸件铁液氮溶量为N1=70%伊95+30%伊100+1.5%伊2 000=126.5 ppm。第二次使用报废机床铸件铁液氮溶量为N2=70%伊126.5+30%伊100+1.5%伊2 000=148.55 ppm。第三次使用报废机床铸件铁液氮溶量为N3=70%伊148.55+30%伊100+1.5%伊2 000=164 ppm。第四次使用报废机床铸件铁液氮溶量为N4=70%伊164+30%伊100+1.5%伊2 000=174.8 ppm。以上数据可以看出，从第一次使用床身废体开始，铁液氮溶量就大幅超过 100 ppm，又经数次循环，铁液氮溶量快速上升。铁液氮溶量变化如图 2 所示。图1工作台加工后出现的氮气孔Fig.1Nitrogen pores appearing after the worktable being machined灰铸铁Gray Iron13现代铸铁圆园23/43.3防止措施（1）在铁液中加入铁钛合金，使铁液中过量的氮形成一定量的化合氮，从而降低铁液氮溶量，考虑到铁钛合金使用过多会产生其他缺陷，故加入量为 1.5%。加入铁钛合金后，铸件氮气孔缺陷得到有效控制，这说明当时判断铸件气孔为氮气孔是正确的。（2）为降低成本，简化操作工艺，仍恢复使用市场采购的废旧回炉料，将报废的机床铸件少量搭配使用，铸件氮气孔得以消除，恢复以前正常状态。4对氮气孔的认识依据相关资料推算，铁液氮的溶解度为 375ppm，凝固成固态铸铁时其固态溶解度为 100 ppm，那么在铁液凝固时将有 375-100=275 ppm 的氮元素析出成为氮气孔（以上推算未考虑少量化合氮的存在）。实际生产中铁液的氮含量不可能达到其溶解度（即饱和状态），即远未达到 375 ppm。但铁液凝固成固态，固态铸件氮含量则可能达到其溶解度 100 ppm。所以铁液中氮含量多少，是铸件能否产生氮气孔的关键。铁液中的氮含量多少，分 3 种情况：（1）铁液中氮含量跃100 ppm 时，铁液中的氮除满足固态铸铁 100 ppm 溶解度外，超出部分的氮就可能在铁液凝固时析出而形成氮气孔。（2）铁液中的氮含量等于 100 ppm 时，刚好满足固态铸铁的溶解度，没有多余氮元素折出，铸件不会产生氮气孔。（3）铁液中氮含量约100 ppm 时，铁液中氮含量完全被固态铸铁吸收溶解成固溶体，并尚未满足其溶解度，更不会出现氮气孔。因此，为避免铸件氮气孔，应控制铁液的氮含量不超过 100 ppm。冲天炉铁液中氮含量一般为 20耀80 ppm1，根据上述情况，铸件凝固时无多余氮从铁液中析出，这就是冲天炉熔炼铸铁时很少遇到氮气孔原因。感应电炉则不同，利用感应电炉“无限”增碳特点，可以大量应用废钢和大量使用增碳剂，特别是使用高氮增碳剂时，其中的氮绝大部分都进入铁液，很容易使铁液的氮含量超过 100 ppm 而使铸件产生氮气孔，这也就是感应电炉熔炼铸铁出现氮气孔的重要原因。就本次发生氮气孔案例而言，表面上是使用报废床身引起氮气孔，其根本原因是长期使用高氮增碳剂所致。当用报废床身替代废旧铸铁时，其氮含量虽然由原来的 50 ppm 增至 95 ppm，但更主要的是使用氮含量高达 2 000 ppm 以上增碳剂。如果该厂使用的是低氮石墨化增碳剂，其氮含量臆100 ppm，经计算，就是对报废机床循环使用 4耀5 次，其铁液氮溶量也不会超过 100 ppm（如图 3 所示），更何况在第一次使用报废机床铸件时，其铁液氮溶量也不足 80 ppm，铸件不会成为废品。铁液的氮具有双重作用，铁液中过多的氮（跃100 ppm）造成氮气孔缺陷，适量的氮（臆100ppm），不仅不会产生气孔，还有利于铸铁力学性能的提高。溶入奥氏体的氮能使晶粒细化，珠光体体积分数增多，氮原子还能使片状石墨变短，弯曲程度增加，石墨头变钝，这些都有效地提高铸件的抗拉强度3。有研究表明，将氮含量控制在60100 ppm，在这个范围内氮原子溶量越高，提高力学性能的作用越大。所以在控制氮气孔缺陷的同时，应充分发挥氮的有利作用。5结束语（1）应充分认识石墨化增碳剂的积极作用，石墨化增碳剂不仅固定碳高、氮含量低，而且其石墨结构与铸铁中的石墨相似，对铁液的形核十050100150200N1N2N3N4N5N6累计炉次/次100 ppmw（N）2 000 ppmw（N）100 ppm图3使用不同氮含量增碳剂时机床废件回用次数与铁液的氮溶量对比Fig.3When machine tool scraps used carburant withdifferent N contents，comparison of scraps recyclingtimes and N solubility of iron liquid灰铸铁Gray Iron14圆园23/4现代铸铁（b）（a）图6冷隔在凝固模拟中出现的位置Fig.6Cold shut occurring place in solidification simulation铁液越不容易熔合，就越容易形成冷隔。为此，需要尽可能减小两股铁液的间距，浇注速度尽可能加快，再辅助增加排气措施，可以防止薄壁件冷隔问题。2.3改进措施（1）将覆砂层厚度增加到 1012 mm；（2）加快浇注速度，增加内浇道截面积，4 个内浇道的截面积增加 13%；（3）增加盖箱面气孔针，分型面垫 0.3 mm 垫片，辅助排气；（4）浇注时间由 79 s 减少为 46 s。3效果验证先通过人工修刮内浇道，内浇道宽度单边修刮 3 mm 砂层，单个内浇道宽度由 46 mm 增加到52 mm，减少了内浇道间距，加快两股铁液交汇速度。验证了两轮 6 件铸件，没有发现冷隔和裂纹，浇注时间 5 s。确认后改模连续生产 50 件铸件，冷隔和裂纹均为 0，同时试制过程人为延长开箱时间 20 min、30 min 和 40 min，均未发现裂纹，其他缺陷也未发现，合格率 100%，同时材料质量 100%达到要求，大批量生产不存任何问题，效果比较理想。4结论（1）覆砂铁型工艺生产薄壁件必须加强排气，增加浇注系统面积实现快速浇注；（2）覆砂铁型工艺生产薄壁件需要加大覆砂层厚度，减少铁型厚度以减少铸件收缩阻力，防止铸件产生裂纹。参考文献1乔新坤，周卫兵，江超.3M78 缸体的铸造工艺模拟优化J.现代铸铁，2023（2）：40-45.2龚华林.新能源汽车差速器壳体的铸造工艺开发和改善J.现代铸铁，2023（1）：38-43.3王涛，扈守萍，贾连磊，等.带水套夹层排气管的铸造工艺J.现代铸铁，2023（1）：47-50.4陈洪涛，孙军，戚梦林.L 轴承箱型芯的铸造工艺设计J.现代铸铁，2023（1）：30-34.5何芝梅，沈永华，潘东杰.覆砂铁型铸造工艺在灰铁薄壁件上的应用J.热加工工艺，2001（4）：70-71.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）（上接第 11 页）分有利。（2）强化管理，防止高氮废钢无控制的混入炉内，如：高锰钢、耐热高铬铁素体钢及奥氏体钢等。（3）强化和完善检测手段，使用光谱分析仪及其他相关检测设备，将铁液中的氮控制在 60100 ppm 范围内，使铸件既不产生氮气孔，又使氮起合金化作用，进一步提高铸件的力学性能。参考文献1吴德海，钱立，胡家骢.灰铸铁球墨铸铁及其熔炼M.北京：中国水利出版社，2006.2陈国桢，肖柯则，姜不居.铸铁缺陷和对策手册M.北京：机械工业出版社，1990.3张伯明.铸造手册 铸铁（第 3 版）M.北京：机械工业出版社，2010.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）灰铸铁Gray Iron15