湿型铸铁件的表面缺陷比起其它铸造方法而言，湿砂型铸造固有的缺点是砂型强度、硬度低，含水分多，发气量大，型 砂的韧性不高，流动性有限，造型起模时容易掉砂，浇铸时又易被冲蚀和与金属液起反应，因而最易 产生铸件缺陷。湿砂型铸铁最容易形成的铸件表面缺陷主要为粘砂、夹砂、砂孔和渣孔、气孔、胀砂 等多种。轻微的缺陷可以通过修补、打磨和机械加工后仍然可用，而明显的和严重的表面缺陷则只能 作为废
品重新回炉熔炼。国外技术先进的湿砂型铸造工厂废品率只有 1%~3%左右。而我国当前有很多 铸造工厂的技术水平不高，原材料品质不善，缺乏有效的生产过程检测控制，造成铸件废品率居高不 下。我国铸造行业总的来说废品率一般都在 6％～16％之间，有的甚至到 20％以上。其中由于型砂引 起的废品率大约占一半。因此有必要研究铸件缺陷的生成原因和防止措施。 铸造工厂的技术人员经常感到对铸件的缺陷“捉摸不定”“神出鬼没” ， 。很多情况下不知缺陷是怎 么来的，后来又不知缺陷是怎样自已跑掉的。其主要原因为缺陷是个复杂的多因素系统工程。一种缺 陷的形成因素有多种，而且通常是多种因素同时起作用形成的。这些因素都控制在安全限度之内就不 会产生缺陷。即使其中某一种因素稍微超出安全限度，也不一定会出现缺陷。但是，如果多种因素超 出限度，或者又有某一因素严重超出限度，缺陷的生成就会经常化，废品连续不断。要想消除缺陷， 虽然在具体条件下，某一特定因素可能是属于主要因素之一，也要尽一切可能使每一影响因素全处于 安全范围内。 否则仍然不能彻底消除铸件缺陷。 这与日本等国在铸造行业推行 TQC （Total Quality Control 全面品质管理）时采用魚骨图的做法是类似的。以一家铸铁工厂的铸件表面出现机械粘砂查找原因所 用鱼骨图为例。列举出所有影响因素后，通过分析忽略一些不可改变的因素（如铸件壁厚、粗芯砂混 入） 。又通过检测排除一些不重要的因素，突出几种关键性因素，用方框显示。然后即可有针对性地采 取措施重点解决这些影响因素。型原砂 有效煤粉量低 强度低 粒粗 发气量低 煤粉品质差 流动性差 粗芯砂混入 SiO2 低 透气性高 紧实力不足 硬度差型铸 铁 件 机 械 粘表面耐磨性差静压头高 铸件壁厚、外形尺寸大 浇注温度高 浇注冲击力高缺少经验技能差砂知识不足 教育不足铸件图 1 某厂铸铁件机械粘砂原因分析鱼骨图 各铸造工厂的生产条件不同，不可能推荐出某一缺陷的标准鱼骨图，必须由工厂中从事品质保证 人员会同相关技术人员和操作工人自行绘制。 本文以下将选择粘砂、夹砂、砂孔和渣孔、胀砂和缩孔、气孔等最常见的湿型砂铸铁件表面缺陷 分别进行讨论。重点分析湿型砂本身的品质对形成铸件缺陷的作用，也会涉及砂芯、涂料以及铸铁件 材质等对铸件表面缺陷的影响。11 粘砂缺陷铸铁件表面出现牢固粘附砂粒的现象就是粘砂缺陷。通常可将 粘砂缺陷分为机械粘砂、化学粘砂、爆炸粘砂和热粘砂。在湿砂型 铸铁件中化学粘砂极为罕见。有些铸造工厂也会偶然出现爆炸粘砂 和热粘砂现象。以下将讨论机械粘砂和化学粘砂的区别，并详细说 明影响机械粘砂的各种因素和防治措施。然后也介绍爆炸粘砂和热 粘砂的形成原因。砂粒 金属1.1 机械粘砂和化学粘砂图 2 金相显微镜下机械粘砂砂型铸件表面的机械粘砂是铁液直接钻入砂型砂粒间孔隙，靠 金属的包围和钩连作用与砂粒连结在一起，没有发生化学反应。化学粘砂的产生原因是 高温铁液被氧化而生成氧化物，主要产物是氧化亚铁 FeO，其熔点为 1370℃。FeO 与型 砂的 SiO2 起化学反应生成硅酸亚铁（即铁橄榄石 FeO·SiO2） ，化学反应如下： SiO2 + 2FeO 2FeO·SiO2 硅酸亚铁的熔点极低，仅有 1220℃，因此流动性很好，即使铸件表面已有凝固壳， 新生成的硅酸亚铁仍呈液态，易于渗透入砂型孔隙中。凝结后的硅酸亚铁对铸件和 砂粒 硅酸亚铁 金属 型砂都有极强的粘结性，能够将型砂牢固粘附在铸件表面上而成个化学粘砂。 用湿型砂生产铸铁件一般只形成机械粘砂， 而不会形成化学粘砂。 这是因为铁 图 3 化学粘砂示意图 液中含有多量碳， 不会产生大量氧化铁等金属氧化物。 砂型中又含有相当多的煤粉， 浇注时产生的还原性气氛能防止金属氧化物。原砂的 SiO2 含量较低也不是湿型铸铁件形成化学粘砂的 必然条件。研究结果表明，使用 SiO2 含量只有 82%左右的黄河风积砂，用湿型生产铸铁件并未发现有 化学粘砂。 凭肉眼区别两种粘砂是比较困难的，通常可用以下方法区分： ⑴显微观查：从粘砂层上敲取一小块，用液体树脂固定并磨制成试样，用金相显微镜观察。如果是机 械粘砂，可以清楚看到单个砂粒夹在金属之中。渗入的金属与砂粒间有明显的分界线，不存在任何化 学反应产物。渗入的金属金相组识与铸件本体的金相组织一致（见图 2） 。如果是化学粘砂，则可以看 见在粘砂层中有新生相将铸件和砂粒粘连（见图 3） 。 ⑵电测：机械粘砂中连结物是金属，具有良好的导电能力。将万用电表的旋钮开到电阻测定档，用一 个电极接触铸件，另一电极接触粘砂部位。如果电阻接近为零，表明粘砂是金属包裹砂粒形成的机械 粘砂。如果显示有巨大电阻，表明粘砂部位已经形成不导电的硅酸亚铁，属于化学粘砂。 ⑶化学鉴别：用扁铲凿下一小块粘砂块，浸入盛有浓盐酸的试管中。如果缓慢发生气泡，一夜之后液 体颜色由无色透明变为棕红色。反应终了时粘砂块消失，试管底部留下少数单个砂粒，铁质部分已被 盐酸溶解成为氯化铁，说明是机械粘砂。化学反应式为： 2Fe + 6HCl 2FeCl3 +3H2↑ 如果是化学粘砂，则气泡产生很少，酸液也没有明显的变化。最后的残留物是多孔性团絮状物质。1.1.1 各种因素对机械粘砂的影响实际生产经验表明，湿型铸件的重量一般不超过一、二百千克，壁厚大多不超过 50mm，型砂中 水分引起激冷效应使铸件外壳较快冷却和凝固，对型砂的加热作用并不过分严重。虽然铸铁用原砂中 除了含有石英（熔点 1715℃）以外，还含有相当数量熔点较低的长石（熔点 ℃） 、云母（熔 点 ℃）及其它矿物质，但同时铸铁湿型砂中含有的煤粉抑制了氧化铁的生成，因而不致引 起化学反应。 以下将分别讨论铸件产生机械粘砂的各种影响因素： 1.1.1.1 砂型紧实程度 手工造型和震压造型的紧实程度如果较低，则砂型表面 的砂粒比较疏松，砂型型腔的坑凹处和拐角处局部也都更容 易出现疏松。如金属液钻入砂粒之间孔隙不深，将使铸件表 面显得粗糙；钻入较深和包裹砂粒则形成机械粘砂。造型工 人可以采取手指塞紧、用冲锤的尖头冲紧砂型局部。高生产 率的高密度造型是否有局部疏松，则取决于型砂流动性如 何，因而很多工厂尽量降低型砂紧实率来提高型砂的流动 图 4 松软砂型引起机械粘砂 性。在加砂和压实过程中采用微震是十分有效的。此外，也2取决于对紧实砂型的液压或气压设定高低。 图4为一灰铁汽车铸件出现机械粘砂， 使用进口静压造型机， 一箱两件。但液压系统的压力调节不适当，砂箱的压实比压较低；而且两件之间和与砂箱的吃砂量仅 有25mm左右。砂型平面硬度只有50～60，边缘侧面硬度不足40。 1.1.1.2 型砂的粒度和透气性 湿型的砂粒粗细一方面要保证浇注后排气通畅，另一方面湿型砂的透气能力又不可太高，以免金 属液容易渗透入砂粒之间孔隙中。手工造型生产小件的砂型上扎有较多排气孔，而且往往采用面砂， 砂粒可以细些，透气率 30～60 大约已然合适。机器造型湿型单一砂的型砂粒度大致在 70/140 目，透 气率大多在 60～90 的范围内。高密度砂型比较密实，则要求型砂有较高透气能力。粒度大多在 50/140 或 140/50 目，透气率较多集中在 100～140。很多工厂的砂芯用原砂粒度比型砂粒度粗，例如汽车发动 机缸体砂芯用原砂粒度为 50/100 目，长期生产会有大量芯砂混入型砂而使型砂粒度变粗。有些工厂的 型砂透气率高达 160 以上，甚至达到 200 左右。除非在砂型表面喷涂料，否则铸件表面变得粗糙，甚 至可能有局部机械粘砂。美国有一工厂在混制湿型砂时加入 100、140 目两筛细粒新砂 5％来纠正型砂 变粗现象，使型砂粒度维持在 50/140 的四筛分布。 1.1.1.3 铁液压力 铁液压力越高，机械粘砂就越严重。因此，高大铸件的下箱底部比较容易形成机械粘砂。 1.1.1.4 浇注温度和铸件壁厚 铁液温度高，流动性好，就容易渗入砂粒之间孔隙而产生机械粘砂。但从避免铸件产生气孔、冷 隔等缺陷考虑，浇注温度不可任意降低。生产复杂薄壁铸件时尤需较高浇注温度。 1.1.1.5 砂型涂料 生产重量较大的湿型铸件，可以向砂型的型腔喷刷醇基涂料，点燃后即可下芯与合型。一般上型 可以不喷涂料，因为所受金属液压头比下型小。喷涂料的另一优点是提高了砂型表面耐冲刷能力。但 是湿型用涂料的配方不同于砂芯用涂料，其強度不可太高，必须与砂型强度匹配，否则可能使涂层开 裂翘皮，并使铸件产生夹砂缺陷。对内腔要求不高的一般铸铁的湿砂型中如果有树脂芯或油砂芯，为 了防止金属液钻入砂芯，可以在硬化后的砂芯表面局部容易渗透金属液处，涂抹用机油或其他粘结剂 加石墨粉、石英粉或其它耐火粉料调制的涂料膏，凉干后即可下芯。当生产内腔清洁度和光洁度要求 很高的铸铁件（如内燃机缸盖、机体、液压系统阀件等）时，砂芯采取整体浸或浇涂料而后表面烘干。 手工生产铸铁件时，常用软毛刷将土石墨粉细心涂刷在湿砂型和砂芯表面上。也有的喷石墨与水混合 液， 晾干后即可浇注。石墨粉可以填塞孔隙， 又不被铁液润湿，铁液难以钻入砂粒之间。美国Caterpillar 铸造工厂用高压造型大量生产工程机械大型发动机汽缸体，其克服机械粘砂的措施是靠对上、下砂型 全面自动喷水基涂料。然后用大火焰喷枪自动喷烤，使涂层和砂型表层干燥。这种表面烘干的型砂所 用膨润土、煤粉等材料的品种和加入量，以及型砂性能控制均不同于普通湿型砂。 1.1.1.6 型砂的煤粉量 湿型铸铁件防止粘砂和改善表面光洁程度最主要的型砂加入物是煤粉。但是市售煤粉良莠不齐。 一般生产中等大小铸铁件型砂中有效煤粉量可能在 3.5~7.0%， 主要取决于煤粉品质和对铸态表面的要 求不同。为了排除煤粉品质的影响，可以只用 1g 型砂在 900℃的发气量代表有效煤粉含量。例如普通 机器造型的型砂发气量可以在 20~26mL/g 之间，高宻度造型的型砂发气可以是 16~22mL/g 范围内。国 外常用测定灼减量方法估计型砂中煤粉含量是否足够多。例如有些工厂要求型砂灼减量在 3.0~5.0%。 在实际生产中可以观看铸件的外表形貌就可以查觉出型砂所含有效煤粉量是否合适。如果铸件表面毛 糙，而型砂的透气率和砂型紧实程度都无不妥之处，可能有效煤粉不足或者煤粉品质不良。如果铸件 表面有明显的蓝色，但较为粗糙，可能有效煤粉量已够，而型砂透气性偏高，或砂型紧实程度不够。 目前我国有多种煤粉代用品商品供应。其中淀粉材料的抗粘砂效果与优质煤粉基本相当。但只适 合用来生产灰铁铸件，如用于生产球铁件有可能产生皮下气孔缺陷，因为不能产生足够还原性气氛。 还有些“煤粉代用品”商品，其真实的具体配方不详，使用效果也有很大差异。用户应当靠浇注试验 来判断其实际抗粘砂效果。可用同样的原砂（不可用旧砂，以免干扰试验结果）和膨润土、水，再分 别加入不同抗粘砂材料用小混砂机混制型砂。应设法保持型砂透气率、紧实率接近，造型硬度相同， 浇注温度相同。比较铸件表面光洁程度，然后即可做出选用决定。 国外生产抗粘砂商品主要有两类：①增效煤粉（高效煤粉） ：在煤粉中加入 20～40％高软化点石油 沥青，使其光亮碳含量提高到 12～20％，抗粘砂能力大为提高。现在我国也有几家公司供应增效煤粉。 ②混合附加物：是优质膨润土与优质煤粉的混合物，也可再根据需要加入淀粉、木粉等材料。大型铸 造工厂一条生产线中的产品特征接近，膨润土与煤粉的比例不需经常改变。采用混合附加物易于控制 管理，设备简化。配方由供需双方的工程师根据铸件生产条件共同制定。用散装罐车运送到车间，气 力输送进材料罐。用户混砂时只加一种附加物即可。3单一砂混砂时煤粉的补加量首先取决于煤粉本身的品质优劣如何，同时也受砂/铁比、铸件厚度、 浇注温度、冷却时间、清理方法、对铸件表面光洁度具体要求等等因素的影响。德国有些工厂表示煤 粉补加量的单位为每 100kg 铁水和每 1％光亮碳形成物 （即有效煤粉） 的煤粉补加量 kg。 例如 Mettmann 铸造工厂统计生产中光亮碳形成物（煤粉）补加量在 0.14～0.27kg / 1%光亮碳形成物 / 100kg 铁。德国 南方化学公司的实例中砂/铁比为 10:1，浇注每吨铁的 ECOSIL 煤粉消耗量 18kg / t Fe。即浇注每吨铁 水用 10 吨型砂，型砂中补加 18kg ECOSIL 煤粉，折合混砂时煤粉补加量为 0.18％，如果按照我国大多 数工厂砂/铁比 6:1 左右，则 ECOSIL 煤粉混砂加入量应为 0.30％。根据铸造手册“造型材料” （第 2 版 103～104 页）介绍，我国东风汽车公司、一汽铸造有限公司、中国一拖集团公司、上海汽车发动机公 司和南京泰克西铸铁有限公司的高密度造型线湿型单一砂配方 14 种，混砂时煤粉加入量最高者 3～ 4％，最低者 0.3～0.5％。另外一汽、泰克西、上海发动机厂的震击造型单一砂 4 种。混砂煤粉加入量 最高者 3～5％， 最低者 1～1.25％。 上述我国工厂中大多数的煤粉补加量高的原因在于这些工厂所用煤 粉品质低。笔者由近几年我国个别工厂使用优质煤粉和增效煤粉的经验表明，一般湿型铸铁件单一砂 的混砂煤粉补加量在 0.15～0.3％之间，个别厚大件为 0.5％。抚顺某厂的气冲线砂铁比平均为 11:1，同 一车间内的挤压线砂铁比平均为 7.5:1，两条线共用砂处理系统混砂的增效煤粉加入量仅为 0.08～ 0.12％。由此可见，即使优质和增效煤粉价格稍高（不到普通煤粉的两倍） ，但消耗量仅为普通煤粉的 几分之一。使用后不仅生产成本大幅度下降，还节省了贮存和运输费用。而且型砂中含泥量、含水量、 大幅度下降，韧性、透气率、起模性得到提高。不但铸件表面光洁，而且气孔、砂孔等缺陷必然明显 减少。1.2 爆炸粘砂在机械化铸造工厂的浇注流水线上，经常看到浇注后，几乎每一节小车的台面与砂箱之间都会发 生爆炸，这并不会引起铸件缺陷。但是有时偶尔还可以看到另一种在型腔内部发生引起铸件表面粘砂 的爆炸，称为爆炸粘砂。与通常机械粘砂出现在浇注位置的下表面和热节处不同，爆炸粘砂大多发生 在铸件浇注位置的上表面。 爆炸产生原因是开始浇注时砂型的水分蒸发凝聚在温度较低的型腔上表面， 当金属液面上升与型腔上表面接触时水分骤然蒸发而发生爆炸，产生的巨大气体压力迫使金属液钻入 砂型表面而成粘砂。有时爆炸相当猛烈，金属液甚至从冒口喷出直冲房顶。型砂含水量和紧实率高、 含煤粉量高、砂型硬度高、通气条件不良和浇注速度过快时较易发生爆炸粘砂。高密度造型的铸件可 能会出现这种爆炸粘砂缺陷。1.3 热粘砂热粘砂是比较少见的粘砂。有以下几种现象：⑴铸铁件湿型砂用原砂的 SiO2 含量较低， 例如是黄河风积砂和一些工厂当地河砂或山砂的 SiO2 含量只 有 80％左右，原砂本身的烧结温度较低。浇注厚大件时，铸件表面被一厚层砂包裹。如果型砂中含有 充分的煤粉，烧结砂层容易脱落和被清理掉，不出现机械粘砂。 ⑵河北省有一家用挤压造型机生产灰铸铁汽车件工厂，平日铸件落砂后大部分表面都能显露出来，经 过短时间抛丸清理后铸件表面相当清洁。但是有一次突然发现铸件落砂后表面被一层砂子包裹。铸件 抛丸清理后能够较容易地露出表面，表明铁液并未钻入砂型中，不属于机械粘砂。所出现的异常现象 属于“热粘砂”缺陷。产生原因不会是原砂二氧化硅降低，因为该厂一直使用品质稳定的内蒙砂。铁 液浇注温度也未过高。怀疑是膨润土公司处理活化膨润土时加入碳酸钠配料量过高引起的。碳酸钠本 身是冶金用熔剂，能够降低硅砂和膨润土的烧结点和熔点而引起热粘砂。 ⑶广东有一家冰箱压缩机铸造工厂，电炉熔炼高温浇注，挤压造型。型砂用原砂为广东当地硅砂，SiO2 含量高而粒形不佳，落砂后的铸件外表完整地包裹一厚层砂，看不到铸件，经抛丸机清理后才露出表 面光洁的铸件本身。估计该厂的湿型砂含煤粉不足，靠近铸件界面处可能有轻微机械粘砂，其外面的 型砂中砂粒和人工活化膨润土又有一定程度烧结而呈现部分热粘砂。2 铸件砂孔、渣孔缺陷砂孔和渣孔通常统称为“砂眼” ，它是铸件上出现最频繁 的表面缺陷。只有当孔眼较大，凭眼睛观察孔眼中夹杂物的色 泽才有可能分辨出来是砂子还是渣子。虽然能够用扫描电子显 微镜和能谱分析装置进行判断，绝大多数工厂无此检验条件。 以下将分别讨论砂孔和渣孔的来源和防止措施如下。2.1 砂孔4图 5 砂孔砂孔的形成原因主要是由于造型的工艺和操作，以及型砂品质不良造成的（见图 5） 。2.1.1 芯头与芯座间隙湿型铸造可以利用砂型的微弱变形能力，不必过多加大上砂型的砂芯座宽度，即可在合型时将砂 芯头准确插入上型腔的芯座中。但有的铸造工厂中使用的合型定位销精度较差，或者仅为使用手工画 泥号定位办法，如果预留间隙不够大的，就会碰坏上型芯座使碎砂掉入型腔中。对于完全机械化流水 线，造型下芯后，用自动合型机扣箱，间隙应当等于造型和合型设备精度偏差之和。 有些铸件侧面凹凸不平，为了生产方便和降低生产成本尽量避免使用砂芯，而采用随形弯曲的分 型面来形成铸件侧面不平的轮廓，就应考虑靠近铸件界面处形成弯曲不平分型面砂台的侧面斜度。假 设机器的合型精度为 0.5mm，不平分型面的砂台侧面斜度 45°，模板设计时上型和下型没有预留的间 隙，合型时该处利用型砂微弱的塑性可以稍许退让，预计不至于被挤坏。假如不平分型面的倾斜角接 近 80～90°，即使模板余留间隙为 0.5mm 也不能保证分型面的砂型不被挤坏。遇此情况，较好的解决 方案是加大倾斜分型面的间隙。间隙的水平方向宽度应当大于机器的合型精度加上模板的尺寸偏差。 浇注和落砂后再铲磨掉铸件的披缝。另外，砂型与模样接触处的夹角不可小于 90?，避免砂型形成尖锐 棱角。这是因为湿砂型的强度与树脂砂型相比小得多，在合型时湿砂型的尖棱角容易碰撞掉落，也很 容易被浇入的金属液冲刷掉落而形成砂孔缺陷。2.1.2 脱模剂的作用湿型砂造型在模板上喷涂脱模剂就是用来消除湿型砂对模样或模板的附着力。手工造型时多半使 用滑石粉为脱模剂，机器造型多用煤油或轻柴油或其它专用商品脱模剂喷涂模板。但是，不管使用何 种脱模剂，都要尽量少用，而且分布均匀，避免低凹处局部堆积，以致脱模剂破坏砂型强度，诱发砂 孔缺陷。另外，如果机器的起模机构不平稳，或模具状态不良，也会使砂型产生裂纹。合型时受压就 会有型砂脱落到型腔中，浇注时随金属液漂浮离开原来位置。如果从铸件上看到有“多肉”处，表明 该处有一块砂子掉落，就应仔细查找砂孔究竟在铸件的何处。2.1.3 手工挖掘浇注系统手工开挖出来的浇道表面粗糙和坑凹不平。 虽然经过抹刀修补和压平， 砂子与砂型并未结合牢固。 受金属液冲刷就会被带走，成为铸件表面砂孔。应当采用浇注系统模样造型。2.1.4 型砂品质湿砂型的强度和韧性比之树脂砂型和水玻璃砂型相差极大，这是湿型砂容易产生砂孔的最根源。 2.1.4.1 湿型砂的强度 型砂的湿态强度不足，受高速流入金属液冲刷时，由内浇口直冲正对面砂型或砂芯，就会冲蚀成 坑。凸台和棱角也有可能被冲碎混入金属液中。冲下的砂子将随金属流而去成为砂孔。有时砂孔不易 发现，但由浇注系统和铸件上可以看到有多余的“肉” ，该处的砂就成为砂孔中的砂子。为了防止浇口 冲刷，应当将内浇口尽量设计成分散的或向铸件展开的喇叭形。也还要保证砂型有足够强度。各种造 型方法不同，要求的型砂湿压强度也有区别。手工小件的型砂湿压强度至少应为 60～85kPa；震压机器 造型的动作较猛，湿压强度应为 80～100kPa；气动微震造型大多在 100～140kPa；高密度造型（包括 挤压、射压、静压、高压等）最好在 140～180kPa。有些湿型在合型以前需要敞开砂型一段时间，应当 注意型砂的风干强度。尤其是手工造型生产较大铸件时，需要较长时间修理砂型、开挖浇道，或者等 待下芯，以致型腔表面风干脱水而削弱表面强度。浇注时表面砂粒极易被金属液冲刷脱落而形成砂孔 缺陷。由于湿砂型所含膨润土数量有限，形成的强度不高。含水量降低将大大损害砂型表面强度。因 此，造型后应尽快合型。提高型砂耐风干能力的办法可以是加入α–淀粉或糊精 0.5~1.0％左右。手工 造面积较大的湿砂型时，修型后用喷雾器向被风干砂型表面均匀喷少量水后合型，也是防止砂孔的有 效措施。 2.1.4.2 湿型砂的韧性 型砂不可太脆，应当具有一定的韧性。否则在起模、下芯、合型和运搬时砂型的棱角和吊砂受到 冲击和震动容易碰碎或掉落而产生砂孔缺陷。但型砂韧性也不应太高，以免其流动性下降而影响砂型 的紧实程度。 工厂最常用破碎指数来测定湿型砂的韧性。 我国几家铸造工厂的型砂破碎指数大多在 70～ 90％之间。 2.1.4.3 优质膨润土和充分混砂 假定型砂的干湿程度（紧实率）处于最适宜状态，型砂的含泥量（包括有效膨润土、有效煤粉和 无效的灰分）并未超额。则湿型砂的强度和韧性主要取决于： ⑴所用膨润土的品质和数量：我国膨润土矿藏非常丰富，但膨润土的品质不一。用原砂与5％膨润土加 水，控制紧实率45±2％，混制待试型砂，检测型砂标准试样湿态抗压强度为判断膨润土湿态粘结力的 最直接方法。优质膨润土的湿压强度可达90～110kPa，顶级膨润土可达110～145kPa。低档膨润土大约5在50～70kPa。一般对铸件表面要求不很严格的小件手工铸造工厂，可以选用中等级别的膨润土。但是 大量成批生产铸造厂和机械化铸造工厂，尤其应当注意所购入膨润土的品质。选用优质膨润土混砂的 铸铁工厂单一砂加入量一般不超过混砂量的0.9％。 ⑵混砂是否充分：国内很多工厂混砂时间严重不足。原因是设计砂处理工部时采用的技术指标陈旧， 是按照过去低密度造型、低强度型砂制定的。我国碾轮混砂机生产工厂规定每批型砂的混砂周期（包 括加料和卸料时间在内）只有2.60～2.70 min。与日本丰田汽车公司上乡工厂的碾轮混砂机混砂周期6 min相比， 差别甚巨。 周期时间短就无法使膨润土的粘结力充分展开， 混砂机的效率没有得到充分发挥。 后果是型砂强度不足，韧性偏低，铸件砂孔缺陷多。如果旧砂中混有溃散的树脂砂芯，混碾时间不足 的型砂显得发散和发脆，就更容易形成砂孔缺陷。2.2 渣孔按金属液中渣滓形成时间的先后，有两种不同的渣滓。2.2.1 熔炼、处理的渣滓熔炼会产生炉渣，铁液的孕育、球化处理过程又会在浇包中生 成渣子，这些渣子等杂质不可避免漂浮在浇包金属液面上，有可能 与金属液一同流入型腔内而形成渣孔缺陷（见图 6） 。 去除这些杂质的有效办法是在浇包的表面撒集渣剂，使杂质与 图 6 渣孔 半熔的集渣剂黏着在一起，即可用铁棍挑出或截阻。应用良好的集渣 剂主要组成物是珍珠岩或火山灰。各地矿产的珍珠岩品种不同，主要区别在于熔点和粘度不同。因此 有的原料供应工厂还对采得珍珠岩矿石进行专门配制和加工，以使其适合不同金属液的出炉除渣处理 温度。我国有些南方工厂习惯用稻草灰当作集渣剂。稻草灰对金属液有保温作用，但对飘浮的炉渣只 有轻微激冷作用，集渣效果不良。北方有些小厂习惯在包中的金属液表面撒干砂当作集渣剂，虽然对 漂浮的炉渣起一定的激冷作用，使渣子开始呈现凝结。但干砂完全不熔融， 对炉渣的集渣作用极小。因而浇注时草灰、砂子和渣子都容易随金属液流入 型腔中而成夹杂性缺陷且往往与气孔相伴隨。除了使用集渣剂以外，还可在 浇注系统中放入过滤网或过滤片，也可在横浇道设置集渣包，都能够更有效 地防止渣和砂进入型腔中。2.2.2 黑渣和石墨漂浮金属液在浇包内去除或挡住渣滓后，进行浇注直到充型过程中形成的渣 滓。球墨铸铁形成的黑渣最为典型（见图 7） 。当铁液液面降温过程中，开始 形成液态氧化渣膜，随着温度降低，渣膜量逐渐增加。继而产生固体渣。浇 注进入型腔中固体渣漂浮在上型的上表面，成为黑渣缺陷。黑渣的化学成分 主要由多种氧化物组成，例如有 MgO、FeO、Al2O3、SiO2 和稀土氧化物，其 图 7 球墨铸铁件黑渣缺陷 它还有 Mg2SiO4 以及 MgS 和稀土硫化物。为了防止球墨铸铁的黑渣缺陷，应 当控制原铁液的含硫量，在浇包液面上撒集渣剂来避免铁液氧化，提高浇注温度不低于 1350℃，浇注 系统的设计应使铁液尽快和平稳流入型腔。球化处理完毕渣扒净后在浇包液面上撒冰晶石粉 （Na3AlF6） 。黑渣严重时，型腔表面上或面砂中可以放冰晶石粉。因为冰晶石在 1000℃以上成为溶液 能溶解 Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、Mn3O4 等各种氧化物，成为 除渣熔剂；其沸点为 1011℃，分解出气体 AlF3 能保护铁液表面 不被氧化。但冰晶石有毒，须慎用。 you 有时铸铁件上表面机械加工后出现成片的黑色斑痕。仔 细观察或用放大镜检查可以看到在铁的基体上遍布着细小的黑 色斑点和短条纹（见图 8） 。金相显微镜下为粗大石墨，检测其机 械性能都较低。这种缺陷属于“石墨漂浮” ，俗语称为“黑斑” 或“苍蝇脚” 。主要出现在铸件较厚大断面上，和铸铁的碳当量 过高、浇注温度过高时。防止石墨漂浮的措施是加强炉料的选择 和配比，适当增加炉料的废钢量，严格控制铸铁的碳当量。图 8 石墨漂浮缺陷63 铸件夹砂缺陷无涂料的湿砂型和有涂料的湿 砂型都有可能形成夹砂缺陷，以下将 分别讨论。3.1 无涂料湿型夹砂缺陷3.1.1 湿型夹砂缺陷的形成原因常见的夹砂缺陷（俗称结疤、起图 10 夹砂缺陷之二痂子、起沟、起溜子、呲砂等）有如 图 9 夹砂缺陷之一 下几种形状特征和生成原因： ⑴块状： 与通常的机械粘砂和化学粘砂不同之处是块状物并未与铸件 本体完全连接，两者之间被一薄层型砂层相隔开。用扁铲撬凿即可将 块状物铲下来。块状物的背面有树枝状脉纹，这是金属液流入结疤块 的通路（见图 9） 。夹砂的生成原因是原砂中石英受热相变膨胀，同 时型砂的热湿强度较低造成的。 湿型砂的型腔表面受到浇入金属液的 烘烤，表层型砂中的石英颗粒在 573℃发生相变而剧烈膨胀，与此同 时型砂表层的水分向内迁移形成高湿度、低热湿强度的凝聚层。由于 型砂的热湿剪强度不够阻止膨胀砂层的横向滑移， 热湿拉强度液不够 阻止砂层的拱出， 因而金属液就有可能由拱起砂层的裂口钻入里面而 形成块状夹砂。 ⑵沟槽状：如果铁液没有钻进拱起的砂层，就会使铸件表面形成沟 图 11 湿型夹砂的生成机理 槽状夹砂 （如图 10） 图 11 为以上两种夹砂缺陷的形成机理示意图。 。 块状和沟槽状夹砂大多发生在型腔上表面。当砂型上表面受热烘烤 时，砂型表面层能够自由拱起。而在砂型下表面有金属液整体覆盖压紧，砂层就不会拱起形成夹砂缺 陷。 ⑶细条纹状：又称为鼠尾，在砂型的下表面 有金属液流过而不能立即覆盖时， 可能在液 流的两侧出现型砂膨胀滑移， 向外翘起露出 尖锐的砂条， 浇注后砂条的缝隙处呈现出细 条毛刺状金属和浅沟， 或者仅可看到条状纹 路。图 12 为一圆盘铸件，由底面看到内浇 道进入处有两条鼠尾，形成原理见图 13。 生产汽缸体类侧面为平面的铸件时， 每到金 属液升高到缸筒平板位置， 金属液面暂时停 顿不升高，不能立即覆盖砂型的垂直表面， 也会出现轻微薄条状毛刺。 虽然同样属于夹 砂，但经过抛丸清理即可脱落，并不影响 图 12 靠近内浇道两侧的鼠尾缺陷 铸件品质。 图 13 鼠尾生成机理3.1.2 湿型夹砂缺陷防止措施夹砂缺陷的主要防止措施如下： ⑴原砂：我国东北、华北和部分华东湿型铸铁工厂使用原砂 SiO2 含量不高，大致在 82~92％范围內， 热膨胀应力不高。湿型铸钢生产使用福建等地原砂的 SiO2 含量可能高达 96~97%，只要用好活化膨润 土，也不需要担心产生夹砂缺陷。 ⑵膨润土和热湿强度：天然钠基膨润土和人工活化膨润土都具有较高的热湿态粘结力，能够防止湿型 铸件生成夹砂缺陷。我国拥有大量钙土矿源，各膨润土公司都有人工活化土供应。因而铸造工厂选用 了优质活化膨润土，使一般铸件的型砂热湿拉强度在≥1.5kPa，高压造型生产汽缸体≥2.5kPa，铸件就 不会出现夹砂缺陷。 ⑶型砂附加物：铸铁湿型砂加入煤粉不仅是抗粘砂灵验配方，而且生产经验表明，对减轻夹砂缺陷也 大有补益。这与煤粉受热产生胶质体，提高了型砂的热塑性有关。在湿型砂中另外加入木粉、淀粉等 材料遇热体积缩小，为原砂的膨胀留有余地。这对于所用原砂 SiO2 含量较高时，可以避免出现夹砂缺 陷。7⑷膨胀槽：上世纪 50 年代中期，第一汽车厂建厂时由国外引进的离合器壳体、变速箱壳体等铸件的模 板可以看到铸件易产生夹砂缺陷的部位有网格状尖角凸棱。为的是造型时在砂型表面形成网格切槽， 可以吸收型砂遇热表面的膨胀。由于一汽的内蒙原砂含 SiO2 不高，而且不久以后掌握了膨润土活化技 术，砂型切槽已不再需要。有的手工造型工厂中，工人用抹刀将易产生夹砂的大平面砂型表面切出网 格状浅槽也是为了同样的目的。但是只要使用活化膨潤土，这种切槽的措施都已不需要。3.2 涂层开裂结疤缺陷喷涂水基或醇基涂料的湿型铸件也偶然发现有涂料层结疤缺陷。 原因是铸型表面上的涂料层受到烘干或点燃加热和浇入金属液的高 块状结疤 温加热使涂层开裂，以致金属液由涂层裂缝钻入。结疤的形状与前段 所述的块状夹砂类似。经常被误认为粘砂缺陷，区别的办法是结疤块 容易用扁铲撬凿脱落，而且可以看到砂块与铸件本体之间有一层较光 滑的涂料膜隔开。图 14 为一个带筋铸件的涂料结疤。由于砂型（或 图 14 涂层开裂结疤 砂芯）在筋条与平板之间的夹角处的紧实程度差，砂粒孔隙较大。而 该处涂层受双面加热而开裂，致使金属液钻入涂料层下面的砂粒中。 为了防止涂料层产生结疤缺陷，涂料应当能够承受激热开裂检验，以保证涂料层不开裂。一般而 言，要避免涂料层开裂应当注意： ⑴铸铁件用黑涂料的石墨粉应当是土石墨粉和鳞片石墨粉配合使用。完全用土石墨粉成本低，但易开 裂。目前有的工厂为了降低涂料的生产成本，在粉料中掺加多量价廉材料如石英粉或铝矾土粉，使涂 层的热膨胀性显著增大，浇注时容易开裂而产生结疤缺陷。 ⑵粉料不可过细，粉料颗粒大小最好是由粗到细均匀分布或是双峰分布。这样的涂料才能够保持较高 的粉/液比，流动性高，而且涂层不易开裂。 ⑶湿砂型用涂料的粘结剂加入量宁可偏少，希望涂料干燥硬化后强度稍低一些，以便与湿砂型基体的 强度相匹配，受热时不致翘皮。 ⑷悬浮剂也不可过多，否则涂层受激热时易收缩开裂，严重时点燃烘干就可能已经裂开。 ⑸涂料粘度不可过高，否则不易渗透进入砂粒孔隙，涂层与砂层之间缺少机械勾连。涂料最好能渗入 砂层 3mm 或更多些，否则受浇注热作用后最易开裂翘皮。 ⑹湿砂型上喷涂料最好是整个型腔面全部喷涂料，如果只是局部小范围喷涂料需当心在涂层边缘处有 可能翘皮。4 胀砂与收缩缺陷铸件出现外形和尺寸超出了图纸的要求和模样的形状，称为胀砂缺 陷。铸件内部出现孔洞、疏松，或外表出现凹坑，称为收缩缺陷。前者主 要由于砂型的型壁移动形成的。后者主要由于金属液收缩形成的。但是， 有些铸件的胀砂与收缩联系在一起，胀砂会造成更加严重的收缩缺陷。因 此，将两种缺陷一并讨论。4.1 湿砂型的胀砂湿砂型的胀砂（型壁移动）原因主要有两种，一个是金属液的静态压 力和动态压力可能会引起砂型扩大和铸件胀砂。另一个是由于铸铁件石墨 析出的膨胀力，将随后讨论。 图 15 砂型松软引起胀砂 如果砂型松软和刚度差，遇到金属液的压力作用，型壁就会退让而引 起铸件胀砂（见图 15） 。刚度的含义是物体受力作用时抵制变形的性能。在常温下影 响湿砂型刚度的主要因素有二：型砂的强度和砂型的紧实程度。因此，要使砂型具 有足够刚度，必须混制出高湿态强度（主要是湿压强度）的型砂，还要充分地紧实 砂型。不仅注意型腔平面和立面，而且注意型腔底面和角落的紧实程度。在生产中， 通常测定局部的硬度代表砂型的刚度。4.1.1 砂型硬度计测定砂型硬度最简单方法是用手指按砂型。根据按出坑的深浅和手指感觉阻力 如何判断砂型的软或硬。美国铸造学会规定砂型硬度计有 A 型、B 型和 C 图 16 湿型硬度计外观图 型三种（见图 16） 。表面盘大小如计时停表。表的测定杆末端为测头，杆的 1— 压头 2—底面 上端的齿杆带动齿轮和表针旋转。使用时将测头按向砂型，根据砂型软硬 3—锁紧装置 4—刻度盘 5—调节圈 6—指针 不同，测杆克服弹簧力向上移动一段距离。齿杆带动齿轮和表针旋转不同8角度，表示出砂型硬度不同。A 型表应用最广，测头为直径 5.08mm 的半圆球形，适合测定普通湿砂 型硬度。B 型测头直径增大为 12.7mm，适于测定粗粒砂型硬度。C 型测头改为 75°锥形，目的是测定 高密度砂型硬度。我国铸造工厂曾经仿制的砂型硬度计为 A 型，测头直径改为 5.00mm。现仪表工厂 也生产有 B 型硬度计供应。4.1.2 提高砂型硬度的关键以下列表举例分别大致说明手工造型、震压造型（压实比压约 0.15～0.4MPa） 、气动微振造型（压 实比压约 0.4～0.6MPa）和高密度造型（压实比压≥0.7MPa）所达到的工艺参数和数值。通常使用的 工艺参数为型砂试样抗压强度、砂型平均紧实密度和砂型硬度。砂型硬度是指平面部分的硬度而言。 侧面硬度较低，凹陷部位砂型硬度更低。硬度较低的砂型或砂型部位不仅容易胀砂，而且有可能出现 粘砂缺陷。型砂试样抗压强度[kPa] 手工造型 震压机器造型 气动微振造型 高密度造型 50～75 75～100 90～140 140～180 砂型紧实密度[g/cm3] 1.2～1.3 1.3～1.4 1.4～1.5 1.5～1.6 砂型硬度[度] 50～70 70～80 80～90 ≥904.1.3 砂型吃砂量不足有时可以看到铸造工厂为了增多铸件生产量，在模板上尽量多摆放模样，以致模板四周和模样之 间的吃砂量不够多。由于靠近砂箱壁和模样间的型砂紧实困难，使该处的砂型难以达到必要的刚度。 浇注金属液时受到静压力和动压力使型腔胀大，而且型腔常出现裂纹。铸件会出現明显的胀砂和条状 毛刺。例如某纺织机械厂用脱箱砂型铸造一排长约 180mm，直径 25mm 的灰铁圆棒。 为了提高生产率， 两侧吃砂量只有 20mm 左右。浇注出最外侧圆棒表面的出现多条轴向长条毛刺。尺寸较高的模样对型 砂流动阻力更大，更需较宽吃砂量。缺少砂箱保持的脱箱造型，更需足够大的吃砂量和局部紧实，否 则铸件的靠近外边缘部位也会胀砂。4.1.4 低烧结点型砂有些湿型砂铸件上出现网状毛刺 （如图 17） 毛刺的产生原因不 ， 是由于胀砂引起的，而是由于型砂中细粉材料过多，或防膨胀加入 物如煤粉、淀粉、纤维素过多，浇注时砂型受热收缩开裂，裂纹成 网状，浇入的金属液钻入裂纹缝隙中，冷却后成成为毛刺。山东烟 台一家新开办的手工造型生产出口平底煎锅的小工厂，铸件表面也 有网状毛刺。原因是混砂使用了附近金矿排出的废砂作为原砂。估 计废砂的矿物成分主要是长石而不是石英。钾长石、钠长石和钙长 图 17 网络状毛刺 石的熔点分别只有 ℃，1100℃和 ℃，远低于 铁液的浇注温度。浇注铁液后砂型表面砂粒烧结、收缩和开裂，铸件上出现网状毛刺。经打磨掉毛刺 后，铸件仍然用于出口销售。4.2 收缩缺陷铁液在铸造过程中，从开始浇注到落砂冷却，体积一直在收缩。发生的收缩可以分为三个阶段： ⑴液态收缩：从浇注温度降温至液相线温度的体积缩减。 ⑵凝固收缩：从液相线温度降温到固相线温度的体积缩减，即凝固时期体收缩。 ⑶固态收缩：固态体收缩表现为线性尺寸的缩减，而测定线性尺寸变化比测定固体体积变化方便，故 实际上常用固态的线收缩大小来表征固态收缩的特点。在制作模样时预先将尺寸放大或直接用“缩尺” 制作模样来防止铸件轮廓缩小。 除了金属液结晶凝固和冷却过程中出现体积收缩以外，湿型砂受到高温金属液静压力和动压力产 生型壁移动（又称为胀砂） ，将加重收缩缺陷倾向。而灰铁铸件和球墨铸铁件由于有石墨析出，使收缩 更加复杂化。4.2.1 收缩缺陷的形成不同材质铸件的收缩特征不同，因而所形成的收缩缺陷也不全相同。为了防止铸造合金由于收缩 性产生缩孔、缩松和缩陷等缺陷，有必要了解不同灰铸铁和球墨铸铁的结晶凝固过程。 。94.2.2.1 灰铁铸件 在浇入铁液后，灰铁铸件的凝固过程中除了与无石墨析出铸件同样会 出现型壁退让和胀砂以外，还要添加石墨析出的影响。在灰铸铁件中使用 最多的是亚共晶灰铸铁。图 18 为亚共晶灰铸铁的凝固方式。铁液降温到液 相线温度以下，达到某个过冷度时，从砂型的型壁处开始析出初生奥氏体 树枝晶，随着枝晶生长直至相互搭接成网络，横贯整个型腔的熔体中。当 熔体温度降低到略低于共晶平衡温度时，奥氏体枝晶间的熔体含碳量已变 得过饱和。熔体中存在石墨的非均质晶核很快形成和生长成为片状分枝。 临近石墨片的熔体发生贫碳，促使奥氏体在石墨片之间析出。石墨在生长 过程中不断发生分枝，奥氏体就不断在石墨片之间析出，形成大致接近球 形的结晶前沿。每个石墨晶核为中心所形成的石墨－奥氏体两相的共晶晶 粒称为共晶团。分布在枝晶网络间的共晶成分液相，在共晶转变温度范围 内，共晶团从外向内生长和增多。树枝晶各枝晶也变多变粗，直至枝晶间 液相全部转变为固相，凝固告终。 亚共晶灰铸铁凝固过程中由于温度降低和金属液向奥氏体转变而产生 收缩。随之析出的石墨引起体积膨胀，石墨每析出 1％（质量分数） ，就会 使铸铁体积膨胀 2％（圆整值） 。表现出来的膨胀量是与收缩量相抵的净结 果。研究结果表明，过热度 150℃的灰口铸铁在砂型中液态体收缩 2.4～ 2.72％，凝固体收缩 3％，二者合计总收缩量 5.4～5.7％。石墨化膨胀总量 不足以抵消液态和凝固体收缩。尤其是铸型受热胀大，金属液、动静压力 以及石墨析出的共晶膨胀压力使砂型胀大，使得铸件更易产生收缩缺陷。 如果铸型有足够高的刚度（如高密度造型方法） ，膨胀的结果是使最后残余 的共晶液体挤入不致密的热节或挤入冒口。对于砂型硬度和砂型强度不高 的中、低密度造型方法（包括气动微震造型、震压造型，尤其是手工造型） 图 18 亚共晶灰铸铁的 。 凝固进程 铁液除了需要补充液态收缩和凝固收缩以外， 石墨膨胀增大了的型腔容积也 需要靠铁液填充。除了利用冒口补缩以外，也要靠浇注系统补充铁液。假如无冒 口可利用，而且浇注系统已经封闭，铁液的补充只能靠铸件上部尚未凝固的热节 部位供给。使热节内部仍为液态的铁液部分地被抽走而成为缩孔。如果內部枝晶 网络得不到补缩， 则在铸件內部形成封闭式缩松。 假如已结成有一定塑性的薄壳， 则收缩使铸件外观形成缩坑（或称缩陷） ，以致顶部铸件的加工余量不足，加工 后出现黑皮。因此，为了防止铸件尺寸超差、超重和缩孔、缩松、缩陷缺陷，提 高湿砂型的刚度是必要的。即湿砂型应具有较高强度和较低的塑性。 图 19 为共晶成分灰铸铁的凝固进程的早期和晚期，没有析出初生奥氏体树 枝晶。在型壁处共晶团由于热量迅速传出，形成固体外壳和凝固前沿。壳内铁液 内部也可能有晶粒形核、长大，逐渐进行液固相转变，直至全部凝固。同样也会 形成缩孔、缩松。 （图中 1－灰铸铁共晶转变时的共晶团；2－片状共晶石墨；3 －共晶γ－Fe.） 。 4.2.2.2 球墨铸铁件 图 19 共晶灰铸铁的 球墨铸铁一般接近共晶成分， 初晶石墨球从液体中析出。 长大到一定尺寸后， 凝固进程 石墨球包上贫碳的奧氏体壳，长大速度很慢或不再长大，要借助降温产生新晶 核，所以共晶转变需要较大温度区间才能完成。当灰铁件开始凝固形成薄的硬 壳时，同样尺寸的球铁铸件表面尚未形成完整外壳，仍残存相当数量的液相， 同时中心已开始出现固相。几乎整个断面是液、固两相同时并存。由此球铁铸 件断面上存在相当宽的液固共存的同时凝固区。固相与液相混合体如糊粥，即 粥状凝固 （见图 20， 图中 4-球墨铸铁共晶转变时的共晶团 5－球状共晶石墨 6 －共晶γ－Fe 外壳） 。凝固温度范围较宽，凝固时间长，比灰铁约长一倍，共晶 转变需较大的温度区间才能完成。石墨膨胀产生的膨胀力一部分作用在晶间液 体上，推动四周液体金属移动，可以起充填补缩作用，还通过铁液传递给铸件 外壳。这层外壳一方面承受铁液的压力，另一方面还承受石墨化膨胀力。球铁 薄软的表壳以及刚度不大的湿砂型都抵挡不住这两种压力而变形，铸件随型壁 向外移动而胀大，体积有所增大。共晶团相互接触后铁液 图 20 共晶成分球墨铸 很难流入这些晶间微小空隙，从而形成大量显微缩松。 铁凝固早期和晚期10研究工作表明，球墨铸铁的凝固过程中收缩大于膨胀，石墨化膨胀不足以抵消收缩，必须进行补 缩。减少和防止球墨铸铁缩孔缩松的有效措施，除了确保充分石墨化和提高铸型刚度以外，也还需要 利用浇注系统和冒口的液态补缩来弥补收缩与膨胀的差额。大量生产用湿型即使高密度造型只能减少 而无法完全避免型壁扩大。型砂受热膨胀也使型腔扩大。用湿型砂生产球墨铸铁件应当提高砂型紧实 程度外，还要靠增加外冷铁来加速铸件硬壳的形成，以弥补湿型刚度的不足和防止外形胀大。冷铁还 使液态收缩加快和提早产生体积空缺，及时利用有限的液态补缩，多吸进补缩液。除此以外，浇注时 上下砂型的紧实方式、程度（是否用箱卡、紧固螺栓或压铁） ，以及浇注后卸卡或压铁的早晚等都与收 缩缺陷密切相关。有些技术和装备落后的小厂采用活络箱造型和地面围砂无箱浇注，浇后直浇道内铁 液迅速下落。在得不到致密铸件时不是从加强铸型刚度着手，而是增加或加 大冒口，结果铸件超重，而内部却仍不致密。有些厂生产球墨铸铁曲轴等铸 件时，采用覆砂铁型，证明能够有效地防止缩孔和缩松缺陷。4.2.3 铸件渗漏有一些要求耐油、水、气压力的灰铸件，如管类、发动机等铸件常遇到 渗漏现象而报废。其中个别情况是由于出现裹入、侵入气孔或渣孔造成的。 更常见的发动机缸体和缸盖出现的渗漏缺陷原因为铸件的热节凝固收缩形 成的枝晶间缩松和缩孔（如图 21、图 22）造成的。发动机缸体和缸盖的螺 栓柱钻孔后发生渗漏处的外观有宻集点状或裂缝状，内部为完整枝晶，晶间 疏孔松洞相连。如热节靠近树脂砂芯，侵入的氮、氢气体会扩大缩孔体积和 加重渗漏。防止渗漏的措施可以用碲涂料，或用冷铁（包括外冷铁或砂芯外 包管状铁皮） 。还要控制碳当量不可过高，以免析出大量粗大石墨贯穿壁厚 和石墨相连成通道而造成渗漏。另外也要注意铸件含磷量不可过高，否则在 热节处的共晶团边界上集中出现细小孔洞。如有需要可选用含锶硅铁孕育 剂，能够消除白口，又不增加共晶团数，以防止收缩量大。已经出现渗漏的 铸件可以采用水玻璃液或合成树脂液为主要成分的浸渗液来补救。 有的工厂 将试水压出现轻度渗漏的铸件露天堆放几个月使漏水处自然生锈， 然后再试 水压时可能已不漏。 汽缸体和缸盖渗漏的另一形成原因为析出气孔形成的， 例如汽缸筒砂芯 或用整体砂芯生产缸盖或缸体时，所用树脂含氮量过多引起的。将在下一章 中讨论。图 21 铸件的缩松缺陷图 22 铸件缩孔缺陷5 铸件气孔缺陷气孔是最难分析其形成原因和最难找出防治方法的铸件缺陷。这是因为气孔的形成原因很多，从 外观上又不易分清气孔是属于那种类型的。虽然采用扫描电镜和能谱等微观分析方法有助于估计气孔 的产生原因，但是大多数铸造工厂尚难在生产中利用。因此必须深入探讨各种不同类型气孔的生成机 理，才能比较准确地找到气孔缺陷的产生原因和消除措施。5.1 空气裹入的气孔如果浇注时金属液中裹带着空气泡，随着液流进入型腔中，就会产生气孔缺陷。也可以简称为“裹 入气孔” 。气孔较小时（几毫米） ，一般为圆球形。如果气孔较大，漂浮到铸件上表面就会呈现扁球形 或扁平形皮下气孔。孔壁都较光滑。形成原因主要是浇注时发生断流和紊流，将空气裹入液流中成为 气泡。以前有人认为如果浇注系统设计不合理，将直浇道制成直径上小下大的倒锥形，则金属液在直 浇道中的液流直径越向下方越细而形成负压。以致从直浇道周围的型砂向中间抽气，将气泡裹入铁水 流中而成为气孔缺陷。如今在机械化造型线上，直浇口棒大多固定在模板上，为了便于起模，只能采 用上小下大的倒斜度形状，实际生产中并未发现有裹入气泡的情况。通常防止裹入气孔的做法是改进 浇注系统结构，努力将裹入的气泡拘留在横浇道中；并且提高浇注温度，使进入铸型的气泡能够随液 流漂浮到铸件最高处，在金属液压作用下有可能排入砂型而逸出，在铸件中不留痕迹。如果在型腔顶 面开有众多连通外界大气的通气孔，就有利于将气泡排出铸件。为了排出较多的含有气泡和砂子等脏 物的冷金属液，最好开有溢流冒口，并在其外面放置容纳冷金属液的溢流杯（冒口圈） 。5.2 气体侵入的气孔铸件表面凝固成壳以前，砂型、砂芯等造型材料受热产生气体，气体并不溶解于金属液，而是靠 压力作用下侵入金属液中，形成气泡和产生气孔。也可简称为“侵入气孔” 。目前我国湿型铸造工厂中 出现的气孔缺陷大多数属于这种气孔。11砂型和砂芯所发出的气体有可能经由的砂粒孔隙向外面排出。但是砂型和砂芯的透气能力有限， 要做好复杂砂芯的排气通道尤其不容易。有的砂芯局部发气量大，速度快，可能只有部分气体排出铸 型以外。随着发生气体的增多，气源处的界面气体压力（称为“背压力” ）不断增大。如果浇注速度较 快，该处的金属液静压力超过了气体背压力，此处的气体就不能侵入金属液中。假如界面上金属液不 能及时建立起足够的静压头超过发生气体的背压力，气体便穿过铸件的尚未凝固的表面钻入金属液中 而成气泡。在金属液中气体受热体积有继续胀大的趋势。而且有的气源不断输送气体，而在金属液中 呈现成串气泡。侵入气孔的形状是球形或梨形。它的尖头所指的方向是气源方向。侵入气孔的尺寸大 小不等，可能漂浮停留在铸件内气体源头的上方不远处，也可能聚集在铸件上表面皮下形成扁平状。 如果浇注温度高，金属液的黏度低，侵入的气泡有可能由砂型上表面逸出，或者随金属液流入溢流冒 口中。气孔来源因砂型或砂芯而不同。5.2.1 湿型发出气体 依靠增大型壁通气能力和减少型砂发气量可以防止气孔缺陷，具体生成原因和防止措施如下：⑴湿型砂透气性：提高湿型砂的透气性有利于宣泄界面处的背压力。但是湿型砂的透气性是一个对铸 件缺陷敏感的性能。湿型砂的透气性应当有下限，以免产生气孔缺陷；而且必须有上限，以免砂粒间 孔隙过大，使铸件出现机械粘砂或使铸件表面粗糙。例如机器造型用型砂的透气性大多在 80~100，高 宻度造型的型砂透气性最好在 100～140 范围內。手工造型便于工人在砂型上扎排气孔，型砂透气性可 以在 60～80。 ⑵砂型紧实程度：砂型紧实程度也是对铸件缺陷敏感的性能。砂 型应有足够的紧实程度，以便能够搬运和翻转。砂型的紧实程度 不足就会引起铸件产生机械粘砂、胀砂、铸件尺寸和重量超差、 缩孔、缩松等缺陷。但是砂型紧实程度越高，砂粒间隙就越小， 浇铸时砂型的通气能力就越差。为了保证铸件不产生气孔缺陷， 如有需要，应当增多排气孔。 ⑶湿型砂温度：用热砂造型后，在型腔中安装冷的砂芯、芯撑或 内冷铁，并且合型后等待一段时间才浇注，热砂中不断散发出的 水蒸汽就会凝聚在冷的物体表面。浇铸时凝聚水受热立即蒸发成 水蒸气，进入金属液中形成气泡。例如图 23 中为一内径 4 英寸 （ф101.6mm）筒形铸件，造型用热型砂水分 3.5％，温度 58℃， 图 23 热砂使砂芯受潮产生蜂窝状气孔 室内和砂芯温度 18℃，合型后停放 80min 浇注。冷却、清理和机 械加工后，靠近砂芯上部表面的铸件出现蜂窝状气孔缺陷。是由于冷凝水凝聚在较大面积 砂芯表面上，气孔呈多发弥散分布。 ⑷湿砂型发气量：型砂湿度过高，尤其是煤粉含量也过多的情况下，金属液浇注进型腔时 有可能猛然发出大量气体。如同时排气又不畅，气体压力就会超过局部的金属液静压力而 突然钻入金属液中，形成爆炸性喷溅。即通常所谓的“呛火” ，会在铸件中形成较大的 气泡。因此，湿型砂铸造时型砂的紧实率和含水量需要严格控制，发气量也不可过高。 发气点 图 24 杂质 以高密度造型为例，比较理想的湿度是紧实率 34～38％，相应的含水量为 3.0～3.5％， 生成气泡 铸铁型砂发气量可以是 14~22mL/g。机械化造型车间的震压造型机用型砂的紧实率和含 水量都可以稍微高些，紧实率最好 35～40％，含水量 3.2～3.8％，发气量 20~28 mL/g。 铸铁湿型砂的煤粉加入量过多也可能会造成气孔缺陷。 实际生产中， 型砂的有效 煤粉含量主要应根据铸件表面形貌而控制。 如果铸件表面有轻微粘砂则可稍微增 多煤粉加入量。如果铸件表面已呈现兰色，就应少许降低有效煤粉量，以免发气 过多。 ⑸湿型砂砂中杂质：混杂在型砂中的小黏土团、碎纸团、烟卷头、吸潮的砂芯碎 块、 冰棍木棒及其他有机物质受热会发出气体， 在湿型砂中吸水后更增强激烈发 气性能。这些杂质暴露在型腔表面，必将成为集中的发气点。在铸件生产中很多 找不出原因的气孔缺陷大多是由于型砂中混入的杂质造成的。有时气泡陆续生 成，在铸件的断面中成为成串气孔（如图 24） 。要消除小黏土团，需要改善混 图 25 小黏土团引起气孔 砂工艺，例如采取延长混碾时间，仔细过筛等措施。图 25 为型砂中小黏土团形 成的铸件气孔缺陷。 ⑹湿砂型扎排气孔：手工造型和简单的机器造型时，造型工人为了加强砂型排气能力，用尖头钎子从 砂型背面扎不穿透排气孔。排气孔的深度大约距离模样 4～5mm，可以避免损伤模样，又可穿透或接12近型砂的水分凝聚层，使排气阻力减小。有时也在砂型上扎直通大气的排气孔。机械化程度较高的造 型机除了在模板上采用扁片状排气通道，并且在模样的各凸台处设有半通的排气棒（排气针） 。做型砂 实验时，将测定型砂透气性的试样中心沿轴向扎一个深度只有圆柱试样一半高度（约 25mm）的孔眼， 就会发现测得试样的透气性数值提高一倍。因此排气棒的高度即使只有砂型厚度的一半，也能使该处 的排气能力大为提高。有的成套造型设备流水线具有专门钻孔机用以钻出直通或半通排气孔。还有的 机械化造型线是由工人用长杆手电钻从型腔内有需要处分别钻出多个排气孔。 垂直分 型射压造型的型腔中有憋气部位可以用薄片缝隙排气槽排出气体。 ⑺气缩孔：湿砂型铸件筋条转角处为凝固较慢的热节，金属液凝固有产生缩孔趋势。 该处外壳形成较晚，如果转角型砂受热产生强烈发气压力，就可能侵入缩孔中形成气 图 26 气缩孔 缩孔（见图 26） 。收缩量较大的铸件可以采用外冷铁防止筋条搭接触处生成缩孔，控 制型砂发气量可以减少或防止气体侵入铸件。⑻铁液温度：提高铁液的浇注温度可降低金属液黏度，使气泡容易从金属液中排出。适量 提高浇注温度不但对防止侵入气孔有利，而且也有助于防止裹入气孔及某些其他气孔、冷 隔、浇不足等缺陷。但需注意铸件金属类型和结构是否容易产生缩孔、缩松、热裂等缺陷。 ⑼铁液压力：上砂箱的型腔顶面吃砂量不可过少，否则一方面铁液有可能将砂型顶破，另 一方面铁液压力不足以抑制砂型和砂芯的发气压力而可能形成侵入气孔。 砂型上面安放浇 口圈和冒口圈可以提高金属液压力。 ⑽溢流冒口：可以容纳混有气泡和夹杂物 的冷金属液，将侵入气泡排出型腔之外。 5.2.2 砂芯发出气体不论制造砂芯是用的何种粘结剂，生产铸 件都更容易产生侵入气孔缺陷。因为砂芯受到 铁液包围而且被剧烈加热，粘结剂分解产生大 量气体。砂芯通过芯头同砂型的芯座相连通， 再从芯座将气体排出铸型之外，欲使排气系统 做得很通顺成为难事。生产多砂芯铸件如汽车 发动机汽缸体和汽缸盖的铸造工厂经常遇到的 气孔缺陷绝大多数是砂芯发气造成的。日本丰 田公司中央研究所曾研究汽车铸件树脂砂壳芯 在浇注铁液时界面的背压力与气孔生成机理。 使用硅薄膜式压力传感器测定浇注后气孔容易 发生处壳芯的气体压力（以 cm Fe 为单位）随 图 27 浇注后气体压力与铁液压力关系图 时间的变化。同时也测得该处的铁液压力（也 以 cm Fe 为单位） 在随着浇注液面升高而增大。 结果表明： 气体压力出现三个高峰 （见图 27 中的曲线） 。 I 为铁液刚覆盖砂芯上面时的背压力；II 为 10～30s 之后背压力的最高峰；III 的峰值较低，时间延续长 度取决于砂芯的树脂含量。如果浇注后铁液压力 A 大于壳芯发气背压力，则曲线圆滑，不会产生气孔 缺陷。如果浇注铁液压力为 B，气体压力 II 峰变成显著的振荡，是砂芯气体克复了铁液压力侵入铁液 中，即吹泡现象。如吹泡时间短和凝固前时间长，虽然不一定出现气孔缺陷，但比铁液压力 A 时气孔 缺陷多。大量生产中会出现部分气孔缺陷。如果有效铁液压力仅为 C，砂芯发气背压力超过铁液压力， 铁液复盖砂芯后立即有吹泡现象。持续到铸件表面凝固，曲线的 I、II、III 峰都不见，铸件上肯定有气 孔缺陷。从时间－压力曲线图可以看到，如果在浇注后的任何时间，铁水压力都超过界面的背压力， 就没有气泡从砂芯钻入铁水中。但是，如果铁水压力的增长迟于背压力的增长，则可看到当背压力超 过铁水压力时曲线剧烈波动，表明气泡连续钻入铁水中。 防止来自砂芯侵入气孔的常用办法有以下几种： ⑴加强砂芯排气能力：对内燃机缸盖和机体等复杂铸件的砂芯而言，首先应当加强砂芯的排气能力。 砂芯中间应开通畅的排气孔。如果芯头与芯座的间隙较大，应当用耐火纤维毡垫、泥条、石棉绳等密 封材料围封砂芯芯头，要确保金属液不会钻入。对于厚大断面砂芯应当抽成空心或分半挖成网格形内 腔而后粘合。树脂自硬砂芯最常用的排气办法是使用尼龙编织软管，制芯时可以方便地沿砂芯的任意 形状预埋在砂芯中。但是热芯盒、冷芯盒和壳芯都是整体射制的，不能预埋排气管路，但可以安放通 气针或棒，在制芯时做出（有的需要在取芯之前抽出） ，更多的是在砂芯硬化后用硬质合金钻头从芯头13钻孔帮助排气。国外大量生产汽车用多缸气缸盖水套砂芯时，用专门多头钻床自下向上将水套砂芯的 各个冷却水通道芯头同时钻出盲孔，以利排气。 ⑵尽可能降低树脂砂芯的发气量：选用粘结强度高、发气少和发气慢的粘结剂，减少粘结剂加入量， 认真烘烤砂芯等措施都可以减少砂芯发气量和发气速度。 ⑶提高浇注速度和浇注温度：在不致于发生紊流而裹入气体和不致于冲蚀铸型的前提下，应提高浇速 迅速建立起金属液压力以防气体侵入。另外，还最好提高浇注温度降低金属液粘度，使进入的气泡容 易飘浮出去或随金属流排入冒口。铸件有裹入气孔和侵入气孔缺陷时采用提高浇注温度 30～50℃，就 有可能消除气孔缺陷的道理即在于此。生产中应当控制每浇注包金属液浇最后一箱的实际温度。因为 最后的金属液温度降低，气孔很可能发生于同一浇包最后浇注的铸件。 ⑷芯头引火：浇注时，从砂型砂芯排气系统的气体出口处引火，点燃砂芯逸出气体。可以增强气体出 口的抽出力量，增大砂芯气体排出速度。5.3 反应生成的气孔在湿砂型与铁液的界面上，铁液的成分与水分发生化学反应产生气体，以及铁液内部金属氧化物 之间发生化学反应产生气体，铁液凝固时气泡留在铸件内成为气孔缺陷。通常简称为“反应气孔” 。化 学反应生成的气孔主要有氢气孔、CO 气孔等。5.3.1 铸件的氢气孔铁液与水反应生成的原子态氢[H]所产生的气孔称为氢气孔。 5.3.1.1 球铁铸件的氢气孔 湿型球墨铸铁件上出现氢气孔缺陷是常见的。 氢气孔的生成原因为浇铸时及铸 图 28 球形皮下气孔 件凝固初期湿砂型含有的水分成为水蒸气后与铁液的成分在界面发生化学反应形成原子态[H]，立即溶 解在铁液中，而且以很快速度向铁液内渗透。当铁液温度逐渐下降，[H]的溶解度降低，便以分子状态 气体从液相中析出。气泡形核长大后，铸件表面形成了坚固的氧化膜和凝固层，气泡不能逸出而成为 皮下气孔。球墨铸铁的碳当量接近共晶成分，铁液在凝固时不出现枝状晶，在熔体中析出的气孔形状 通常为圆球形、梨型或近似圆形。成簇密集的小孔发生在铸件表皮下 0.5～3mm，直径约 0.5～3mm。 大多数气孔是封闭的，经抛丸、初加工后才能暴露出，因此称为皮下气孔。因其孔径细小有如针的孔 眼，故又常称为针孔（见图 28） 。孔内壁光洁，常可见有一薄层闪光的石墨膜覆盖。也有的孔中有一些 渣。产生氢气孔的反应有以下几种： ⑴与铁液中残留镁：球墨铸铁的铁液浇入湿型后，残留镁同水分子中氧强烈反应如下式所示： Mg + H2O → MgO + 2[H] Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + 2[H] ⑵与铁液中铝和钛：来自炉料和孕育剂 2Al + 3H2O → Al2O3 + 6[H] 钛与铝情况类似，使用含钛多的生铁时反应式为： Ti + 2H2O → TiO2 + 4[H] ⑶与铁液中硫化镁反应：原铁液含有硫分，球化处理后成为硫化镁夹杂物。如果扒渣不干净，流入砂 型中。上浮至砂型界面的硫化镁渣与砂型水分反应生成硫化氢气体。虽然生成的气泡不是氢气泡，混 入铸件中同样成皮下气孔缺陷。反应如下： MgS + H2O → MgO + H2S↑ MgS + 2H2O → Mg(OH)2 + H2S↑ ⑷与铁液中的铁反应：如出铁槽、处理包、浇包中搪泥修补后未完 全烤干，含有的水份能够与铁液中铁反应产生原子态氢被铁液带入 砂型中。虽然反应不是在砂型界面发生，但同样也会产生氢气泡。 Fe + H2O → FeO + 2[H] 5.3.1.2 灰铸铁件的氢气孔 灰铸铁的铁液中不含 Mg 和 RE， 但是也与型砂水分和炉料水分 反应生成[H]气孔。灰铸铁的反应气孔也是成簇、成片存在铸件的表 皮下面。在没有树枝状晶包围的熔体中形成的气孔形状可能是球形 或近似圆形。但是亚共晶铸铁件表面机械加工后较多见到的氢气孔 呈弥散分布的粗糙边缘短条形小裂缝状，故称为裂隙状气孔（见图 29） 。由铸件剖开面看到气孔为长针状，长度 3～4mm，个别情况 图 29 灰铸铁件裂隙状气孔 时延伸的深度可达铸件表皮下 10mm，其长轴垂直于铸件表面，成14串排列于铸件皮下。 （见图 30） 。这是由于浇入铸型的铁液从型壁 开始生成树枝晶凝固层， 气泡形成时被枝晶包围。 气泡随同铸件表 面的柱状晶一起长大，存在于柱状晶的晶界间而形成长针状气孔。 灰铸铁件反应气孔的形成机理与球墨铸铁件类似。 ⑴型砂水份与铁液中铝、 钛反应： 水与铝的反应是灰铸铁件产生反 应气孔的主要原因。 铝的来源为孕育剂含铝和炉料中混杂有铝。 铝 与型砂的水蒸汽在界面上反应放出[H]。生成的 Al2O3 是气泡形核 的外来核心： 图 30 铸件剖面的长针状皮下气孔 2Al + 3H2O → Al2O3 + 6[H] 结果使铁液层吸氢，成为富集氢的液层。铁液界面层以初生奥氏体或共晶团为网络骨架，被骨架 包封的是共晶成分的液相。凝固时被包封在液相中的氢析出成为氢气泡核，继而氢扩散入气核使长大 成为氢气泡。在铁液中加入过多的、含铝又高的硅铁孕育剂时，常是灰铁铸件产生严重皮下气孔的重 要原因之一（见图 30） 。硅铁孕育剂中含铝可以提高孕育效果，但含量不可过高，最好在 0.8~1.2％， 最多不可超过 1.5％。美国灰口铸铁和球墨铸铁常用硅铁孕育剂含铝量 0.6～1.25％。有的国产 75FeSi 的产品目录上注明含铝一般在 0.8～1.6％，其上限已经偏高。但曾见到个别工厂所用 75FeSi 实际化验 出含铝量高达 2.5％，用于生产灰铸铁件出现严重气孔缺陷。对于随流孕育用硅铁，不但要控制较低的 含铝量，而且要限制加入量，一般不超过 0.08~0.10％。同时要特别注意对细颗粒孕育剂的包装与防潮。 铁液含钛的反应与铝类似，选用生铁时应注意其中含钛量不可过高。 ⑵熔炼时铁液与水反应：梅雨季节气温高、空气湿度大，鼓风中水气进入冲天炉与焦炭和铁滴反应产 生[H]和 CO 气体。浇注时随铁液进入型中而成为气泡。反应如下： C + H2O → CO↑ + 2[H] Fe + H2O → FeO + 2[H] 如果铁液中氢浓度较高，冷却时来不及排出就会在皮下形成气孔。 5.3.1.3 铸铁件防止氢气孔的措施 ⑴熔炼和球化处理：在潮湿地区和潮湿季节，冲天炉鼓风最好经除湿处理。冲天炉用废钢和回炉铁料 应当预先除锈。出铁槽、处理包和浇包修补后必须充分烘干，有的工厂采取用铁液烫来驱除水分。球 化处理后必须扒净渣子。在处理包和浇包中液面撒优质集渣剂，可以严格挡住一次渣进入型中。有的 工厂撒一层低硫焦炭粉，可以减少热量损失和有保温作用。 ⑵铁液成分：①Mg：球墨铸铁的铁液中残留镁量以低为好，当铁液中残留含量过高，提高了铁液表面 氧化皮的形成温度， 阻碍气体逸出， 使气孔率显著提高。 稀土镁球墨铸铁的的氧化膜形成温度为 1230℃。 残留镁量每提高 0.01％，氧化皮形成温度提高 15℃左右。在保证球化质量的前提下，一般要求残留镁 量为 0.03～0.04％，不可高于 0.05％，否则将促进界面反应。②Al：含铝量多，气孔增多。铝本身与水 蒸气反应生成氢气泡。形成的 Al2O3 又成为气泡形核的外来质点。而且铝可促进 Fe 与水蒸气界面反应 生成 FeO，FeO 被碳还原产生 CO 气泡。应注意所用硅铁孕育剂中含铝量。③S：原铁液含硫高，砂型 中 MgS 也高。S 增加 0.01％，氧化皮形成温度提高 10℃左右，含硫量高使皮下气孔严重。一般希望原 铁液含硫量小于 0.03％，如含硫量仅小于 0.05％只能勉强生产球铁件。如果含硫量偏高，应加苏打处 理。但如生产高质量球铁件，应当对冲天炉铁液预先进行脱硫处理，将含硫量降到 0.015％以下。含硫 超过 0.02％的电炉铁液也最好先行脱硫处理。④有的工厂残留 RE 量过多，会增加气泡形核外来质点， 使气孔倾向加大。⑤Ti：由于钛与水反应产生[H]，原铁液中含钛高时气孔严重。有的工厂使用含钛较 高的徐州生铁生产球铁件就容易产生气孔缺陷。 ⑶浇注温度和速度：球墨铸铁的铁液中镁极易氧化，在铁液表面形成处于固－液态氧化膜，温度越低 膜越厚。含镁量高，则氧化膜更厚。当残余镁量 0.05％时氧化膜形成温度为 1280℃。浇注温度高，能 够延缓氧化膜形成和铸件凝固，有利气泡上浮。保证最后一型浇注温度不低于 1350℃。 ⑷浇注系统：在浇注系统中安放过滤网，在浇道末端设置集渣包，可以避免渣子进入型中。增大浇道 截面积，分散内浇口，使铁液流动平稳，避免铁液氧化和形成二次渣。避免卷入空气和熔渣。尽量快 浇减少铁液与空气及砂型作用时间，在产生气泡以前就充满型腔。 ⑸气孔位置：反应气孔主要产生在铸件上表面的现象可以解释为铸件下面是最先浇入的铁液，与冷砂 型接触及时降低温度凝成壳，来不及进行界面反应。即使出现了一些反应气泡，大部分向上漂浮。另 外，砂型受热生成水蒸气大量集聚在铁液尚未充满的型腔上部，也增强了铸件上表面形成氢气孔的界 面反应。除此以外 MgS 的比重轻，容易上浮聚于氧化膜下与水蒸气反应而产生硫化氢气孔。气孔多发 生在远离内浇口上表面处，这是由于型中流程长，铁液温度最低和与砂型接触时间最长的部位。15⑹铸件厚度：铸件中等厚度（例如 10～25mm）形成气孔的倾向最大。壁薄铸件凝固快，界面反应弱， 产生气体少，进入铁液的气体也少，不够大量气泡形核所需量。由于冷却快，铁液黏滞阻力大，气体 在铁液中形核聚集难以完成。中等厚度铸件中气体形核长大后，表皮已凝，气泡滞留在表皮内。壁厚 铸件凝固时间长，气泡形核长大后上浮逸出时间充足，因而气孔倾向小。 ⑺型砂：为了避免球铁件生成皮下气孔缺陷，型砂不可潮湿，很多工厂认为球墨铸铁件的湿型砂含水 量不可&5％。但是更重要的是应当控制代表型砂干湿程度的紧实率，如果湿型砂紧实率不超过 40％， 就可以减少生成皮下气孔缺陷的可能性。湿型砂中加入多量煤粉可以有助于防止皮下气孔缺陷。其作 用可以解释为煤粉受热发出的挥发性气体能够冲淡水蒸气，降低了界面反应的可能几率。也有人认为 作用是煤粉受热分解而吸热，加快了界面铁液凝固，避免反应的进行。有些工厂的经验是型砂透气性 不可低于 70，还要多扎排气孔或多设排气针，为的是降低型腔的气体压力，有助于铁液中气泡逸出。 。冰晶石粉可以 ⑻冰晶石粉：在球墨铸铁的湿型腔表面用布袋抖撒微量冰晶石粉（氟铝酸钠 Na3AlF6） 溶解氧化皮，并且保护铁液不氧化。在高于 1011℃高温下冰晶石分解产生 AlF3 气体能保护界面铁液层 不致与水汽发生化学反应，从而防止界面铁液层吸氢。还能夺走砂型水份，减少水蒸汽与 Mg 和 MgS 起作用。可以有效地防止球墨铸铁件产生皮下气孔。反应式如下： Na3AlF6 → 3NaF + AlF3↑ 6NaF + 3H2O → 3Na2O + 6HF↑ 2AlF + 3H2O → Al2O3 + 6HF↑ 这种方法的缺点是冰晶石粉不容易粘附于砂型表面，容易滚落聚集在砂型低凹处，浇注时形成黄 色残渣，在铸件表面形成渣孔。故而，有的工厂改为将冰晶石粉撒在浇包中的铁液表面上。有的工厂 不采取撒冰晶石粉，而是在砂型的型腔表面喷柴油、煤油，或喷煤油后再撒石墨粉，虽也对防止皮下 气孔有一定效果，但普遍认为作用有限，而且操作不便。型腔表面浇道上撒冰晶石粉也起好效果。冰 晶石粉在高温下分解成 HF 和 AlF3 是有毒气体，不可加入过多，通常用量为铁液量的 0.02～0.03％。5.3.2 铸铁件的 CO 气孔在铁液凝固时，本身的化学成分与溶解于铁液内的化合物发生化学反应，或者化合物之间发生化 学反应产生 CO 气体。CO 不溶于铁液中，随即集聚形成气泡，上升至铁液表面受氧化膜或铸件结壳阻 碍而滞留皮下形成带渣的气孔。气孔为圆球形、团形或异形孔洞，孔径可达几个毫米，呈弥散分布于 铸件内部。封闭气孔的孔壁光滑发亮，覆盖着一层石墨膜的。往往在铸件机械加工后才暴露出来，加 工面上成群分布。形成原因如下所述。 ⑴冲天炉中反应：冲天炉熔炼所用铁料有锈与焦炭反应生成 CO。浇注后从铁液中分离出而成气泡： FeO + C → CO↑ ⑵冲天炉鼓风的空气相对湿度高时，所含水分与焦炭反应生成氢、一氧化碳和二氧化碳等气体。随铁 液带入砂型成为气孔： H2O + C → [H]，CO↑，CO2↑ ⑶铁液的氧化熔渣中有大量 FeO、MnO、SiO2 等氧化物，在浇注时混入铁液中进入型中与铁液中碳反 应产生 CO 皮下气孔。气孔粗糙表面部分覆盖有渣，含有 Mg、Al、Mn 等元素，其余部分光滑。 SiO2 + 2C = Si + CO↑ MnO + C = Mn + CO↑ FeO + C = Fe + CO↑ 以上三个反应分别发生于&1530℃、&1420℃和&730℃，当时渣为液态能够润湿石墨和引起反应。 三个反应中 FeO 与石墨的反应是最主要的。 ⑷Mg 是强力还原剂，其沸点为 1107℃。Mg 蒸汽可使 FeO、Fe3C 还原产生 CO 或 CO2 而产生气孔： Fe3C + FeO = 4Fe + CO↑ ⑸灰铸铁的铁液含硫高时与 Mn 反应形成 MnS 夹杂偏析。 Mn + FeS = MnS + Fe MnS 熔点 1610℃，自铁液游离出来溶解在硅酸盐中形成复合的氧化物渣，熔点大为降低（约 1050℃） 。在铁液中此渣为液态，与 C 反应发出 CO 气，凝固时形成 CO 气孔。厚壁铸件上表面出现麻 皮状， 抛丸后后可见针状小孔， 机械加工后为直径 1～10mm 分散气孔。 显微镜下可看到孔的表面粗糙， 外围和底部有夹杂物。焦炭含硫高时容易形成 MnS，如焦炭含硫高，可以洒石灰水或电石渣。加强回 炉料管理，避免使用高含硫炉料。高硫铁液可以用稀土脱硫，出铁槽加入 1 号稀土镁合金 0.1～0.2％能 够将铁液含硫量降低。用集渣保温效果好的集渣剂，使用过滤网确保熔渣不进入型内。165.4 氨氮气孔（析出气孔）生产铸铁的工厂中，最常见的析出气孔是氢和氮气孔。主要来源为砂芯中含有的树脂和硬化剂。 例如酚醛树脂覆膜砂的硬化剂为乌洛托平（六亚甲基四胺(CH2)6N4） 。热芯盒和自硬砂用呋喃树脂含有 尿素 CO(NH2)2。铸铁件用呋喃树脂砂硬化剂用含有尿素和 NH4Cl 的水溶液。冷芯盒和自硬砂用酚醛脲 烷树脂的聚异氰酸酯组分中含有-RNCO 基团。上述各种材料都是含有氮的铵或胺类有机材料，受到高 温作用产生热解反应，产生氢、氮等原子态气体溶解在金属液中。铸件凝固时，它们以分子态气相析 出，形成气泡而使铸件产生气孔缺陷。 5.4.2.1 氨氮气孔的机理 虽然大气中 78％是由氮组成， 但并不引起氮气孔缺陷。 浇注时树脂砂中粘结剂和硬化剂分解出 NH3 或 NH2，在高温下进一步分解出原子态的[N]和[H]，溶解在所接触的金属液表层中并向内扩散。[N]在 铁水中溶解度高，但扩散较缓慢，气孔在远处少。[H]在钢液和铁液中溶解度似无限制，而且扩散速度 较快。随着金属液温度下降，溶解度下降。凝固时溶解度突然变小，过饱和的原子态氢和氮以分子态 析出成小气泡。两种气泡形成的气孔合称为“氨氮气孔” ，通常也简称为“氮气孔” 。由于除了一小部 分露在铸件表面以外，大部分形成的气孔就位于表皮下，经抛丸或初加工后显露出来，因此又称为“皮 下气孔” 。球墨铸铁的凝固过程属于粥状凝固，共晶转变需较大的温度区间才能完成。较长时间铸件表 面尚未形成完整外壳，仍残存相当数量的液相，气泡析出能保持圆球形。亚共晶灰铁凝固属于逐层凝 固，外壳形成枝状晶，通常会成为裂隙状气孔。这是在凝固后期周围被已经形成的枝晶包围时析出的。 大部分孔径大约只有 0.5~1mm 左右，因而又常称为“针孔” 。孔内有石墨膜。分布较弥散，裂隙状气 孔的内腔不像圆球形气孔那样光亮，向铸件深处延深一般不超过 6mm。从气孔缺陷的外观来看，氨氮 气孔与氢气孔基本上是相似的。只能从砂型中有无树脂砂来判断。而且有的铸件可能氢气孔和氨氮气 孔同时存在。 5.4.2.2 其它来源的氮气孔 通常灰铸铁中含氮 0.004~0.009%范围内有好作用，但如&0.009%，凝固时放出氮而成针孔。冲天炉 炉料中废钢&50%，铁液中含氮可能达到 0.013%，就有可能产生气孔。焦炭中含氮通常有 0.4~1.0%， 也提高了铁液的含氮量。型砂中加入煤粉也是氮的来源，因此煤粉加入量不可过多。用电炉熔化废钢 生产铸铁件和使用增碳剂石油焦(含氮可能高达 0.5%)或 SiC， 都有可能将原材料所含氮带入而形成裂隙 状氮气孔。 5.4.2.3 防止措施 ⑴严格控制铁液中、粘结剂中和树脂砂中氮含量和降低树脂加入量。根据工厂经验，含氮量控制数值 见下表，表中上下限对应于薄壁及厚壁铸件：控制 N 含量（％） 一般灰铁 高强灰铁，球墨铸铁 铸钢，高合金铸铁 粘结剂中 3～10 3～6 0.5～1.0 树脂砂中 0.10～0.20 0.06～0.10 0.01～0.02 金属液中 0.015 0.010 0.010⑵树脂砂中加入氧化铁粉（Fe2O3）约 0.3～1.0％就可以有效地消除铸件上的氨氮气孔。有人认为其原 理是 Fe2O3 遇到铁液快速放出氧，与粘结剂的 N 分解产物反应形成稳定的 NOx 化合物。也有人认为可 能是氧化铁与铁液接触后发生分解，并与碳作用生成一氧化碳。通过一氧化碳气泡的逸出，同时带走 了铁液中的氮和氢。但 Fe2O3 会降低芯砂强度或增加树脂耗量，非不得已，尽量不用。应从原砂质量和 树脂改性上着手。 ⑶在铁液加入 0.05％的氮稳定剂 Ti，或 Fe-Ti 合金（含钛 24～28％） 。钛与氮便可形成不溶于铁水的氮 化物。但钛会恶化切削加工性能，过量还会与水反应产生氢气孔。 ⑷砂型和砂芯上涂刷不含氮的高温烧结型涂料，在高温下涂料能够烧结成为密实的防护壳，阻止粘结 剂分解出的气体溶解入金属液。也有时采用含氧化铁粉的专用涂料。 ⑸烘烤冷芯盒和自硬砂用酚醛脲烷树脂砂芯使颜色变成巧克力棕色，对消除气孔有明显作用。 ⑹提高砂型和砂芯透气性，多开排气孔能使浇注时 NH3 逸出。快速浇注和避免浇温过高也对防止氮气 孔有利。17
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