1、气孔类缺陷的形成及解决

  1.1 气孔缺陷

  图1为一种中间体铸件的铸造工艺示意图，材质为HT250，图中看出，该工艺法兰竖直放置，侧面设置冒口进行补缩，同时在铸件上表面设计排气溢流冒口。图2为铸件的砂芯，采用组芯工艺，由外壳芯和两个内腔砂芯组成，内腔砂芯采用高强度低发气覆膜砂制作。表1统计生产结果表明，气孔为该铸件的主要缺陷，约占到料废件总数的60%。铸件气孔缺陷如图3所示，图3a为铸件上表面分布的气孔，且能明显看到铸件表面质量较差，图3b为铸件内腔上表面的侵入性大气孔。

         图1原工艺方案

       图2 铸件砂芯示意图

  表1  加工料废缺陷统计数据

       图3 铸件上表面典型的气孔类缺陷

  1.2 气孔的形成原因

  图4是铸件的砂芯组装图，从图2 中可以看出，水环芯尺寸较大、结构复杂，有两处厚大部位，制芯时难以完全固化，四个芯头较细小，无法做出砂芯排气通道，在浇注充型过程中容易砂芯会发出大量的气体，分析认为充型完成后水环芯持续发气，在浇注过程中发生呛火，使铁液沸腾产生氧化膜和气孔，其次是工艺朝上铸件表面形状复杂，壁厚不均，即使设计了溢流冒口，但由于溢流冒口颈部细长，排气面积较小，气体不能完全从冒口颈排出到溢流冒口中，因此在铸件的最上表面形成气孔、氧化夹杂物（按照双层膜理论^[3]，由于铁液在呛火过程中大量氧化，留在铸件中形成氧化夹杂物）。同时，浇注过程中砂芯发气在铁液中产生的气泡往上表面移动，停留在该处形成内腔气孔。

图4 铸件砂芯的结构图

  1.3 气孔的解决

  根据图4砂芯结构分析，水环芯与铸件的大法兰之间距离较近，且大法兰式平面且形状简单，可以放置较大的补缩冒口和溢流冒口，改进后的工艺见图5，该工艺改进后铸件复杂形状部位的气孔缺陷完全消除，就是在法兰的冒口根部时有大气孔产生，但分散性的小气孔明显减少。为了完全消除气孔，水环芯经过200℃烘烤2h，另外，浇注温度与气孔的关系相当密切，提高浇注温度可以有效增强气体的溢出能力，因此浇注温度由1380~1420℃提高至1420~1450℃。生产后，气孔缺陷不良率为6.2%。结果表明，通过改变工艺设计、二次烘芯、提高浇注温度等方法消除了气孔缺陷。

图5 改进后的工艺方案

  2 、分析与讨论

  2.1 发气量的影响

  发气量大是覆膜砂的特点，覆膜砂的树脂加入量3%左右，比其他型砂的发气量大很多，在生产复杂砂芯的铸件时，通常选用低发气高强度覆膜砂，严格控制覆膜砂的发气量，目前高强度低发气量覆膜砂发气量可达13ml/g以下，但在一些情况下，即使采用低发气量覆膜砂，气孔问题也不能有效解决，主要是砂芯的实际发气量还与砂芯的重量、大小、形状有关。减少砂芯的恶实际发气量还与其他因素有关，首先，如图6所示，砂芯芯头掏空，制作排气通道，可以有效的减少发气量。但图中可以看出，砂芯下半部较大，中间较细小，该部位在浇注过程中产生的气体当无法有效排出，就会形成气孔缺陷，如图7所示，气孔呈较大的球形，分布在铸件内腔或浅表面。当砂芯的排气或掏空无法有效制作时，砂芯二次烘烤可以较大程度降低砂芯的实际发气量，如图6所示，右边的砂芯经过200℃烘烤2h，砂芯的颜色明显深一些，经过批量生产验证，气孔缺陷从30%降到3%以下。

图6一种中间体铸件的砂芯实物照片

图7 一种中间体铸件的气孔缺陷实物照片

  2.2 工艺的影响

  有些中间体铸件内腔形状复杂，砂芯完全被铁液包裹，而芯头排气能力十分有限。在充型过程中，砂芯大量发气，可分为二个阶段，第一阶段为充型初期铁液还未完全覆盖砂芯，此时砂芯产生的气体可以有效从型腔中排出，第二阶段为铁液完全覆盖砂芯，此时产生的气体必须要通过铁液溢出，才能防止气孔，但如果此时铁液开始凝固或表面产生较厚的氧化膜，气孔无法有效溢出，造成气孔。从图8看出，该铸件的砂芯较大，芯头非常细小，无法有效设置排气通道，当铸件法兰竖直放置时，冒口设置在侧面，此时铸件的上表面微形状复杂且壁厚不均的复杂形状面，且为零件的重点使用面，即使设置溢流冒口，但冒口颈较细长，气体不可能有效溢出，从而产生严重气孔缺陷。但大法兰形状简单且厚大，如果法兰水平放置，在砂芯的正上方法兰位置放置冒口，该冒口既是补缩冒口，也是溢流冒口，由于冒口的铁液温度高，不易凝固，大量气体仍可以有效溢出铸件，防止气孔产生。因此，对一些具有复杂砂芯的铸件，应该遵循壁厚较大，形状简单的部位朝上，有利于设置冒口，加强气体的溢出。

图8 一种中间体铸件和砂芯示意图

  2.3 铁液温度的影响

  从根本上来说，溢流冒口的合理设置可以使铁液中的气体能够有效溢出，但与铁液的温度又很大关系，铁液流动性差和表面氧化膜能够阻止气体的溢出，提高浇注温度可以延缓铁水表面氧化膜的生成和提高流动性，对防止气孔是非常有效的措施。笔者发现，把浇注温度由1380~1420℃提高至1420~1450℃，可以保证在铸件不产生收缩缺陷的前提下，尽可能延缓氧化膜形成的时间，气体能够有效溢出。因此在解决气孔类缺陷时，尤其是容易产生气孔的铸件，提高浇注温度是较有效的方案，是生产具有复杂覆膜砂砂芯汽车铸件的必要条件之一。

  2.4 措施的有效性

  气孔的产生的原因是砂芯或砂型的气体的释放，最终气体以气泡的形式停留在铸件内形成气孔缺陷，往往表现为气孔、呛火、局部凹陷、翘皮等气孔类缺陷。如何有效解决气孔是铸造工作者经常思考的问题，但往往解决方法比较片面。根据气孔形成的原因，假设浇注过程中气体能够全部排出，自然不会产生气孔，因此提出了“排、减、溢”的原则。首先，在浇注过程中气体能沿砂芯中的排气通道顺利排出，则不会产生气孔，因此，这种措施经常采用，这是“排”的原则。但是往往效果不好，因为即使制作了排气通道，产生的气体也不可能全部及时排出，这种方案无效。其次，针对复杂砂芯，尤其芯头较小的砂芯，无法设计排气通道时，减少砂芯的总的发气量体现了“减”的原则，有两种方式，第一是控制型砂本身的发气量，通常采用低发气量覆膜砂，这种方法在一定程度上减少气体的产生，但当砂芯较大，即使型砂的发气量较小，但砂芯实际发气量同样可以很大，但往往容易被忽视，一般工艺过程中为了保证制芯的效率，固化时间一般不可能很长，砂芯的断面一致性不好，里面的砂固化不充分，所以对砂芯采用二次烘烤是较为有效的方法，经验表明对砂芯进行180~220℃烘烤1~2h（烘烤后解剖砂芯断面，检查断面固化均匀性，反复试验可得到最佳烘烤参数。）可以有效降低砂芯的实际发气量，可以有效解决气孔问题。最后，当队医一些非常复杂的铸件，上述“排、减”原则都不能完全解决时，充分利用“溢”的原则，即在砂芯的正上方的厚大部位或简单部位设置补缩或溢流冒口，同时提高浇注温度可以有效提高气体的溢出能力，防止气孔的产生。因此，“排、减、溢”的原则依次采用是解决气孔的最有效方法，是制定具体解决措施的依据。

  2 结论

  （1）复杂汽车铸铁件生产中出现的气孔、呛火、局部凹陷、翘皮等气孔类缺陷是由于砂芯发气导致的，解决措施要遵循“排、减、溢”原则。

  （2）砂芯的制作中首先考虑砂芯的排气通道，但对于芯头较细，体积较大的复杂砂芯，排气无法有效做出，采用180~220℃二次烘烤1~2h减少砂芯实际发气量是有效措施。

  （3）对砂芯已经实施排气和二次烘烤，但气孔仍未有效解决的，在砂芯的正上方设置补缩或溢流冒口，使气体效溢出铁液，防止气孔产生。

  （4）对于容易形成气孔的铸件，壁厚不均匀，形状复杂的重要铸件面不宜向上放置，而尽量使厚大部位或简单面向上并适当设置冒口，加强气体的溢出。

  （5）在不引起其他铸造缺陷的前提下，提高浇注温度30~40℃可以显著提高气体的溢出能力，防止气孔的发生。