利用石墨化膨胀消除球铁皮下气孔的研究
对影响球墨铸铁件皮下气孔的各种因素分析表明，铁液中气体的产生有其必然性，通过减少气体的发生量以防比皮下气孔的方法并不是都能奏效。基于此，提出了利用石墨化膨胀将已经产生的气体排挤出铁液来消除皮下气孔，并用实验进行了验证。
1.问题的提出
我公司是一家美商独资生产线路金具的企业，其产品主要用作高压输电线路上的挂具。产品材质为QT400-18，铁素体占基体85%以上。铁水在0.5 t中频感应炉中熔炼，出炉温度1450 ℃。用稀土镁球化处理，加入量14%；用75Si-Fe孕育，加入量为0.8%。三明治式冲包处理，8min内浇注完毕，最后一勺包浇注试棒检验力学性能。湿型砂手工脱箱造型。生产中，铸件易产生皮下气孔，一般位于铸件表面下0.3-2mm处，呈细小的圆形或椭圆形孔洞形式，直径多在1-3mm，常常导致铸件报废。
传统做法是通过减少气体的生成量来防止皮下气孔的产生，所采取的主要措施有：
（1）降低湿型砂含水量
徐建林认为型砂的含水量应控制在5.0%以下，因为在铁液与铸型界面上有反应式：
Me+H2O→MeO+H2↑
MgS+H2O→MgO+H2S
其中Me代表Fe、Mn、Mg等金属元素，当蒸汽压达到一临界值时，会形成皮下气孔。文献中说明，型砂的水分高于5.0%并不一定产生皮下气孔，在实践中，我们也发现有这样的现象。
由于线路金具要求每个铸件上应标识产品名称、生产厂家及生产日期，过低的含水量降低型砂对这些标识的复制性，因而我们一般使用的型砂含水量在48%-5.5%之间。
（2）加强型、芯的排气
砂芯采用覆膜砂热硬化法生产，浇注后产生大量气体。为此，在砂芯中设有排气孔，且使芯头外露，以达到出气良好的目的。为加强砂型的排气，要求砂型的紧实度要低，铸型表面硬度控制在60-70(硬度计为A型)，且在砂型上都扎气眼，采用半开放半封闭式浇注系统，使得型内气体在铁水充型过程中有足够的时间外逸。
（3）夹杂物
熔渣在铁液中对气孔的形成起非自发形核的作用，使各类气体依附并长大，且一起上浮，形成皮下气孔。在珍珠岩集渣的基础上，我们采用避渣网结合合理的浇注系统已可有效地挡除熔渣及铁水在浇道中的冲蚀物，使夹杂物的危害性降到最低程度。
（4）镁、铝、钛
残余镁含量应在保证球化良好的情况下小于0.05%，铸件的铝及钛含量应控制在0.03%和0.01%以下，否则易产生皮下气孔。为此，我们对这3种元素做了化验，即使在有皮下气孔的铸件中也没有发现超出此范围的。
（5）磷、硫、锰
经化验，P、S都在0.02%以下，锰在0.2%以下，这些因素的影响也已降低到很低水平。
通过采取以上措施，将能够产生气体的各种因素都已被控制在很低水平，但在实际生产中，皮下气孔现象时常发生。因而，我们认为，解决皮下气孔问题不应只是减少气体的发生量，而且应想办法将已经产生的气体排挤出铁液以防止皮下气孔的产生。为此，我们提出了利用石墨化膨胀来消除皮下气孔的设想。目前在这方面的研究尚未见专门报道，本文提出了解决皮下气孔问题的新思路。
2.石墨化膨胀消除皮下气孔的原理
（1）气体的产生温度
将各种产生气体因素控制在很低程度并不代表就不产生气体，实际上述反应仍在进行，只是生成气体的量较少而已。因为气体大多在铁水处于较高温度时产生，加之铁液内部存在各种夹杂，使得气体得以长大成为气泡，气泡因密度小而上浮，如果长时间维持此温度，则气泡可完全逸出铁液而从型砂中排出。对于厚大铸件，这是有可能的。线路金具的壁厚都较小，冷却速度快，气泡则没有足够的时间逸出。
（2）石墨化膨胀的三个阶段
对球墨铸铁而言，石墨化膨胀的第一阶段发生在1230℃到共晶转变(1150℃)前，这是由于石墨是稳定相，其本身熔点高，过冷度相对较大，而造成其先于碳化物生成。
先生石墨球必然会导致铁液的体积胀大，而整个铁液因温度下降已产生液态收缩，胀与缩的共同作用必使铁液内部压力升高。此时铁液并无任何强度可言，压力升高不可能通过排开型砂使型壁外移得到释放，释放途径只可能是排挤液体中的气泡使之逸出铁液或排挤型腔中的液体使之沿内浇口回到浇注系统中，实际上这两种情况都是有可能的，我们可采取增加压力头来抑制第二种可能的进行，促使第一种可能得以很好实现。
石墨化的第二阶段即共晶石墨产生阶段，由于液流通道仍未完全堵塞，石墨化膨胀挤出气泡也是有可能的，但由于此时奥氏体枝晶骨架已形成，熔体具有了一定的强度，将排开型砂使型壁外移而对挤出气泡没有太大贡献。
固态时，没有新的气体生成，也无逸出通道，故此时的石墨化膨胀对消除皮下气孔无贡献。
3.实验过程及结果
众所周知，C、Si都是促进石墨化的元素，硅能固溶于铁素体，使基体得到强化。因此，球铁石墨化膨胀的程度与C、Si含量有关，为使其具有所需的膨胀量，需对其含量作必要的调整。高C低Si是生产球铁的原则，对于铁素体球墨铸铁，Si量可高些，但Si增加会导致韧脆转变温度升高，所以Si量应控制在2.7%以下。我们通过改变废钢加入量来调整含C量。在采用传统方法的基础上，我们选用不同的C、Si含量的球铁进行皮下气孔实验.其结果见表1。
从表中可看出：随着CE的增加，皮下气孔率降低，据表1推算，在4.55%以上时可完全避免皮下气孔的产生，即碳应在3.65%以上。
4.结束语
球墨铸铁易出现皮下气孔，仅仅依靠减少气体的发生量来防止皮下气孔的做法是有局限性的。这些在铁液中或在与铸型的界面反应中产生的气体是不可避免的，更因其产生机理的复杂性，给生产控制带来困难，因此，在尽量减少气体发生量的同时，调整C、Si含量，可以利用石墨化膨胀将这些已经产生的气体排挤出铁液。实验证明碳当量CE在4. 5 5以上（对中小件）时可以消除皮下气孔。
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