汽车铸铁件气孔缺陷的形成原因及防止措施

摘要：汽车铸铁件常用覆膜砂制作砂芯，气孔缺陷是常见的铸造缺陷之一，主要表现为侵入性气孔、翘皮、少肉、呛火等，形成的主要原因是覆膜砂砂芯发气量大，排气不畅等原因导致。通过对增压器中间体铸件气孔缺陷的解决，提出了覆膜砂生产汽车铸铁件防止气孔缺陷需遵循“排、减、溢”原则，仅加强芯头排气对简单砂芯铸件有效，而减少砂芯的实际发气量、冒口溢流、高温浇注等是解决复杂砂芯铸件气孔缺陷的有效措施。

关键词：覆膜砂；气孔类缺陷；发气量；溢流

中图分类号：TG255     文献标识码：A

汽车铸铁件的形状复杂、尺寸精度高，如增压器壳体零件，这类铸件通常采用覆膜砂砂芯或组芯生产。覆膜砂砂芯具有尺寸精度高，生产效率高、易溃散等优点，但覆膜砂砂芯发气量大，容易产生气孔缺陷。气孔通常包括侵入性气孔、翘皮、少肉、呛火等类型，主要分布在铸件的上表面或内腔^[1]。气孔存在会大大降低铸件的力学性能，此外，气孔存在会降低铸件致密性^[2]。本文以笔者公司生产的汽车增压器中间体气孔改善为例，从而提出了覆膜砂生产汽车复杂铸件气孔类缺陷的形成原因和有效性防止措施。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

3   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。