鑄鋼件氣孔產(chǎn)生的原因及影響因素很多，生產(chǎn)工藝控制不好，就有可能產(chǎn)生氣孔。只有找到氣孔產(chǎn)生的原因，才能有效地預(yù)防。筆者經(jīng)歷了多次鑄鋼件氣孔缺陷的處理，由于產(chǎn)生原因分析正確，改進(jìn)措施有效，避免了進(jìn)一步造成鑄件報廢。
侵入性氣孔造成頂蓋報廢
2萬千瓦混流式水輪機(jī)頂蓋鑄鋼件，毛重4500ｋｇ，澆注總重6000ｋｇ。材質(zhì)ＺＧ20ＳｉＭｎ，鑄件為薄壁箱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔為封閉型，排氣條件較差。鑄造工藝特點(diǎn)：鑄件上表面(分型面上)設(shè)置8個 200ｍｍ×240ｍｍ的保溫冒口，冒口排氣孔直徑為 20ｍｍ。腔室型芯采用ＣＯ2 水玻璃石灰石砂制作，涂刷水基鋯英粉涂料。型芯下入砂型(粘土砂型)，隨砂型一起經(jīng)400℃×7ｈ烘干。
鑄件澆注、落砂、切割冒口后，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。但是，當(dāng)鑄件上表面機(jī)械加工后，發(fā)現(xiàn)均勻布滿了 5ｍｍ～ 20ｍｍ大小不等的蜂窩狀氣孔，氣孔內(nèi)表面呈現(xiàn)氧化色，而冒口切割面沒有氣孔。由于氣孔分布面積大，無法焊補(bǔ)，只得報廢。鑄件切割解剖，發(fā)現(xiàn)除上表面斷面層有氣孔外，其它部分均未發(fā)現(xiàn)氣孔。
產(chǎn)生氣孔機(jī)理：頂蓋屬于封閉型箱體結(jié)構(gòu)件，鋼液澆注后，石灰石分解，產(chǎn)生大量ＣＯ2氣體。由于排氣孔小，氣體來不及排出，使芯砂內(nèi)部氣體壓力增高，當(dāng)大于鋼液的靜壓力和表面阻力，氣體就入侵鋼液。ＣＯ2氣體不溶于鋼液，則漂浮到頂蓋上表面，在冒口區(qū)，氣泡上浮到冒口頂部從出氣孔中排除。在非冒口區(qū)處，氣泡上浮到上表面后，受上蓋箱面的阻擋，無法繼續(xù)上浮，滯留在鑄件的上表面，形成氣孔。
解決措施：將腔室用芯砂改成酸硬化呋喃樹脂砂，減小發(fā)氣量，加強(qiáng)型芯排氣措施，再生產(chǎn)的頂蓋鑄件，沒有出現(xiàn)氣孔。
侵入、析出、反應(yīng)性氣孔造成汽輪機(jī)前缸報廢
2.5萬千瓦高壓汽輪機(jī)前汽缸下半，材質(zhì)ＺＧ20ＣｒＭｏ，毛重11250ｋｇ，澆注總重16000ｋｇ。鑄件前部有3個汽室腔，屬于封閉型結(jié)構(gòu)，汽室出口為 60ｍｍ的小孔，排氣條件差。鑄造工藝特點(diǎn)：汽室腔砂芯上方有二個 500ｍｍ×600ｍｍ保溫冒口，腔室芯砂采用ＣＯ2水玻璃鉻鐵礦砂制作，型砂含水量為3%。鑄型采用粘土砂，400℃×8ｈ烘干后，再將汽室腔砂芯安放在鑄型中，經(jīng)200℃×4ｈ干燥。
鑄件澆注時，當(dāng)鋼液將腔室型芯淹沒后，立即產(chǎn)生冒泡和鋼液飛濺現(xiàn)象。澆注完畢后，在兩個冒口中的鋼液噴濺時間長達(dá)近30ｍｉｎ，最后在冒口頂部，沒有出現(xiàn)下陷的縮孔，而形成了“火山”狀。鑄件切割冒口后，在冒口切割面發(fā)現(xiàn)蜂窩狀氣孔，機(jī)加工后，沿腔室型芯周圍和冒口周圍發(fā)現(xiàn)大量蜂窩狀氣孔，氣孔大小 5ｍｍ～ 30ｍｍ，有的甚至連成片，遠(yuǎn)離腔室處，無氣孔缺陷。
產(chǎn)生氣孔機(jī)理：汽室腔型芯未烘干，在澆注鋼液時，當(dāng)汽室腔砂芯還未被鋼液淹沒時，砂芯中的水分受高熱形成的水蒸汽，可以通過裸露的砂芯表面孔隙排除。但是，當(dāng)鋼液將砂芯淹沒后，其中大量的水蒸氣無法迅速排出。氣體體積急劇膨脹，壓力增高，當(dāng)氣體壓力大于鋼液的靜壓力時，產(chǎn)生3個后果：①水蒸氣侵入鋼液，造成鋼液冒泡飛濺；②水蒸氣與鋼液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使鐵氧化，含氧量增加；③水蒸氣分解產(chǎn)生氫原子，溶解于鋼液，提高了鋼液中的氫含量。
鋼液中含氧量、含氫量的急劇增高，使氣孔以兩種方式形成：①碳 氧反應(yīng)產(chǎn)生ＣＯ反應(yīng)性氣孔；②氫原子析出形成氫分子，產(chǎn)生氫析出性氣孔。
(1)碳
氧反應(yīng)性氣孔在一定溫度下，氧元素和碳元素在鋼液中含量的乘積等于某一平衡常數(shù)ｍ，即：[Ｏ][Ｃ]=ｍ。
ｍ是溫度的函數(shù)，與鋼液溫度成正比。鋼液溫度高，ｍ值大，反之亦然。鋼液氧含量過高，鋼液溫度也高，ｍ值大，[Ｏ][Ｃ]≤ｍ，鋼液不發(fā)生碳氧反應(yīng)。當(dāng)鋼液的溫度下降到凝固點(diǎn)時，ｍ值也隨之減小，這時[Ｏ][Ｃ]>ｍ，化學(xué)平衡被破壞，其結(jié)果是發(fā)生碳氧反應(yīng)，產(chǎn)生ＣＯ氣泡。其反
應(yīng)式如下：[Ｏ]+[Ｃ]=[ＣＯ]↑這時鋼已經(jīng)處于結(jié)晶凝固狀態(tài)，ＣＯ氣泡在枝晶中析出，上浮受阻，部分被滯留在鑄件內(nèi)部，形成反應(yīng)性氣孔。
(2)氫析出性氣孔
氫元素在液態(tài)鋼中溶解度大，但在固態(tài)鋼中，其溶解度則很小。在鋼的凝固過程中，氫的溶解度下降，處于過飽和狀態(tài)，氫原子快速析出，形成氫分子氣泡，其體積迅速膨脹，在鋼液中造成很大的壓力，產(chǎn)生鋼液噴發(fā)現(xiàn)象。部分氫氣泡滯留在鑄件中，形成氣孔。
防止措施：加強(qiáng)汽室腔砂芯排氣，使砂芯內(nèi)部的出氣孔從芯頭底部穿過砂箱底部引出；將汽室腔砂芯下入鑄型后，隨鑄型一起經(jīng)400℃×8ｈ干燥，基本將汽室腔砂芯中的水分烘干，防止氣孔缺陷的發(fā)生。
氧化、析出、反應(yīng)性氣孔使一爐低合金鋼報廢
在5ｔ電弧爐內(nèi)熔煉一爐10ｔＺＧ20ＣｒＭｏ，澆注一批中小件，型為粘土砂，經(jīng)400℃×6ｈ烘干。當(dāng)這批鑄件切割冒口加工后，發(fā)現(xiàn)離鑄件表面15ｍｍ～20ｍｍ處有朝向內(nèi)部分布的大量氣孔，其代表鑄件為汽輪機(jī)蒸汽室。
冶煉概況：該爐鑄件鋼冶煉時，在氧化期結(jié)束時化驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)Ｍｏ高出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。為了降Ｍｏ，使之進(jìn)入規(guī)格，在還原期加入了800ｋｇ廢鋼和生鐵，還原期長達(dá)3.5ｈ。
產(chǎn)生氣孔機(jī)理：①還原期加入大量未經(jīng)烘烤或除銹的廢鋼和生鐵帶入雜質(zhì)和水分，提高了鋼液的含氧量和含氫量；②還原期時間太長，還原渣屬于稀薄、疏松渣，氫、氮等氣體容易侵入，增加鋼液的含氣量。由于不能二次氧化操作，無法除去鋼液中新增加的氫、氮等元素。澆注后，鑄件在凝固時，氫、氮等元素在鋼中的溶解度降低，則以氣泡形式析出，使鑄件產(chǎn)生氣孔。
不銹鋼葉片出現(xiàn)二次氧化
析出性皮下氣孔水輪機(jī)軸流轉(zhuǎn)漿式不銹鋼葉片，材料ＺＧ06Ｃｒ13Ｎｉ4Ｍｏ，毛重5300ｋｇ澆注鋼液總重9000ｋｇ。 700ｍｍ×1000ｍｍ保溫冒口，設(shè)在軸頭端面，平做立澆，直澆道長3.5ｍ，全開放底注式澆注系統(tǒng)。葉片面砂為ＣＯ2 水玻璃鉻鐵礦砂，涂刷醇基鋯英粉涂料，砂型經(jīng)300℃×24ｈ烘干，不銹鋼葉片澆注清理后表面打磨后發(fā)現(xiàn)，軸頸兩側(cè)葉面皮下發(fā)現(xiàn)多層水平走向分布蜂窩狀氣孔，氣孔直徑 0.5ｍｍ～ 5ｍｍ，有的氣孔內(nèi)還含有小鐵豆，內(nèi)澆道附近也有較多氣孔聚集，生產(chǎn)數(shù)件，每件均存在同類皮下氣孔缺陷。
產(chǎn)生氣孔機(jī)理：鑄型直澆道太高，澆注鋼液落差大，對直澆道底部的沖擊力太大，使開始進(jìn)入澆道內(nèi)的鋼液產(chǎn)生飛濺，產(chǎn)生二次氧化。高鉻不銹鋼中的鉻元素極易氧化，與水蒸氣反應(yīng)，形成氧化鉻夾雜物，同時分解出大量氫原子，溶解于鋼液中。隨著鑄件的凝固，氫的溶解度急劇下降，處于過飽和狀態(tài)，并能在夾雜物、鑄型表面以及枝晶表面形核，形成皮下氣孔。防止措施：在直澆道進(jìn)入橫澆道前設(shè)計一個集渣包，將剛進(jìn)入澆道被氧化的鋼液引進(jìn)集渣冒口，而后進(jìn)的清潔鋼液進(jìn)入型腔。采用改進(jìn)措施后，葉片表面皮下氣孔基本消除。
綜上所述：
(1)砂型、砂芯應(yīng)盡量干燥，透氣性要好，排氣要暢通，使在澆注過程中，減少水蒸氣的量，以減少其對鋼液的二次氧化而造成的增氧吸氫量。
(2)在設(shè)計澆冒口時，應(yīng)考慮如何盡可能地將剛進(jìn)入澆道和鑄型的已被二次氧化的鋼液引出鑄件型腔。
(3)石灰石砂不宜用作鑄件封閉性結(jié)構(gòu)腔室型芯制作，這類結(jié)構(gòu)排氣困難。石灰石砂在高溫分解后，產(chǎn)生大量ＣＯ2氣體，無法迅速排出，易產(chǎn)生侵入性氣孔。
(4)熔煉鋼時，一定要保證鋼的脫碳量，使之在氧化期通過供氧脫碳沸騰鋼液，以達(dá)到除渣去氣的作用，還原期脫氧還原一定要充分，盡可能地降低鋼液的含氧量。
正確分析鑄鋼件氣孔的形成機(jī)理，采取相應(yīng)的措施，才能有效減少鑄鋼件形成氣孔。
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