消除脉纹缺陷


 

和 推测的一样,铸件的脉纹或者飞翅缺陷通常在铸件表面的垂直方向,单独或者成网状以刺的形式出现。它们的位置不沿着主要分型 线。各种合金铸件都会有脉纹,但是主要是黑色金属或者铜合金。尽管各种研究都检测过缺陷,但基础成因还难以找到。

北爱荷华大学金属铸件中心的研究人员,近来开展了铸铁和铸钢件中产生脉纹缺陷决定机理的研究。研究人员采用了先进的测试方法与计算机仿真模拟,评估各种砂混合物形成铸件脉纹的倾向。美国爱荷华州的北爱荷华大学的Jerry Thiel 和Sairam Ravi编写的《铸铁和铸钢件的脉纹缺陷的成因及解决办法》论文中分享了这个研究成果。

问题

型砂对于形成脉纹缺陷有什么样的影响?如何避免此类缺陷产生?

VeinTable1背景

根据之前的研究,芯子和砂型中的脉纹缺陷源于铸型金属表面的收缩砂粒和表层以下膨胀的砂粒的共同作用产生的拉应力。这种情形可能是由于达到573℃后砂体积缩小造成的。这种应力引起型砂的热膨胀差异和相应的应变,是由于距离液态金属热源远近不同,型砂中各点温度不均衡而造成的。

当施加在铸型或者砂芯表面的力超过砂子表面的高温强度时,受拉伸模式失效驱使,砂产生裂纹,同时液态金属进入。这一点可以将脉纹缺陷与由于表面砂体积增加,砂在表面层叠引起的夹砂、沟槽缺陷区分开。

许多脉纹缺陷的研究都强调研发砂添加剂以减少或消除缺陷。工程用砂添加剂通过两种效果起作用。首先是利用在近870℃时砂中发生的高温相变。石英的4个相对脉纹缺陷产生影响(见表一)。第一个是α相,其在室温下到573℃是稳定的;第二个是β相,此相的硅砂没有α相的稳定,从固态开始,其涂料粘度降低,显示出一些表面软化。这样的变化与粘结剂的种类无关。这个阶段的体积缩减量能达到样品的初始长度的50-100%。

如果砂粒表面充分软化,将形成鳞石英。钠、锂、铝等材料能够以3倍于砂最初的α/β相扩展的线性变化的方式影响相变。一种含锂的工程用砂添加剂(ESA)促使砂中鳞石英的形成,导致高温下体积增长。由此导致的体积膨胀达到12%,与表面应变起相反的作用,因此有效地消除脉纹缺陷。

铸钢件在更高的温度下浇注,这样铸型内的砂温和金属液界面的温度更高。当加入工程用砂添加剂的砂加热到超过1050℃时,他们软化同时体积变小(见图一)。在更高温度下的体积缩减与应变诱导的在普通硅砂中建立高表面应力情况类似,会导致裂纹和脉纹的产生。尽管在铸铁件中,鳞石英相变导致体积增加很有效果,但是对于铸钢件,由于温度太低,而不能避免脉纹缺陷。回顾加入氧化铁的硅砂的膨胀,尽管它们经历了软化,但没有经历由β相向鳞石英相的相变。随着温度升高,体积一直在缩小,直到第四个石英相的产生。

Fig. 1. Transformation temperatures of silica phases are graphed.

图1. 石英相变温度

这个阶段是β相向方石英相的转变而且关联着在1470℃时14.7%的体积膨胀。这一增长模仿了铸铁铸造温度下的工程用砂添加剂的效果,并通过膨胀的方法,减少型芯或模型表面拉应力诱导脉纹缺陷。随着方石英相变和相应膨胀的进行,型砂的烧结点降低。不幸的是,使用氧化铁来减少脉纹缺陷可能会给室温抗拉强度带来很大的损失。

过程

无粘结剂型砂高温性能数据的缺乏,很大程度上可能是由于缺乏用于测量无粘结剂型砂热膨胀的合适的设备和方法。为了解决铸造用砂的热膨胀测量问题,北爱荷华大学金属铸造中心设计并建造了一个最新的膨胀仪,能够准确测量多种铸造用砂的热膨胀参数。膨胀仪设计的很全面,可提供所需的温度范围或者准确的温度值。使用该大学的高温膨胀仪对已粘结的砂样进行热膨胀测试的照片见图二。

使用膨胀仪来测量颗粒材料变形率和计算粘度的一种试验方法,用于测量加热到高温时小的固态颗粒的表面软化情况。计算出的粘度对于描述一种颗粒材料的烧结性能是有用的。这种方法的延伸可以更好地理解砂粒表面的软化。表面粘度的测量是基于砂粒在压紧状态下,并处于压应力和稳定的升温速率状态。砂粒变成多孔状态,开始时随着温度升高而膨胀,但随后因为软化和晶间烧结而收缩。这种反应是由于表面压应力集中,表面软化和变形而引起的。

脉纹缺陷在硅砂砂型和砂芯中普遍存在,因此,研发了基于硅砂的膨胀和收缩的铸造模拟软件模型,通过将硅砂加热到高温来模拟表面应变。

添加各种添加剂的铸型生产的塔轮铸铁和铸钢件,与铸造模拟软件预测的结果进行了测试和比较。

结果和结论

Fig. 2. Shown is the general layout of the dilatometer used in the study.

图2. 研究中采用的膨胀仪的总体设计图

测试结果表明,2股力量作用于砂表面,要么增加脉纹缺陷,要么减少脉纹缺陷。在573℃时,α向β相转变,含粘结剂的石英砂的线性膨胀导致砂体积急速增加。通过进一步加热,由于粘结剂量的损耗和软化、砂粒表面的重新排列,砂体积减小。在高于573℃时,砂体积缩小是形成脉纹缺陷的主要原因。当铸型和砂芯表面温度升高,砂型的长度和体积缩小。在表面层正下方的温度稍低的砂,经过α向β相转变,体积增大。面层收缩的砂与背层膨胀的砂相互作用导致拉伸失效,这样金属液就进入,形成了常见的脉纹缺陷。减少脉纹缺陷的砂添加剂,形成砂粒表面的液态层,并利于形成鳞石英或方石英以及砂膨胀。二次膨胀缩减了芯子表面的消极的拉应力并阻止拉伸失效及相关的裂纹出现。通过砂添加剂的熔剂作用,颗粒表面相互连接,增强了铸型或砂芯表面的砂粒的抗拉强度。强度的增加减少了砂粒表面的拉伸失效及脉纹缺陷。

在铸件中可用于减少脉纹缺陷的方法是:

使用低膨胀的砂粒,如铬铁矿砂、锆砂、橄榄石砂、熔融石英或人造砂代替硅砂,以消除铸型及砂芯的部分面层砂以及背层砂膨胀率的差异。如果发生相变,这些材料一般不显示出线性膨胀。它们的耐火率高于硅砂(石英砂),因此软化度和体积损失最小。模型/金属界面应变值与表层下应变值相匹配对应,因此可以去除引起拉伸失效和脉纹的机械力。低膨胀颗粒与石英砂相混合已经成功用于减少或消除脉纹缺陷。

使用包含熔剂的添加剂,比如氧化铁和锂基产品。熔剂降低温度,在这一温度下石英砂开始软化并在颗粒表面出现液相,加快鳞石英转为方石英的反应,降低转变温度。这些转变驱动力增加表层下体积,减少砂型和模型表面脉纹应变。这些熔剂也能够在高温下将砂整体烧结,通过增加粘结砂的粘度,有效增加拉伸失效的阻力。

使用含有有机物的添加剂,比如糖类或糊精,为α向β相转变时提供一个微小的缓冲效果,但主要还是起到高温下砂粘结中碳来源的作用。模腔中,在液态金属充填之后,任何可用的氧很快耗尽。缺氧时,有机材料主要裂解为碳,将砂粒表面粘结在一起,增加表层砂的粘度和拉伸强度。拉伸强度的增加阻止脉纹应变产生,减少脉纹缺陷。这些材料经常与熔剂和氧化物混合增强效果。

本文摘自发表于2014年铸造大会上的一篇论文(14-030)。

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