如何最大限度地減少鑄造過程中夾雜物的形成
在金屬鑄造中，鑄件品質很大程度取決於熔融金屬的潔淨度和澆注過程的穩定性。夾雜物是降低鑄件品質最常見的缺陷之一。夾雜物可以是金屬內部捕獲的非金屬顆粒（例如氧化物、砂粒、爐渣或耐火顆粒），也可以是形成類似夾雜物的氣泡。夾雜物的存在會降低機械性能，導致洩漏，使加工效果變差，甚至在部件承受動態負荷時成為裂縫的起始點。因此，了解夾雜物的來源並從熔化到凝固的整個過程中採取預防措施，是最大限度減少夾雜物形成的關鍵。
1. 了解包容性的來源
第一步是確定夾雜物的來源。一般來說，鑄件中的夾雜物主要來自以下幾個方面：
1. 熔融金屬在加熱、攪拌或澆注過程中與空氣過度接觸而氧化。生成的氧化物會碎裂成細小顆粒並懸浮其中。
2. 由合金元素與氧氣反應形成的爐渣，以及未完全分離的助熔劑形成的爐渣。
3. 由於金屬流動過於湍急、砂強度低或進料口設計不當，導致造型砂被侵蝕。
4. 坩堝、鋼包或爐襯因熱磨損和化學磨損而剝落的耐火顆粒。
5. 原料受到污染，例如生鏽的、油膩的廢料，或混有非金屬材料。
6. 溶解氣體（鋁中的氫氣、鋼中的氮/氧）會形成孔隙和內部缺陷－由於它們對質量的影響類似，通常被認為是「夾雜物」。
明確了解問題的根源後，就能更有效地制定預防措施。
2. 原料和進料清潔度的控制
夾雜物通常來自純度較低的原料。因此：
– 使用鏽跡、油漆、油污和灰塵含量極少的優質廢料。有機污染物會產生氣體並增加爐渣的形成。
– 預熱某些廢料以減少水分－這對鋁來說尤其重要，因為水會增加氫氣。
嚴格控制金屬和合金的分離。不受控制的廢料混合會引發不必要的反應，並增加爐渣的產生。
– 嚴格執行清潔管理：熔煉和裝料存放區域必須乾燥，無灰塵/沙子。
3. 優化冶煉製程：減少氧化和爐渣
熔化過程中，熔融金屬極易氧化。以下是一些重要步驟：
控制熔化溫度，防止溫度過高。過熱會加速氧化反應，增加浮渣/爐渣的產生。
盡量縮短高溫保溫時間。熔融金屬暴露時間越長，氧化的可能性就越大。
– 使用適合金屬類型（例如鋁）的助熔劑/覆蓋劑，以保護熔融表面免受氧氣的影響，並幫助熔渣聚結，以便於去除。
– 正確進行撇渣（除渣）：撇渣器必須乾淨，動作穩定，且不能攪拌金屬，以免渣重新混入。
– 對於某些合金，可以考慮在受控氣氛或惰性氣體保護下熔化，但這取決於生產的規模和成本。
4. 熔融金屬的脫氣與精煉實踐
在某些金屬中，夾雜物與溶解氣體密切相關。最常見的例子是鋁與氫氣的關係。常用方法包括：
– 脫氣採用惰性氣體（氬氣/氮氣）透過旋轉脫氣機或噴槍去除氫氣，並幫助細小的氧化物顆粒漂浮。
– 如果設施有限，則使用脫氣劑/助熔劑片劑，並嚴格控制，以防止助熔劑殘留物成為新的夾雜物來源。
– 採用液態金屬過濾（例如，在鋁上安裝陶瓷泡棉過濾器）來捕捉氧化物和非金屬顆粒，防止它們進入模腔。過濾通常是減少夾雜物最有效的方法之一，尤其適用於對品質要求高的產品。
5. 鋼包、坩堝和耐火材料的維護
坩堝內襯或坩堝破損會導致耐火顆粒在澆注過程中被帶出。預防措施：
– 定期檢查耐火材料是否有裂縫、剝落或起皮現象。
– 使用與所用金屬和助熔劑類型相容的耐火材料；化學反應會加速劣化。
– 確保鋼包和金屬接觸工具乾燥並預熱，以防止蒸氣爆炸，並減少局部冷卻，從而避免澆注過程中湍流增加。
– 用湯匙舀取物料時，避免過度攪拌，因為突然的動作可能會將爐渣攪回料中。
6. 設計閘門系統以實現平穩水流
由於金屬流動湍急，許多夾雜物會進入模腔，湍急的流動會侵蝕砂型並將表面氧化物帶入金屬中。減少夾雜物的主要澆注系統設計原則是創造層流、穩定且可控制的流動。
一些常見方法：
– 使用澆口和澆口設計，以減少「吸入空氣」和飛濺的影響。
– 控制水流方向，使其不要從過高的高度自由落體；自由落體會增加湍流和氧化作用。
– 安裝流道延伸裝置和捕渣器，以便在爐渣顆粒到達進料口之前將其捕獲。
– 使用正確的量（數量和尺寸）以足夠的速度填充模具，而不會侵蝕沙子。
– 在某些情況下，使用底部澆注或從下方澆注可以減少氧化膜的形成和湍流。
7. 模具和型芯的品質控制
砂粒夾雜通常是由於印模材料的侵蝕或剝落造成的。為了降低風險：
– 確保沙子強度（濕強度/凝固強度）充足且穩定。
控製造型砂的含水量。含水量過高會導致起氣和表面缺陷，而含水量過低則會降低黏結力。
– 在易發生金屬流動侵蝕的區域使用塗層/耐火清潔劑。
– 提高芯材的品質和強度，確保乾燥過程和黏合劑穩定，使芯材不會脫落。
– 良好的排氣設計可降低可能引發模具表面剝落的氣體壓力。
8. 澆注技術：生產車間的製程規範
即使設計良好，澆注過程不良也可能導致夾雜物問題。建議做法：
– 在不影響操作和安全性的前提下，盡可能降低澆注高度。
– 以穩定的速度傾倒，不要中斷。間歇性傾倒會增加湍流和氧化作用。
– 避免將鋼水傾倒在爐渣上：確保鋼包表面清潔，並採用不會拖曳爐渣的「傾斜」技術。
– 根據合金建議控制澆注溫度：溫度過高會增加氧化物，溫度過低會增加澆注失敗的風險，並可能因為過早凝固而夾雜物。
9. 冷卻和冷凍：有助於包裹體漂浮
在某些體系中，夾雜物會在金屬凝固前漂浮。以下措施可能有所幫助：
– 設計立管和水流，使廢物能夠移動到可以「犧牲」的區域（例如，排入立管或溢流口）。
– 使用過濾器和溢位作為包含收集點。
——控制熱梯度以實現定向凝固。定向凝固可以降低夾雜物被困在臨界區的機率。
10. 檢驗、測試和持續改進
減少包容性並非一蹴而就，需要數據驅動的回饋：
– 進行缺陷分析：透過樣品切割、宏觀腐蝕或金相分析來確定夾雜物的類型（氧化物、砂、爐渣、耐火材料）。
– 對關鍵零件應用無損檢測，例如射線照相（RT）或超音波（UT）。
– 監控製程參數：溫度、保溫時間、助焊劑類型、脫氣程度和過濾器狀況。
– 實施工作標準和操作員訓練－因為現場操作的差異往往是品質不一致的主要原因。
結論
透過綜合方法可以最大限度地減少鑄件中的夾雜物：從原材料的選擇和清潔度、控制熔體以抑制氧化和結渣、脫氣和過濾、耐火材料處理、減少湍流的澆注系統設計，到澆注規範和模具品質控制。當所有這些步驟持續執行並輔以檢測數據進行監控時，最終的鑄件將具有更高的內部清潔度、更優異的機械性能，並降低廢品率和生產成本。換句話說，控制夾雜物是對提高鑄件現場可靠性的直接投資。
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