气孔结构

2024-10-04

气孔结构（精选9篇）

气孔结构篇1

1 孔的概述及分类

蒸压加气混凝土砌块的内部结构呈蜂窝状微孔, 良好的微孔应为近似圆形封闭状, 互不连通, 是典型闭孔结构。按照孔径的大小, 可将蒸压加气混凝土的孔大致分为宏观孔及微观孔两类, 其中宏观孔为发气剂在发气过程中产生的气体与料浆相互作用而形成的均匀细小的气孔, 孔径一般为十分之几毫米到几个毫米范围内[1]。微观孔存在于宏观气孔的孔壁上, 为各种水化物的胶凝孔 (孔径大小在十几个到几十个埃[1]) 以及未完全反应的水分蒸发或者多孔原材料留下的毛细孔 (孔径一般在几百个埃到0.1 mm范围内[1]) 。一般情况下, 宏观孔及毛细孔对加气混凝土性能的影响较大。

加气混凝土由孔及孔间壁组成, 其中孔间壁包含水化产物、未反应的原料颗粒以及孔隙结构。水化产物主要是在高温高压的条件下硅质材料与钙质材料反应生成的CSH (I) 、托勃莫来石以及水石榴子石等。它们与未反应的原料颗粒交错互联, 形成骨架结构, 使加气混凝土具有强度, 如图1所示。孔间壁上的孔隙结构也会在一定程度上影响制品的性能, 其中尤以毛细孔的影响作用较大, 毛细孔的干缩作用会使制品产生裂纹。

2 孔形成的过程

目前在加气混凝土行业运用最广泛的发气方法是在料浆中加气活性发泡剂-铝粉。铝粉在碱性的料浆中发生化学反应, 放出气体, 从而使加气混凝土形成多孔结构。生产过程中, 常用的铝粉有两种:带脂干铝粉和膏状铝粉。由于铝粉膏使用较方便, 常被优先选用。

在原料中的水泥和石灰水化形成的碱性环境中, 由于石灰的水化, 料浆温度逐步升高, 铝粉开始不断地与水反应, 生成氢气, 直到金属铝被消耗完毕。在这个过程中, 铝粉颗粒的放气反应首先是在铝粉与碱溶液直接接触的表面进行的, 铝粉颗粒表面并不是光滑的匀质表面, 在其生产过程中造成挤压变形和折断撕裂的边缘或棱角, 是进行化学反应的初始活泼点, 而其他区域或因脱脂处理不完全仍然覆盖少量憎水物质或者存在氧化层, 其参加化学反应的时间将推迟。在反应点产生的氢气分子在水中饱和后, 首先将暂时吸附在铝粉颗粒反应区周围表面, 逐渐形成吸附于铝粉颗粒的气膜或微型气泡。随着发气过程的继续, 微型气泡中不断充入新的氢气, 气泡长大, 在料浆中表面活性物质分子组成的气泡壁薄膜的保护下, 在料浆的浮力推动下, 脱离铝粉而成为悬浮于料浆的气泡。待料浆稠化产生一定的强度将气泡固定, 便形成了气孔。

在使用普通硅酸盐水泥或者原料中使用石膏的情况下, 铝粉的发气反应可表达为下列化学方程式:

2 Al+3Ca (OH) 2+3Ca SO4·2H2O+m H2O→3Ca O·Al2O3·3Ca SO4+31H2O+H2↑

在蒸压加气混凝土生产过程的静停阶段及蒸压阶段, 随着硅钙铝的水化产物形成及结晶度的不断完善, 会在气孔壁上形成晶间孔及胶凝产物间隙孔等微观孔, 而原来充水的部位由于水分的迁移及蒸发而形成了毛细孔。

3 孔结构对制品的重要性

蒸压加气混凝土是一种多孔结构的材料, 孔的大小、结构及分布都会影响其性能, 且影响关系极为复杂。常规情况下, 制品孔隙率越大, 吸水性能越强, 制品密度以及导热系数也越小, 抗冻融性能提高[1], 而强度降低。蒸压加气混凝土气孔对于制品的强度的影响较大。

由改进的汉森公式[2]:

R-空隙率为VP时的强度, MPa;

R0-空隙率为0时的强度, MPa;

Vp-空隙率, %。

可知, 随着空隙率的提高, 加气混凝土制品的强度将减小。

宏观气孔的形状对加气混凝土制品的强度也有较大影响, 从一些工厂的实践经验来看, 质量等级较高的加气混凝土的孔结构普遍呈圆形且均匀分布。同密度的加气混凝土, 气孔结构良好的制品比气孔不规则分布的制品强度要高很多。这是因为不规则的气孔结构会导致应力集中, 形成受力薄弱部位, 在这些部分易发生制品损坏。良好的气孔结构可以弥补一部分由于密度减少而损失的强度。而且孔结构不会因为吸湿或者冻融而破坏, 因而它对强度的贡献也不会发生改变。

由于蒸压加气混凝土孔结构的重要性, 我们对其影响因素进行了一些分析。

4 孔结构的影响因素

4.1 原材料

4.1.1 铝粉

蒸压加气混凝土的气孔是由铝粉发气产生的。铝粉的选择对于气孔的结构有十分重要的影响。目前生产中普遍使用的膏状铝粉应符合JC/T407-2008《加气混凝土用铝粉膏》的要求。在加气混凝土中, 如果铝粉使用量不当, 会引起铝粉的发气速度和料浆的稠化速度不相适应, 制品会出现气孔缺陷、料浆沉陷、沸腾以及塌模等现象, 导致产品损失率较高。

在发气过程中, 发气速度与料浆的稠化相协调是十分重要的。据相关工厂经验, 一般要求投入铝粉后的2 min内基本不发气, 2 min~8 min大量发气, 8 min后开始减慢, 16 min左右发气基本完成, 24 min全部发气结束。铝粉发气主要受三个因素影响:铝粉质量、温度以及料浆的碱度。一般生产中, 我们要保证发气过程中环境温度在40℃~55℃, 而且要尽量降低模具各个面的温差, 以保证料浆各个点发气的均匀。料浆的碱度来源于原料中石灰水化生成的氢氧化钙。铝粉的质量从三个方面来进行判定:铝粉比表面积、活性铝含量, 铝粉的表面形状。比表面积大, 表面多褶皱, 铝粉开始发气时间较早, 但发气速率相对较小。活性铝含量越高, 发气量会越多, 产生气孔就越多。发气率过大或者过小、发气时间长短都会产生质量问题, 发气率过大, 发气时间延长, 会产生后期尾气开裂现象。发气过快, 发气时间缩短, 会使气体利用率降低, 气孔偏少, 达不到质量等级要求。合适的铝粉应具备的条件见表1。

经过多年的实践和探讨, 目前行业内对于铝粉的质量要求为:固体粉≥65%, 其中活性铝含量≥90%, 细度0.075 mm筛筛余量为≤3%;发气率为发气时间4min、16 min、30 min时对应的发气量为 (%) 40~80、80、99, 颗粒细度达到25μm~55μm比例为50%, 盖水面积4 000 cm2/g~5 000 cm2/g。水分散无团粒。

4.1.2 石灰

铝粉在料浆中发气的前提条件是石灰水化提供碱性环境, 石灰快速水化可使料浆p H值在短期内上升到12以上, 水化产生的OH-离子与铝粉表面的钝化膜及发气过程中产生的Al (OH) 3絮状沉淀反应, 促进铝粉顺利发气。而且, 石灰在水化的过程中会放出大量的热能, 促进料浆稠化的同时加速铝粉的发气反应。石灰的反应速度会影响铝粉发气的过程。石灰反应速度主要受三个因素影响:初始料浆温度、细度以及有效氧化钙含量。料浆具备一定的初始温度有利于石灰尽快开始进行水化反应。较细的石灰颗粒与料浆接触面积增大, 反应速度加快, 较粗的石灰颗粒, 反应接触面积较小, 反应速度相对较慢。有效氧化钙含量越多, 在整个反应过程中放出的热量也越多, 但其更大作用是在静停过程中提供足够的钙离子与Si O2、Al2O3进行反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙, 促进浆体凝结及硬化, 进而在蒸压过程中上述水化产物进一步结晶形成托勃莫来石, 从而将发气产生的气泡固定, 形成多孔结构。

高温快速灰, 在短时间内放出大量热量, 会加快铝粉的发气速率, 稠化速度跟不上, 大量气泡汇集合并上浮, 造成冒泡或者沸腾现象, 降低了气体利用率, 也易造成早期塌模, 或者在水料比较小的情况下, 稠化速度大于发气速度, 从而造成“揭顶”。另外, 由于气泡的合并, 也容易出现连通孔现象, 降低制品质量。低温快速灰, 石灰中存在欠烧石灰石, 导致消化热不高, 稠化较慢, 无法有效的固定气泡, 可导致大孔、连通孔或者发气高度不够。慢速消化石灰, 一般含有过烧石灰石, 发热低, 稠化慢, 会降低铝粉发气利用率, 易导致发气高度不够、大孔、连通孔, 严重的可导致早期塌模。另外在料浆混合的过程中, 若石灰搅拌不均匀, 会导致局部发气过快或者过慢, 从而导致气孔结构分布不均, 降低制品性能。

在生产中, 一般均采用磨细生石灰粉, 生石灰中Ca O≥65%, 消化速度:10 min~15 min;消化温度:60℃~90℃, 0.08 mm方孔筛筛余量:≤20%【4】。

4.1.3 水泥

水泥是一种广泛使用的水硬性胶凝材料。在发气过程中, 其主要作用是协调发气与浆体稠化的速度。水泥稠化及硬化的原理是由于其所含有的矿物成分C3S、C2S、C3A以及C4AF在浆体中发生了水化反应, 生成了水化硅酸钙、水化铝酸钙以及水化硫铝酸钙等水化物, 使浆体产生无序的三维网状连接, 表观上表现为浆体黏度增加, 从而逐渐具有固定气泡的能力。适合蒸压加气混凝土生产用的水泥是早期发展强度较快的水泥, 在发气基本完成时, 气泡破灭前, 浆体强度快速增长以固定气泡, 形成多孔结构。三种水泥在AAC浆体中的反应速率对比概念图2所示[5]。

水泥在浆体中的反应速度主要受三方面的因素影响:料浆初始温度、水泥细度以及矿物含量。为了保证发泡成功, 对硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥的技术要求如下:

(1) 初凝时间80 min~180 min, 终凝时间140 min~260 min;

(2) 80μm方孔筛筛余量不超过5%, 比表面积在2 500 cm3/g~4 500 cm3/g之间。

(3) 强度等级大于42.5级, 最好采用42.5R (早强型) , 细度应更细一些;

(4) 水泥中硅酸三钙的含量应尽量高一些。

另外, 需注意水泥中的铬酸盐含量, 一般应小于20ppm, 它会在铝粉表面形成氧化膜, 阻碍发气。可加亚铁盐消除其影响。

4.1.4 石膏

石膏是生产加气混凝土制品时发起过程中最常用的一种调节材料, 它主要起三个方面的作用:调节水泥的凝结时间, 抑制石灰的消化以及参与铝粉的放气反应。以上三个方面在发气阶段最终都是为了协调浆体的稠化与放气反应相适应, 以形成良好的多孔结构。

石膏调节水泥的凝结时间原理为其参与了水泥的水化反应, 可以消耗C3A (铝酸三钙) , 生成水化硫铝酸钙, 缓解了C3A急速水化造成的急凝, 以此来缓解浆体的凝结时间。抑制石灰的消化从化学反应平衡的角度很容易理解, 适量的石膏可以抑制石灰的消化, 由于其是难电离的电解质, 故超过一定的量所起的调节作用就不明显了。当有石膏存在时, 可以同铝粉与水反应时生成的氢氧化铝反应生成硫铝酸钙, 一定程度上促进铝粉的放气反应。

在加气混凝土生产中, 石膏的掺量有一个最佳值, 一般不超过5%, 超过最佳值, 反而有可能抑制料浆的稠化, 从而产生大量的大气孔或者连通孔甚至引起不满模, 造成气孔结构不均匀, 影响制品性能。在生产中, 建议脱硫石膏颗粒细度100μm筛余量≤10%, 平均密度为800 kg/m3~1 200 kg/m3, Ca O含量约33.0%~43.0%之间, SO3含量约47.0%~59.0%, 烧失量小于24%。

4.2 水料比

在加气混凝土生产中, 水料比的概念是指总的用水量与基本组成材料的干重量之比。大量的实践经验证明, 水料比对于加气混凝土制品的性能有重要的影响。不同原材料及不同等级产品都有一个最佳的水料比, 需在实际生产中进行调整, 找出适合自己工厂情况的水料比。一般来说, 500 kg/m3的水泥-石灰-砂加气混凝土的最佳水料比为0.65 kg/m3~0.75 kg/m3, 500 kg/m3的水泥-石灰-粉煤灰加气混凝土的最佳水料比为0.60~0.75。

不同的水料比会影响加气混凝土气孔结构的改变。根据普拉斯公式, 我们可以从理论上分析水料比对气孔的影响。根据拉普拉斯公式, 气泡中气体压力为:

式中pa为大气压 (Pa) ;σ为料浆黏度;r为气泡半径

由以上公式可知, 在大气压pa一定的情况下, 在特定位置, 气泡半径的大小主要取决此处料浆的黏度。在初始发气阶段, 水料比越大, 料浆黏度越小, 气泡半径越大, 反之, 气泡半径越小。模具内, 即使是同一层的温度、原料的颗粒形态、原料浓度都是有差别的, 故在同一层内, 同时并存多种半径大小的气泡。因此, 由拉普拉斯公式可知, 同一层各个半径大小的气泡所受的内外压力是不同的。当气泡大小相差悬殊或者料浆黏度太小时导致压力差很大时, 小气泡就会破裂汇入大气泡中形成更大的气泡, 造成大孔偏多, 气泡结构不均匀。故料浆应该具备一定的初始黏度。

一般而言, 水料比大, 料浆阻力较小, 发气形成的气孔孔径相对较大, 大孔比例偏高, 易形成连通孔。水料比小, 气孔结构相对均匀。因此, 我们希望水料比能够稳定在较小的范围内, 并保持较低的数值。

4.3 工艺制度

在加气混凝土工艺中, 原料混合搅拌之后, 将进入浇注、静停以及蒸压阶段, 这其中的每一个步骤都会影响制品的气孔结构, 静停阶段是气泡形成阶段, 对于良好气孔结构的形成尤其重要。

在生产中, 通过浇注搅拌机进行搅拌以及浇注, 浇注温度会影响初始发气率。浇注温度影响原材料的活性, 温度越高, 铝粉的发气、石灰以及水泥的初始水化反应越快。在这个阶段, 要想获得较为理想的气孔结构, 就要控制合适的浇注温度。经过生产实践经验总结, 浇注温度一般控制在40℃~50℃之间。另外, 在浇注过程中, 可使用振荡器在模具内将大气泡打碎, 增加气孔结构的均匀性。还需注意浇注过程中的排空气过程, 通过适合直径的排空管道排出浇注过程中带入的空气, 避免出现大气孔。

静停时间一般为2 h~3 h, 发气一般在初始的40min~1 h内结束, 最初发气较快, 最后逐渐趋于平缓。静停阶段, 影响发气的主要是温度以及温度分布的均匀性。在一定温度值的条件下, 模具各个表面温度分布均匀, 有利于减小模具内各个位置发气以及硬化速度的差别, 有利于气孔结构均匀。静停室一般通过蒸汽管道通蒸汽来保证温度环境, 为了减少静停时间, 提高生产效率, 大多数厂家选择静停室温度控制在45℃~55℃之间。目前蒸汽管道常规都分布在静停室的两边墙壁上, 为了保证温度的均匀性, 必要时候也可考虑在地面铺设蒸汽管道, 以保证模具底部的温度。

蒸压加气混凝土的生产中, 蒸压工艺是在高温、高压的环境下进行的, 一般分为三个阶段, 升温阶段、恒温阶段以及降温阶段。升温以及降温的时间控制非常重要, 因为在此阶段由温度以及水分引起的应力差很有可能破坏气孔结构, 引起裂缝等质量缺陷, 降低制品等级甚至成为废品, 尤其在升温阶段, 此时制品的强度还较低, 未经过高温高热的水化反应生成有足够强度的水化硅酸钙物质, 抵抗不了较大的外力刺激。故升温阶段需要有一定的时间限制以使制品适应外界环境的变化。降温过程由于制品已经形成足够的强度, 故可相对较快些, 特别注意冬季开釜门的时间要延长, 以免过强的温差应力造成制品端部裂纹。常规情况下, 考虑成本因素, 加气混凝土的生产中升温阶段一般控制在1.5 h~2 h, 降温阶段为1 h~1.5 h, 恒温阶段为7 h~8 h。

5 小结

加气混凝土制品的气孔结构可占制品体积70%~80%, 关系着制品的性能且影响因素十分复杂, 本文根据安徽科达机电材料实验中心以及相关工厂的经验仅从原料以及工艺制度上对气孔结构的影响因素进行了理论上的粗略分析。在生产中, 设备质量, 设备稳定性, 人为操作以及外界环境变化等都会影响制品气孔结构, 需要根据实际情况对相关影响因素进行调整, 才能生产出质量优良的制品。

参考文献

[1]彭军芝.蒸压加气混凝土中孔的形成、特征及对性能的影响研究[D].重庆大学, 2011.

[2]孙抱真, 贾传久.加气混凝土孔结构与强度的数学关系式, 河南建筑材料科学研究所.

[3]Y.Aono, S.Shibata&F.Matsushita.Mechanisms and countermeasures against cavity defectives in AAC during manufacturing, Sumitomo Metal Mining Siporex Co., Ltd., Research&Develop ment Center, Japan, 2005.

[4]中国加气混凝土协会.加气混凝土生产技术实用讲义[M].常州:加气混凝土编辑部, 2009.

[5]Y.Aono, S.Shibata&F.Matsushita.Effect of ce ment characteristics on the setting behavior of Autoclaved Aerated Concrete, Sumitomo Metal Mining Siporex Co., Ltd., Research&Develop ment Center, Japan, 2005.

气孔结构篇2

气孔造句：

1、在这些细胞中包裹着绒毛（是的，叶子有绒毛），某种肿块或装饰，还有最重要的——气孔。

2、植物通过根吸收水分，然后经叶片背面的微小气孔散发至空气中。

3、最关键的发现是，如果面具内部平滑，即使外面的气孔，鼻子和其它部位凹凸不平，它也会在面部伸展，随着肌肉的伸缩而移动。

4、相反，当大气二氧化碳浓度低时，气孔密度似乎增加了——就像长出更多的嘴来呼吸。

5、沙门氏菌并没有造成母鸡生病，在鸡蛋生下来之后，有可能通过蛋壳表面的气孔被含沙门氏菌的排泄物污染。

6、植物体通过气孔吸入空气并且传递出水分。

7、他们被放在货舱内一个配有塑料发泡盒的袋子里，这个袋子有透气孔。

8、叶子气孔细胞的这种活动方式有助于古植物学家识别它。

9、这些盒子太小了，蟋蟀几乎没有腾挪的空间，不过盒子末端有一个格子状的透气孔。

10、气孔是二氧化碳进入而氧气和水蒸气逸出的开口。

11、鼻子就是有气孔的一块肉，它让你喘气和闻气味，还可以帮忙保护眼睛。

12、他的六名工作人员开始使用与真人的肉非常相似的硅树脂，包括气孔部分。

13、Dilcher说：“二氧化碳在大气中的含量每增加万分之一就会对植物气孔的数量产生深远的影响，同时还会使气孔的宽度变窄。”

14、据传，塑料箱体上有一些帮助“作弊”的透气孔。

15、表面光洁、色泽均匀，无气孔、裂纹等缺陷，螺纹无毛刺。

16、或者购买一个顶部和底部分别装有气孔和滤网的特殊容器来保持食物的新鲜。

17、他们认为恐龙明显缺乏很多鸟类的典型特征，例如叉骨（或称愈合锁骨）、骨骼中的气孔结构、柔韧的腕关节和三趾的足部等等。

18、澳大利亚的飞行员驾驶安装了反向进气孔的飞机，成功地对澳大利亚灾蝗实施了空对空的打击。

19、当我第一次将PS3拆开时，我将它放在工作台上靠近笔记本的地方运行，PS3的风扇将风吹进了笔记本的排气孔里面，最终导致笔记本过热而关机了。

20、毕竟，流感病毒就是这样的，它们破坏我们呼吸道的细胞，扰乱我们的通气孔。

21、仅有排气孔的冷却垫也能促进笔记本电脑周围的空气流动，而且便于携带，但是如果需要更强力的冷却效果，风扇是最好的方法。

气孔结构篇3

关键词：泡沫陶瓷,闭孔,分形,分维,计算机模拟

0 引言

在材料学科学中, 存在许多不规则的、复杂的、具有自相似性的研究对象, 如材料的断裂面、孔结构及薄膜生成中的某些过程等。在Mandelbrot首次应用分形几何方法定量地分析了金属断口的不规则性, 并取得非常满意的效果后, 各国的材料工作者才把分形几何应用到各自的研究领域, 取得了可喜进展, 并证明了材料的物理化学性质与其分形结构特征有密切的关系[1,2,3]。

闭孔泡沫陶瓷是由大量的、各自独立封闭的、内部呈负压的陶瓷气孔构成的陶瓷材料。该材料具有导热系数小、比热容低、抗热震性好、不透水等特点, 具有保温、隔热、隔湿、隔音和可漂浮等多种功能。可广泛用作建筑材料、高温隔热材料和水上漂浮材料[4,5,6]。

闭孔泡沫陶瓷其组成、显微结构和性能均可采用仪器设备等方面进行检测描述, 唯有其空间几何结构不能通过检测的方法进行描述。通过观察发现, 闭孔泡沫陶瓷气孔几何结构不是一个整形结构, 而是具有分形特征的分形结构, 因此, 须采用分形几何来描述。

1 分形维数

维数是几何对象的一个重要特征量。直观地说, 维数是为了确定几何对象中一个点的位置所需要的独立坐标的数目, 或者说独立方向的数目。经典几何学的对象具有整数维数。对于更抽象的几何对象, 只要每个局部可以和欧氏空间对应, 也容易确定它们的维数。它们的维数仍然是整数。将点、线、面等作拉伸、压缩、扭曲等拓扑变换, 并不改变它们的维数。这种维数叫做拓扑维, 记作d。球和椭球表面的拓扑维数d=2。

如果把一个正方形的每边放大为原来的2倍, 得到相当于4个原来正方形的大正方形。如果把一个正方体的每边放大到原来的2倍, 就得到相当于8个原来大小的正方体。推而广之, 一个d维几何对象的每一边都增加为原来的L倍, 就得到N个原来的对象, d, L和N三个数的关系为Ld=N。对该式取对数, 则有

此时, d可不再是整数, 把这样定义的维数叫做分维, 记为D。因此, 分维是这样的集合, 其分维严格地大于拓扑维, 即D>d。分维大于其拓扑维是判定分形的一个重要标志[7,8,9]。

很显然, 分维和拓扑维之差D-d是系统无序程度的度量。对分形曲线来说, D-d愈大, 曲线的弯曲就愈大。对其他形式的分形, D-d愈大, 不规则性或粗糙度或无序性就愈大。

2 闭孔泡沫陶瓷的分维

2.1 闭孔泡沫陶瓷的分维表达式

闭孔泡沫陶瓷的配料中, 含有一定数量的颗粒细小的发泡剂。这些发泡剂在高温下分解释放出气体, 气体先成核再发泡长大。如果每个发泡剂粒子之间相距足够远, 且每个发泡剂粒子足够小, 其释放的气体只形成一个气泡, 那么气泡的个数应等于发泡粒子数。然而, 由于发泡体是局限在一个紧凑的空间中, 发泡时间也较短, 再加上发泡过程中系统的自组织行为的约束, 因此, 只有一部分气泡核可以长大成为宏观上的气泡。这些气泡整齐地排列, 占据着泡沫瓷的大部分空间。其余未长大的气泡核和小气泡则存在于气泡壁上, 图1为其显微结构的扫描电镜图片。

图2为具有分形结构的泡沫陶瓷样品直观图。从图1、图2可知, 气泡壁上未长大的气泡核和小气泡的排列不是无序的, 而是遵循分形几何中的无穷嵌套自相似结构进行排列:即一个半径为R的大气泡壁上均匀分布着N个半径为r的小气泡, 且在这N个半径为r的小气泡上, 每个小气泡壁上也均匀分布着N个半径更小 (设其半径为ri) 的小气泡。依次类推, 直至无穷, 且满足:

故可求得该泡沫陶瓷的分维表达式:

2.2 分维D与闭孔泡沫陶瓷气孔微结构的关系

根据计算, 相邻级别大小气泡半径比K与小气泡数N的关系及其对应的分维如表1所示。

从表1可知:随着相邻大小气泡半径比K的增大, 分维D趋向于球面的拓扑维数 (d=2) 。这说明K值越大, 气泡内壁越光滑, 越趋向于整形结构。并且, 当分维D无限趋向于2时, 每个发泡剂粒子释放的气体单独形成一个气泡, 闭孔泡沫陶瓷中气泡数量将达到最大。由于单个发泡剂粒子释放的气体很少, 气泡孔径也最小。因此, 分维D越小, 泡沫陶瓷的气孔越多, 孔径越小, 其容重也越小, 保温隔热性能越好。

3 闭孔泡沫陶瓷气孔分形结构的计算机模拟

据对样品 (图2) 的测量计算, 其大小气泡半径比K为5, 其分维D为2.5840。图3-10是当K为5时, 用计算机模拟的泡沫陶瓷的分形结构[10]。其中, 图3-6是模拟从气泡外部观察的分形结构图, 图7-10是模拟从气泡内部观察的分形结构图。

单孔模型外部结构运行结果 (图3~图6) :

单孔模型内部结构运行结果 (图7~图10) :

4 结论

(1) 闭孔泡沫陶瓷的气泡结构具有分形结构, 其分形维数表达式为:

(2) 分形维数越小, 闭孔泡沫陶瓷的气孔越多, 孔径越小, 其容重也越小, 保温隔热性能越好。

(3) 试验观测表明:闭孔泡沫陶瓷孔结构与计算机模拟的图像贴近度很高。

参考文献

[1]王慧, 曾令可.分形理论及其在材料科学中的应用[J].材料开发与应用, 2000, 15 (5) :39-43

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[9]文志英, 井竹君.分形几何和分维数简介[J].数学的实践与认识, 1995, 4:20-34

埋弧焊产生气孔原因篇4

埋弧焊缝产生气孔的主要原因是氢，氢气是由焊材、母材带入电弧区的水分所造成的。但是电磁偏吹、母材质量不好等也会造成气孔，应根据实际情况具体分析，采取相应防止措施。

(1)焊接材料和坡口门不清洁，是造成气孔的最常见的原因。焊剂末烘干或烘干不彻底，焊丝表面、坡口表面及邻近区域有油、锈和水分，都会使熔池中含氢量显著增高而产生气孔。防止氢气孔的方法，是减少氢的来源和创造使氢逸出熔池的条件：

①焊剂(包括焊剂垫用的焊剂)：应按规定严格烘干。如果天气潮湿，焊剂从烘箱中取出到使用的时间不能太长，最好能在50度左右温度下保温待用。回收再用的焊剂要避免被水、尘土等污染。

②严格清除焊丝和坡口两侧20毫米范围内的油、锈和水分。焊件要随装随焊，如果沾有水分，要将焊接区域烘烤干燥后焊接。

③焊剂粒度要合适，细粉末和灰分要筛除，使焊剂有一定透气性，利于气体跑出。(2)钢材轧制或热冲压、卷板过程中，形成或脱落的氧化皮，以及定位焊渣壳，碳弧气刨飞渣等夹入焊剂，也会在焊缝中造成气孔。防止措施：

①卷板、弯曲等加工过程中脱落的氧化皮，在装配焊接前要清扫或用压缩空气吹除，防止夹入装配间隙或落入坡口中。

②焊接场地周围要清洁，防止氧化皮、渣壳、碳弧．气刨飞渣混入焊剂。回收复用的焊剂中，这些杂质的含量往往较多，所以要在多次回用的焊剂中掺进新焊剂o(3)焊剂层太薄、焊接电压过高或网路电压波动较大时，电弧可能穿出焊剂层，使熔池金属受外界空气污染而造成气孔；焊剂粒度太粗时，空气会透过焊剂层污染熔池；悬空焊装配间隙超过0．8毫米时，会造成焊缝中的深气孔。防止措施：

①焊剂层厚度要合适使与焊接规范相适应，焊剂粒度不能过粗，以保证焊接过程中不透出连续弧光o

②悬空焊，特别在焊件厚度20毫米以内的悬空焊时，装配间隙不要超过0．8―1毫米o(4)磁偏吹会造成气孔，最容易在用直流焊接薄板时发生，气孔多出现在收尾区域，越近焊缝末端气孔越严重。这种气孔在焊接较厚焊件时也可能遇到。产生气孔的原因是由于电弧发生偏吹的缘故。地线连接位置不当也会造成磁偏吹而产生气孔。防止措施：

①从接地线一端起焊，接地要可靠。焊件的装夹具最好用非导磁材料制造。

②收尾端预先焊较长、较厚的定位焊缝。

③焊丝向前倾斜布置。

④改用交流焊接。

(5)母材中有富硫层状偏析，或母材有分层缺陷会产生气孔。母材含硫量高、硫化物夹杂多时，焊接过程中会产生较多气体而形成气孔。防止措施：

①控制焊接规范，减小母材熔合比。例如用直流正接、小电流或粗焊丝焊接，用多道焊代替单道焊等o

②适当降低焊接速度，增加气体从熔池中逸出的时间。

③用含锰量高的焊丝焊接，使部分硫形成硫化锰排入熔渣。

④如果原来是不开坡口的对接焊，可以改成开V型坡口焊接，坡口角度比常用的坡口角度大一些o

⑤如果气孔是由于母材分层(轧制钢板时产生的一种缺陷)造成的，一般应除去分层部分后重新焊接。

对于层板容器，可先在层板坡口侧面，用手工焊或其他焊接方法焊接封闭焊缝，然后再装配、焊接埋弧焊缝。

组合片式无气孔轮胎模具研究篇5

关键词：组合片式,子午轮胎,轮胎模具

引言

橡胶轮胎是在轮胎模具内硫化而成的。轮胎模具由型腔和模壳两大部分组成。在轮胎硫化过程中,为了使模具型腔内的空气得以释放出来,需要在模具花纹圈上开设多个排气孔,如图1所示。这些气孔位于模具内胎顶面,贯通穿至模具外表面,在硫化机内高压作用下,未硫化的生胶会被挤压至模具胎顶腔外,橡胶被挤进钻设的排气孔内形成胶毛,如图2(a)所示。部分胶毛可能会断在模具排气孔内,妨碍型腔内空气的排出,大部分胶毛随着脱模而立于轮胎上,轮胎胎面上的胶毛对轮胎的使用性能如:抓地性、耐磨性、排水性、低噪性等产生不利影响,甚至在高速行车过程中,会影响到行车安全。因此,轮胎硫化后,需专门去除胶毛。胶毛去除后,在胎面留下明显的圆点,如图2(b)所示,对轮胎的使用性能及外观质量仍有影响,并造成了胶料的浪费,降低了生产效率。为了克服上述缺陷,出现了轮胎模具的无气孔技术[1]。美国Cooper轮胎与橡胶公司利用大量的相对较薄的环形板并排在一起安装在两个相对的半模或活络模外罩内,层板的一面或两面形成间隙[2]。法国米其林公司[3]采用将花纹块按花纹节距无规则拼接的办法,利用各节距之间的拼接间隙排气,拼接面总体上沿胎冠延伸到上下胎肩。美国固特异使用模具阻挡构件,阻挡构件插入到排气孔内[4]。国内有希成五金工具有限公司采用弹簧气套结构[5]。本文研究、设计的组合片式子午线轮胎模具,具有排气效果好、硫化轮胎质量高的特点。

1 组合片式无气孔轮胎模具结构特征

本文研究的组合片式轮胎模具花纹块包括多个上下叠装的花纹片,花纹片与花纹片之间具有周向排气缝隙、周向排气槽和径向排气槽,周向排气槽与周向排气缝隙和径向排气槽相通,如图3所示。花纹块具有连通各花纹片内周和花纹块端面的排气通道,排气通道包括设置于花纹块的轴向排气孔,其连通各花纹片且与花纹块端面相连通,径向排气槽与轴向排气孔连接。硫化轮胎时,在胶囊内压的作用下,模具与胎面之间的气体可以通过模具的排气缝隙进入花纹片与花纹片之间的周向排气槽,然后通过在周向排气槽内汇集后进入径向排气槽,再通过径向排气槽进入轴向排气孔,从而将气体排到模具外部。

1.排气缝隙;2.周向排气槽;3.径向排气槽;4.清洗孔;5.轴向端面排气孔

2 组合片式子午线轮胎模具排气性能试验

轮胎模具花纹圈上加工有轮胎花纹成型花筋,花筋与花筋之间形成封闭的储气区域。花纹越复杂的轮胎模具往往封闭储气区域的数量越多,且封闭储气区域是在花纹圈内侧周向排列,不同节距的相同封闭储气区域仅需一条排气缝隙。无气孔轮胎模具排气缝隙大小是无气孔轮胎模具的关键,缝隙宽度过小,排气不畅,缝隙宽度过大,就会跑胶,产生胶边。因此,根据花纹的布局、胶料的流动来合理确定排气缝隙的位置、数量和排气总面积是无气孔轮胎模具非常重要的。

本研究对排气缝隙深度设置5个区间,分别为:0.005～0.020mm;0.020～0.04mm;0.040～0.060mm;0.060～0.080mm;0.08～0.10mm。

分别制造具有以上排气缝隙深度的花纹圈,然后进行无气孔轮胎硫化试验,观察硫化轮胎外观质量。硫化条件为,硫化胶囊内温200℃;轮胎模具温度175℃;硫化胶囊内压设为:2.1MPa;硫化时间为20min。采用了三种不同胶液配方A、B、C。试验结果如表1。

由表1可见,当排气缝隙宽度为0.005～0.020mm时,三种配方的硫化轮胎表面无胶片,但配方A、配方B轮胎胎面出现缺胶现象,分析原因为:排气缝隙宽度太小,其排气性能低,型腔内的空气不能完全排除;当排气缝隙宽度为0.020～0.060mm时,三种配方的硫化轮胎表面无胶片,无缺胶现象,仅配方C的硫化轮胎表面出现较轻的花纹片拼接痕迹;当排气缝隙宽度为0.060～0.080mm时,配方A和配方B的硫化轮胎表面出现连续的、较重的花纹片拼接痕迹,配方C硫化轮胎表面出现较薄的胶片,胶片高度大约为2mm;当排气缝隙宽度为0.080～0.10mm时,三种配方的硫化轮胎表面均出现较厚胶片,胶片高度大约为5mm,跑胶现象严重。

可见,排气缝隙宽度为0.020～0.060mm时,大多数配方的胶料能保证良好的排气性能,硫化轮胎表面不会出现“缺胶”问题,同时胎面不出现胶片。

该参数下生产的轮胎见图4。由图可见,轮胎表面无胶毛、无胶边,也没有弹簧气套无气孔轮胎模具在轮胎表面留下的圆点痕迹,外观质量好。

3 结论

组合片式子无气孔午线轮胎模具硫化轮胎时,模具型腔内的气体通过排气缝隙进入花纹片之间的周向排气槽,然后经过周向排气槽汇集进入径向排气槽,再通过径向排气槽进入连通花纹块上下端面的轴向排气孔将气体排出。通过合理的结构设计参数设置,可以硫化出表面光滑、胎面无气孔且胎表面无溢胶、无层片拼接痕迹,外观质量高的橡胶轮胎。

参考文献

[1]中国化工报.2005.9.27.SX-03.

[2]Cooper Tire&Rubber Company.Annular venting of tire tread molds:US.20070009623 Al[P].2007-01-11.

[3]米其林研究和技术股份有限公司.轮胎模具:中国,CN1454767A[P].2003-11-12.

[4]固特异轮胎和橡胶公司.模具排气组件:中国.CN102909802A[P].2013-02-06.

铸铁件工作台气孔缺陷分析篇6

我公司目前生产的2.5米工作台及工作台底座, 连续出现了底部大平面大面积气孔现象, 造成了铸件的报废, 给工厂造成了一定的经济损失, 经过工厂技术部门的共同努力, 改进工艺方案、加强过程控制使之后生产的铸件避免了气孔缺陷保证了铸件的合格发出。在此对气孔的产生原因与工艺方案改进措施做以下介绍。

1 产品工艺方案、气孔状态及产生原因的分析

1.1 工艺方案介绍

2.5米工作台的铸造工艺示意简图如图1所示。铸件基本上都在下箱, 工作台面部位是浇注位置的下平面, 铸件内部型腔由砂芯组成, 砂芯全部采用座芯, 用专用铸铁顶子支撑, 砂芯的气体由侧面芯头排出;底平面铺满铁冷;浇注系统由Φ70直浇口2道, 85/95×100横浇口及4654×30内浇口6道组成, 为1:1.18:1.18具体位置如图1所示。

2.5米工作台及工作台底座均为树脂砂造型、制芯, 表面刷醇基树脂砂涂料。

浇注温度为1310~1330℃, 浇注时间为用的冷铁为HT200材质的铸铁冷铁, 且均多次重复使用。冷铁在使用几次后, 就会在其表层产生微小的裂纹, 从而夹入气体, 当铸件浇注时, 高温的金属液浇入后, 直接作用于冷铁表面, 使其内的气孔溢出侵入到金属液中, 当金属液凝固后就形成了气孔。

1.3.3 出气冒口过小, 型腔内气体无法全部

排除, 浇注时型腔内部受高温金属液作用, 砂型和砂芯内的树脂及固化剂发生反应, 产生大量气体。大量的带有一定压力的气体就要求有足够大的出气冒口而使其排出型腔。如果出气冒口尺寸小, 当型腔充满金属液时, 气体就会进入金属液中, 如不能逸出, 凝固后就形成气孔。

1.3.4 浇注温度偏低, 在内浇口附近出现大

量集中的气孔说明该处存在形成气孔的条件, 当金属液通过内浇口进入型内, 第一股铁水浇入时受到下平面冷铁的作用迅速冷却, 金属液温度较低, 气体的溶解度降低, 从而使侵入的气体不能溶解与上浮, 因此在此处容易形成大量的气孔。

2 改进措施

由以上分析得出的原因, 解决铸件产生的主要因素是保证砂芯出气畅通, 减少砂型和冷铁等带来的气体, 并使型腔内气体迅速排出铸型, 因此采取下列措施。

2.1 改变下平面冷铁。下平面铺设的冷铁

原为HT200铸铁冷铁, 现换成石墨冷铁, 从而 (上接154页) 的语法的掌握、宏观句法结构方避免了表面夹气的现象。

2.2 调整铸造工艺。砂芯从原来的座芯从

侧面芯头出气, 改为吊芯, 从上芯头出气, 加强芯子的定位牢固性和砂芯出气畅通, 不用芯撑也可减少带进铸型杂质与气体。调整后工艺见图2。

2.3 铸型顶部放置一定的出气冒口, 出气

冒口的大小, 应根据经验确定, 一般出气冒口截面积之和大于直浇道截面积之和;浇注时注意引气。

2.4 适当提高浇注温度, 保证进入型腔的

金属液有足够高的温度, 保证气体有足够的时间上浮, 排出型腔。浇注温度控制在1330~

1350℃。

结束语

通过上述改进措施, 我公司之后生产的

2.5 米工作台及工作台底座等产品均无气孔现象发生, 合格发出。

须要帮助学生打好语言基础, 培养学生的语言能

摘要：针对生产实际出现的工作台类铸件气孔缺陷进行了原因分析, 介绍了改进方案及其实施效果。

不锈钢焊条焊接气孔影响因素分析篇7

关键词：不锈钢焊条,焊接气孔,影响因素

现代工业中不锈钢材料的应用越来越广泛, 作为不锈钢焊接材料的主导产品手工电弧焊不锈钢焊条的研究也有重大进展。但无论是在焊条配方的研究过程中, 还是现在市场流通的不锈钢焊条, 其焊接气孔一直困扰着广大的焊接工作者, 成为提高焊接工艺性能、改善熔敷金属内在质量的重要制约因素。因此对气孔的影响研究, 提高抗气孔能力, 改善焊接工艺性能具有重大的现实意义。

1 不锈钢焊条焊接气孔的类型及成因

1.1 气孔的类型

在焊接中产生的气孔一般是氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔, 由于A102不锈钢焊条熔敷金属的含碳量都很低, 一般产生CO气孔的可能性极小, 在含氮类不锈钢中容易产生氮气孔, 而在常见的18-18型不锈钢中所产生的气孔一般均为氢气孔。

1.2 气孔形成的主要因素

1.2.1 焊条药皮的含水量

研究资料表明, 不锈钢焊条的气孔敏感性与药皮的含水量有极大的关系。药皮含水量与单根焊条平均焊接气孔数的关系:低水区 (药皮含水量<0.4%) 和高水区 (含水量>1.0%) 单根焊条平均气孔数很少, 中水区即气孔敏感区单根焊条平均气孔数急剧增加。

1.2.2 熔敷金属的硅含量

由于焊条焊接工艺性能的改善, 需要较大的增加药皮中的硅酸盐的比例, 这时将有利于以下反应的进行:

这些反应的进行使熔敷金属的硅含量增加。硅是金属表面活化元素, 有抑制熔池中氢逸出的行为, 从而提高焊接气孔的敏感性。

1.2.3 药皮配比中碳酸盐的含量

在不锈钢焊条的配方中, 为改善焊条的焊接熔滴过渡状态, 其碳酸盐的加入量比较低, 致使电弧气氛中的氧化势低, 氢化压高, 碳酸盐分解的CO2、CO量较少, 不利于下列反应进行:undefined

同时熔渣中的CaO、MgO、MnO浓度较低, 又助长了渗硅反应的进行, 使氢气孔的敏感性增加。

1.2.4 氟化物的含量

由于在改善不锈钢焊条焊接工艺时, 需要对氟化物进行控制, 因此限制了CaF2、MgF2、NaAIF4等类氟化物的焊接冶金去氢效果。

1.2.5 熔渣的碱度及物理性能

熔渣的碱度越低, 越易产生氢气孔, 同时, 熔渣的物理特性如界面张力、粘度、透气性等, 均对焊接气孔的形成起一定的作用。

2 提高抗气孔能力的有效途径

2.1 严格控制药皮的含水量

根据药皮含水量对焊接气孔的影响, 可控制低水系或高水系, 由于高水系的焊条在一定程度上受原材料稳定性的影响, 还存在敏感的弧坑气孔及内部气孔, 同时, 高水系焊接机械性能的稳定性较差, 因此选用低水系作为主要的研制方向。

2.2 合理加入氟化物

氟化物对冶金去氢是主要的, 但是在加入量较多时, 焊条的焊接工艺性能恶化, 电弧噪音增加, 飞溅增加, 因此在保证其冶金去氢能力的前提下, 应对其使用量加以控制, 同时, 采用复合氟化物可提高去氢能力。

2.3 适当增加碳酸盐的加入量及提高熔渣的碱度

在一定条件上, 碳酸盐的加入量及熔渣的碱度偏低, 焊条的抗气孔能力仍然受到影响, 同时, 焊条熔敷金属的内在质量的提高又受到较大的制约, 因此在满足焊条焊接工艺性能的前提下, 尽量增加碳酸盐的使用量, 并以此提高熔渣的碱度, 它是提高焊条抗气孔能力的重要措施之一。

2.4 控制焊芯的含硅量及限制熔敷金属的硅含量

由于硅对氢的逸出抑制作用较明显, 加上酸性熔渣的渗硅反应也较明显, 所以焊芯中的硅含量对气孔的敏感性有一定的作用, 加强熔渣的氧化性又能对渗硅反应起到抑制的作用。

2.5 采用高模数低浓度水玻璃作为焊条的粘结剂

由于水玻璃模数的不同, 其制造的炼烧温度也存在较大的差异, 模数越高, 炼烧温度越高, 其含水量越低。因而在同等条件下采用高模数低浓度水玻璃, 可提高焊条的抗气孔能力, 但是在模数提高的同时, 要充分考虑到水玻璃模数对药皮开裂的影响。

2.6 适当提高焊条的烘焙温度和延长烘焙时间

在合理设计焊条配方的前提下, 可适当提高焊条的烘焙温度, 延长高温的保温时间, 尽量降低焊条的含水量, 也是重要的工艺保证。

3 新焊条设计思路

综上所述, 新焊条可采用以下综合措施:通过对主要硅酸盐材料进行先期脱水, 控制药皮的含水量, 采取复合氟化物, 并引用氟化稀土强化冶金去氢效果, 适当增加碳酸盐加入量及提高熔渣的碱度, 适当加大焊条的药皮外径, 改善熔滴过渡状态, 强化焊条的熔渣保护效果, 严格执行相关的烘焙工艺。使焊条具有优良焊接工艺性能, 很强的抗气孔能力及优良的机械性能, 同时, 焊条的焊接电弧稳定性较好, 引弧和再行弧极容易, 脱渣优良, 焊缝成型美观、飞溅少, 发红、开裂现象很少。实现了不锈钢焊条焊接工艺性能的改进和抗气孔能力的全面提高。

参考文献

[1]王宝.焊接电弧物理与焊条工艺性设计.机械工业出版社.

[2]焊接冶金原理[M].北京:清华大学出版社.

铸钢件弥散分布皮下气孔的消除篇8

普通砂型铸造的铸件由于受型砂透气性、水分、集中率以及钢水质量、季节、环境等因素的影响, 容易产生性质不同、特征各异的气孔缺陷, 此类缺陷常以多种不同性质的气孔混合形式出现, 给分析和解决问题增加了难度。

图1所示为南车石家庄车辆有限公司 (以下简称石家庄公司) 生产的某铸钢件, 是欧洲货车底架的重要部件。该铸钢件材质与ZG230-450近似, 轮廓尺寸为825 mm×270 mm×230 mm, 壁厚在15～20 mm之间, 属于薄壁框形结构铸件。为稳定控制产品质量, 减少铸件尤其是弯角部位的裂纹倾向, 石家庄公司采取水平分型、两箱造型工艺, 浇注系统设在远离薄壁位置, 并在弯角等热节部位放置冒口, 工艺示意如图2所示。

在一段时期内, 该铸钢件出现弥散分布皮下气孔缺陷, 造成铸件大幅返工, 严重影响了产品质量。为此, 我们从工艺技术入手, 对气孔成因进行了深入研究, 用试验研究的方法逐一排查, 最终成功解决了此类问题。

2 缺陷分析

2.1 气孔的位置、特征及属性

气孔缺陷出现在铸件下箱 (见图2) , 位置不固定, 缺陷区域内存在单个和局部聚集的大孔径气孔缺陷 (ϕ3～5 mm) , 形状呈梨形, 细颈指向铸件表面, 其他缺陷尺寸较小 (ϕ2 mm以下) 并呈弥散分布, 气孔呈针形;除个别缺陷表面可见外, 其他缺陷均位于皮下2～4 mm范围内。经解剖, 铸件断面其他部位未发现缺陷, 孔壁光滑, 部分气孔表面呈氧化色, 还有部分气孔表面呈蓝色。根据气孔的上述特征, 初步判断该缺陷为侵入气孔和反应气孔的混合缺陷。

2.2 气孔成因分析

侵入气孔是外部气体源 (砂型、砂芯等) 发生的由于气体侵入型腔内的金属液中形成气泡而产生的气孔, 应为外部气体侵入压力在产生缺陷位置增大所致。压力增大有两种原因:一种是该位置外部气体总量增加;另一种是该位置透气性变差, 导致气体无法顺利排出, 进而使气体压力增大。

反应气孔可分为内生式反应气孔和外生式反应气孔两种。金属本身化学成分元素同溶解于金属液的化合物或化合物之间发生反应产生气体, 形成气泡而出现的气孔为内生式反应气孔。外生式反应气孔是金属液与砂型、砂芯、冷铁、渣滓或氧化膜等外部因素发生化学反应, 生成气泡而产生的气孔。

参照上述气孔的形成机理, 结合公司的实际情况, 认为气孔缺陷的形成原因主要有以下4个方面:

(1) 钢液质量。石家庄公司采用的是传统炼钢工艺, 钢中含氧量主要依靠还原期精炼进行控制。如果还原期脱氧质量欠佳可能导致气体含量和夹杂物偏多, 形成气孔。

(2) 钢包质量。按照规定, 钢包内应保持干净、无杂物, 使用时钢包应加盖烘烤至红色。如果钢包内残钢、残渣清除不彻底或烘烤不良, 残留的富氧物质和水分会在出钢时进入钢液, 浇注过程中造成铸件内局部氧含量富集, 或超过钢液中气体溶解度析出, 或在金属-铸型界面发生反应, 导致铸件形成析出气孔和反应气孔缺陷。

(3) 原砂质量。铸造用原砂按要求含泥量应小于1%, 40～70目之间原砂集中率应不低于75%, 如果集中率偏低或含泥量过高, 砂粒尺寸差别过大会造成型砂混碾过程中水玻璃无法均匀覆盖砂粒表面, 使得砂型表面局部水玻璃和水分富集, 透气性变差, 浇注时气体含量过大、无法及时排出型腔, 使得外部气体侵入压力增大形成侵入气孔。

(4) 操作质量。本公司采用面背砂工艺造型, 背砂全部采用回收旧砂混碾, 水玻璃量较大, 由于采用硬化后起模, 砂型表面硬度不易控制, 因此要求面砂厚度应在50 mm以上, 震实后应用风锤紧实。如果面砂厚度偏薄或砂型紧实度不足, 会导致钢水在凝固过程中, 背砂中水分扩散后透过面砂层与钢水反应形成气孔。

2.3 气孔成因排查

(1) 钢水质量检测

根据气泡的位置及特征, 基本能够排除钢水脱氧质量差、气体富集形成气孔缺陷的可能。为验证这一判断, 我们从存在气孔缺陷的铸件中, 挑选出缺陷严重铸件所在炉次的试棒, 送交有钢中含氧量检测能力的单位进行检测, 同时对相应炉次的炉渣中FeO的含量以及钢水中的残铝量 (酸溶铝) 进行检测, 结果如表1所示, 所有炉次的含氧量和渣中FeO含量均符合技术条件的要求, 证明钢水质量并非铸件出现气孔缺陷的原因。

(2) 钢包质量检查

通过采用不定期抽查和跟班监督两种形式对钢包修砌及烘烤质量进行了调查, 钢包修砌基本按工艺要求执行, 除个别炉次因设备故障造成钢包烘烤质量欠佳外, 钢包基本能够达到烤红烤透的要求。

(3) 原砂质量分析

从现存原砂中随机采集原砂样品10个, 进行比对试验 (见表2) , 比对结果显示:原砂含泥量检测结果基本一致, 但集中率差别明显, 再对筛砂机进行鉴定, 发现振幅偏小, 部分筛网有破损现象, 造成工作时无法对各筛号原砂准确计量, 致使化验结果出现误差, 无法满足检测要求。

(4) 操作质量检查

通过调阅相关产品的质量记录, 并对现场操作进行了跟踪检查, 发现现场操作过程中存在加入面砂量偏少的问题, 原因是公司为降低员工劳动强度, 新增了一台背砂上砂设备, 背砂采用机械上砂;面砂仍采用人工上砂、沟槽部位塞实的操作方式。操作者私自减少了面砂的加入量, 造成模具表面尤其是模具下箱凸出部位覆盖面砂厚度过薄。为验证面砂厚度对砂型表面硬度的影响, 我们对部分砂型进行软起模试验, 检测结果表明面砂厚度偏薄的部位砂型表面硬度很低, 远小于铸钢件表面硬度要求。

2.4 主要诱因判定

为确定气孔形成的主要原因, 在制定解决措施的同时, 进行了单一条件的工艺试验:

(1) 原砂质量试验

选取近似模具为模型进行试验, 公司剩余的不合格原砂按原生产工艺进行混碾, 面砂厚度严格按工艺要求执行, 利用每炉注余钢水进行浇注。试验产品检查后发现, 铸件表面及皮下均有大孔径气孔存在, 但未发现弥散分布针状皮下气孔, 缺陷呈局部富集分布, 与铸钢件中相似, 孔壁同样为氧化色。该气孔缺陷符合由于原砂粒度不均局部透气性差导致外部气体压力增加产生气孔的形成机理, 应为侵入性气孔。

(2) 面砂厚度试验

在选用合格原砂混碾的基础上, 针对下箱凸出部位覆盖的面砂厚度不同进行了试验, 分别选取了面砂厚度为40 mm、30 mm、20 mm的砂型进行浇注。检查结果显示, 3种条件下生产出的铸件均存在气孔缺陷, 缺陷的严重程度明显不同。40 mm面砂厚度条件下生产的铸件, 气孔出现在铸件表面, 孔径很小 (1 mm左右) , 深度约2 mm, 缺陷也呈弥散分布, 面积较小;30 mm面砂厚度条件下生产的铸件, 气孔出现在皮下, 孔径、深度及缺陷面积与铸件上出现的缺陷近似;20 mm面砂厚度条件下生产的铸件, 表面与皮下均存在气孔缺陷, 皮下气孔的孔径更大 (4 mm左右) 、深度可达10 mm, 缺陷面积也更大, 表面气孔直径5 mm左右, 缺陷均呈弥散分布。为确定缺陷类型, 我们对缺陷部位周围的含铝量进行了检测, 检测结果与外生式反应气孔的结论一致, 含铝量均接近于零, 确定该气孔缺陷为外生式反应气孔。

通过上述实验可以确定:原砂检测仪器不能满足工艺要求, 导致原砂化验结果失真, 原砂质量出现波动是形成侵入气孔缺陷的主要原因;造型过程中, 面砂加入量少, 厚度小是形成反应性气孔缺陷的主要原因。

3 气孔缺陷的消除及预防措施

(1) 更换筛砂机, 并将该设备列入维修人员巡检范围, 出现故障及时维修, 确保筛砂机状态良好。

(2) 对公司库存所有原砂进行复验, 不符合工艺要求的原砂严禁使用。

(3) 临时设立专职检查人员对原砂抽样、复验过程进行监控, 并增加对每车原砂的抽样复验频次, 杜绝供货商以次充好现象。

(4) 增加面砂上砂设备, 设定最低加砂量控制程序, 确保面砂用量符合要求。

(5) 检查人员对所有砂型的面砂厚度进行全检, 厚度不符合要求的砂型不得进入浇注工序, 技术人员进行抽检。

(6) 技术人员每周进行不少于一次的软起模试验, 对砂型表面硬度进行检测。

4 效果验证

气孔结构篇9

电子束焊接由于具有焊接功率密度高、焊缝深宽比较大 (10∶1~50∶1) 、热影响区及变形小、组织性能好、易于实现计算机控制等优点, 在工业领域有广泛应用。在实际应用过程中笔者发现, 车焊皮后的焊缝经常出现密集气孔, 给节奏紧的生产带来了很大的困扰。通过长期的生产跟踪, 结合缺陷产生的理论知识, 笔者对气孔的产生因素进行了分析, 并提出预防措施, 取得了良好的效果。

1 气孔产生机理

1.1 匙孔振荡模式

电子束焊接的工作原理是:高速电子束流轰击工件, 将电子束动能转化为晶格振动能, 使工件快速升温, 熔化并气化母材, 液态金属在金属蒸汽流的反冲作用力下形成凹陷的“匙孔” (图1) ;液态金属在多种驱动力的作用下流动, 最终形成焊缝。

Sehauer的匙孔振荡模型理论 (图2) 指出:平稳的小频率振荡是匙孔平衡系统固有的特征, 大频率的振荡是缺陷产生的原因所在[1,2]。

1.2 气孔产生机理

根据匙孔振荡模式的原理, 当匙孔出现波动后, 局部区域附近液态金属都向“突起”位置流动。当“突起”形成后, 随着焊接过程的进行会表现出两个特征。一是“突起”继续变大, 直至完全隔断入射的电子束, 导致气孔缺陷, 该过程中形成的气孔分布在焊缝中部, 而且体积较大[3]。

另外, 由于突起对电子束的吸收, 导致热量积聚, 突起部位金属强烈蒸发, 在强烈的金属蒸汽反冲压力作用下, 匙孔壁面恢复平滑状态, 如果局部蒸发剧烈, 导致作用在“突起”上的反冲压力过大, 可能导致局部的内陷, 形成凹面, 随着凹面的长大最终成为一个气体球, 在焊缝凝固过程中残留的气体球成为气孔缺陷, 此时气孔往往分布于焊缝两侧, 且体积较小。

2 气孔产生的现实因素

2.1 焊缝间隙

在跟踪分析气孔产生原因的过程中发现, 连续有3件产品出现大量焊缝气孔, 焊接记录显示它们的焊缝间隙普遍>0.20mm, 其中名称为SR001的焊缝间隙更是达到了0.30mm, 如表1所示。

对此, 笔者进行了两次模拟试验。试验样件焊缝间隙控制在0.02mm以内, 样件结构和尺寸同产品连接结构相同, 焊接参数和产品焊接参数相同。试验结果如表2所示。

试验样件焊接结果显示, 当焊缝间隙<0.02 mm时, 可有效控制气孔产生。

模拟试验后, 笔者加强了对焊缝间隙的控制, 将产品焊缝间隙都控制在0.1mm以下, 随后跟踪统计的65件产品显示均未出现密集气孔缺陷。

2.2 焊接面质量

焊接面质量指的是焊接面表面凹凸不平, 当电子束流打在焊接面表面凸起部分时, 凸起部分会瞬间气化, 形成金属蒸汽。凹坑由于没有金属, 无法形成金属蒸汽或者产生的蒸汽压力较小。这种蒸汽压力时大时小的振动会引起“匙孔”平衡剧烈振荡, 产生气孔。

在实际的生产过程中有两种焊接面: (1) 车削形成的具有一定粗糙度的机加工面; (2) 喷砂处理形成的毛面。为提高焊接面质量, 笔者提升了对表面粗糙镀的要求, 并取消了喷砂工艺, 在随后6个月的监控中未发现密集气孔。

3 结论

通过上述分析得出下列结论: (1) 焊接前应严格控制焊缝间隙, 焊缝间隙应<0.1 mm, 间隙越小越有利于抑制气孔出现。 (2) 不能用现行的喷砂工艺清理焊接面, 焊接面清理应避免产生大的凹凸, 保持焊接面平整。

当然, 引起匙孔剧烈振荡的因素还有很多, 例如设备发射电子束的稳定性、焊接材料均匀性、焊接面氧化物等都需要严格控制, 在此不再一一分析。