金工實(shí)訓(xùn)鑄造工藝常見缺陷及分析

王倩

摘 要：對(duì)于從事鑄造生產(chǎn)的人來說，鑄造缺陷是無法回避而又必須解決的最大課題。為了降低鑄造成本和擴(kuò)大鑄件的應(yīng)用范圍，消除鑄造缺陷是極其重要的一環(huán)，本文針對(duì)金工實(shí)訓(xùn)中的砂型鑄造方法存在的缺陷進(jìn)行淺顯分析及診斷。

關(guān)鍵詞：鑄造；砂型；缺陷；診斷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.014

0 引言

由于鑄造生產(chǎn)有許多優(yōu)點(diǎn)，所以在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但鑄件中鑄造缺陷一直以來是影響鑄件質(zhì)量，降低鑄件成品率的主要因素。漫長的鑄造歷史讓人們總結(jié)出很多鑄件缺陷的原因，這些經(jīng)驗(yàn)是不能通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算出來的，而是必須要通過不斷實(shí)踐，從而摸索總結(jié)出來的，這就是金工鑄造實(shí)訓(xùn)的意義所在。

1 密度性缺陷

一般來說，如果組織結(jié)構(gòu)中存在任何不連續(xù)的非金屬物質(zhì)，無論是硬的，軟的，脆的，氣體的還是汽相，都將在某種程度上損害材料的力學(xué)性能。單位體積中的缺陷的數(shù)量，即缺陷密度也很重要，有時(shí)其影響甚至?xí)^缺陷的密實(shí)性。因此在考察性能時(shí)，要同時(shí)考察缺陷尺寸和缺陷密度這兩個(gè)因素。

1.1 夾雜物類型于診斷

鋁合金中變準(zhǔn)的夾雜物是相互孤立的氧化鋁碎片，這些碎片又厚又大，不是新形成的氧化物，均是熔爐中的雜質(zhì)，夾雜物必須經(jīng)歷卷入過程才能進(jìn)入合金，同時(shí)它們表面將重新氧化。這種氧化鋁夾雜物非常硬，在加工過程中，經(jīng)常露出表面，在加工表面形成較長的撕裂區(qū)，同時(shí)也會(huì)損壞刀具。

1.2 氣孔類型和診斷

鑄件中有幾類常見氣孔，必須準(zhǔn)確區(qū)分以便選取合適的處理方式，以下是幾類主要的氣孔。

（1）溶液中析出氣孔。溶液中氣體必須積累且富集之后才能成為析出物。鑄件表面會(huì)有一層全好的凝固表皮，氣孔通常出現(xiàn)在表面以下1mm或2mm位置，金屬凝固時(shí)，氣孔可以緊隨著凝固前沿同步生長，從而形成隧道狀的缺陷，有時(shí)稱其為蠕蟲狀氣孔。水凝固定式可以觀察到相似情況，這些氣孔直徑可達(dá)1mm左后，長短不一，最長達(dá)到100mm，甚至更長。對(duì)于砂型鑄造，金屬液流經(jīng)澆道，充填鑄型過程中以及充型后的金屬液與鑄型的連續(xù)反應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致額外的氣體進(jìn)入金屬液。當(dāng)金屬液中的氣體含量超過氣孔可以形核，生長的臨界門檻值時(shí)便形成氣孔。

（2）卷入氣泡。當(dāng)液態(tài)金屬以湍流的形式充填鑄型時(shí)，必然會(huì)卷入空氣或鑄型內(nèi)的其他氣體。如果時(shí)間充足且不受阻礙，這些氣體將上浮并從金屬液體中逸出。然而，當(dāng)氣泡附著氧化物，或者氣泡運(yùn)動(dòng)過程中遇到氧化膜，都將導(dǎo)致氣泡被保留在鑄件中。這種氣泡在易形成膜的鋁合金等鑄件中極為常見，因?yàn)檩^小的氣泡沒有充足的浮力推動(dòng)鑄件的氧化膜和它自身的氧化膜，使其逸出到大氣中。因此較小的氣泡被保留在鑄件表面下，深度僅為雙層膜厚度，直徑一般在1～5mm之間，而較大的氣泡則有足夠的浮力沖開表面而逸出，這種缺陷在灰鐵鑄件中要少得多，因此灰鐵鑄件的表面是液體上浮的氣泡很容易逸出。

在重力澆注的鑄件中，氣泡通常集中在芯之的下側(cè)或鑄件的最高部位，后者是徑內(nèi)澆口引入的氣泡上浮所致?？梢姡瑲馀莸姆植挤浅２痪鶆蚯壹性趦?nèi)澆口上，而鑄件的其余部分則一般沒有缺陷。這些嚴(yán)重的缺陷在機(jī)械加工之后會(huì)暴露出來，這是澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理的結(jié)果。

2 平面缺陷

在實(shí)際生產(chǎn)操作中，鑄件的平面缺陷是不可避免的。

2.1 層狀疏松

層狀疏松是在寬凝固范圍合金中形成的一種疏松，它的形成條件介于集中的宏觀縮孔和分散的微觀疏松之間。宏觀縮孔表現(xiàn)為縮管或較大的中空縮孔，是一種致密性缺陷，彌散的微觀疏松是單個(gè)致密的缺陷。相對(duì)較小體積的疏松，中間條件下形成的缺陷更為嚴(yán)重，集中成一片或一層而形成大的缺陷。

2.2 撕裂和裂紋

鑄件冷卻過程的拉應(yīng)力導(dǎo)致形成撕裂和冷裂紋，這些缺陷一般存在于橫斷面和圓角處，對(duì)鑄件的使用性能有嚴(yán)重影響。這種缺陷可擴(kuò)展到整個(gè)鑄件的橫斷面，以致鑄件開裂，故在投入使用前就可判定是否存在這種缺陷。

表面裂紋可在高溫下形成和擴(kuò)展，但在鑄件冷卻過程中，在冷卻的最后階段鑄件表面壓力的正常演化又會(huì)使表面裂紋再次閉合，這樣的裂紋在壓力下閉合后很難再用普通的方法去檢測(cè)。因此，表面裂紋是很少能檢測(cè)到且又普遍存在的一種缺陷，安全性要求極高的部件對(duì)此比較關(guān)注。要檢測(cè)這種缺陷需要在實(shí)時(shí)X射線透視或者著色滲透測(cè)試過程中對(duì)鑄件預(yù)加應(yīng)力使裂紋張開。

值得注意的是，裂紋缺陷不是由雙層膜引起的，其本身就是雙層膜，這些卷入缺陷很容易擴(kuò)展到鑄件整個(gè)橫斷面。觀察到一個(gè)缺陷就預(yù)示著在周圍存在著更多不易觀察到的類似缺陷，所以無法通過焊接等手段來修復(fù)。

2.3 雙層膜

雙層膜是在表面湍流過程中固相表面折疊而形成的，其組成通常為氧化物、氮化物或碳。這種膜可能很小甚至可以忽略，但也可能很大，甚至占據(jù)整個(gè)橫截面。另外，其位置和取向呈現(xiàn)出隨機(jī)性，所以在高應(yīng)力區(qū)域，造成危害的原因歸結(jié)為這種缺陷在位置、取向、尺寸或所有這些因素的折疊，雙層膜這種不可預(yù)見性一直懸而未決。

如果雙層膜足夠大，并已突破表面，則通過常規(guī)的著色滲透方法就可以將其檢測(cè)出來。然而在易形成膜的合金中，鑄件表面氧化膜的存在經(jīng)常會(huì)阻止與任何一個(gè)開闊的表面相連接，所以著色滲透方法不可靠，可能僅僅是一個(gè)微小的點(diǎn)接觸。雙層膜缺陷也很難通過X射線圖像檢測(cè)，除非X射線的入射角正好在缺陷面內(nèi)或在其附近，膜中心區(qū)域充分張開能構(gòu)成疏松，或者封閉的膜足夠厚類似于夾雜。

只有通過控制金屬液的質(zhì)量和鑄件的澆注可以阻止膜缺陷進(jìn)入鑄型。一旦高質(zhì)量金屬液進(jìn)入鑄型，就必須采取措施，阻止型芯釋放氣體和消除澆道中表面湍流，只有通過仔細(xì)設(shè)計(jì)和監(jiān)控整個(gè)澆注過程才能真正克服雙層膜問題。

3 結(jié)語

加強(qiáng)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使學(xué)生獲得工程背景下制造技術(shù)感性和理性認(rèn)識(shí)，并具有初步的操作技能，為以后的專業(yè)學(xué)習(xí)和工作奠定必要的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1][英]約翰·坎貝爾，李殿中，李依依等譯.鑄造原理（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[2][日]日本鑄造工學(xué)會(huì)編，張俊善，尹大偉譯.鑄造缺陷及其對(duì)策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008（08）.

[3]譚英杰.金工實(shí)訓(xùn)教程[S].北京：國防工業(yè)出版社，2011（04）.