金工实训铸造工艺常见缺陷及分析

王倩

摘 要：对于从事铸造生产的人来说，铸造缺陷是无法回避而又必须解决的最大课题。为了降低铸造成本和扩大铸件的应用范围，消除铸造缺陷是极其重要的一环，本文针对金工实训中的砂型铸造方法存在的缺陷进行浅显分析及诊断。

关键词：铸造；砂型；缺陷；诊断

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

0 引言

由于铸造生产有许多优点，所以在工业生产中得到了广泛的应用，但铸件中铸造缺陷一直以来是影响铸件质量，降低铸件成品率的主要因素。漫长的铸造历史让人们总结出很多铸件缺陷的原因，这些经验是不能通过数学公式计算出来的，而是必须要通过不断实践，从而摸索总结出来的，这就是金工铸造实训的意义所在。

1 密度性缺陷

一般来说，如果组织结构中存在任何不连续的非金属物质，无论是硬的，软的，脆的，气体的还是汽相，都将在某种程度上损害材料的力学性能。单位体积中的缺陷的数量，即缺陷密度也很重要，有时其影响甚至会超过缺陷的密实性。因此在考察性能时，要同时考察缺陷尺寸和缺陷密度这两个因素。

1.1 夹杂物类型于诊断

铝合金中变准的夹杂物是相互孤立的氧化铝碎片，这些碎片又厚又大，不是新形成的氧化物，均是熔炉中的杂质，夹杂物必须经历卷入过程才能进入合金，同时它们表面将重新氧化。这种氧化铝夹杂物非常硬，在加工过程中，经常露出表面，在加工表面形成较长的撕裂区，同时也会损坏刀具。

1.2 气孔类型和诊断

铸件中有几类常见气孔，必须准确区分以便选取合适的处理方式，以下是几类主要的气孔。

（1）溶液中析出气孔。溶液中气体必须积累且富集之后才能成为析出物。铸件表面会有一层全好的凝固表皮，气孔通常出现在表面以下1mm或2mm位置，金属凝固时，气孔可以紧随着凝固前沿同步生长，从而形成隧道状的缺陷，有时称其为蠕虫状气孔。水凝固定式可以观察到相似情况，这些气孔直径可达1mm左后，长短不一，最长达到100mm，甚至更长。对于砂型铸造，金属液流经浇道，充填铸型过程中以及充型后的金属液与铸型的连续反应都会导致额外的气体进入金属液。当金属液中的气体含量超过气孔可以形核，生长的临界门槛值时便形成气孔。

（2）卷入气泡。当液态金属以湍流的形式充填铸型时，必然会卷入空气或铸型内的其他气体。如果时间充足且不受阻碍，这些气体将上浮并从金属液体中逸出。然而，当气泡附着氧化物，或者气泡运动过程中遇到氧化膜，都将导致气泡被保留在铸件中。这种气泡在易形成膜的铝合金等铸件中极为常见，因为较小的气泡没有充足的浮力推动铸件的氧化膜和它自身的氧化膜，使其逸出到大气中。因此较小的气泡被保留在铸件表面下，深度仅为双层膜厚度，直径一般在1～5mm之间，而较大的气泡则有足够的浮力冲开表面而逸出，这种缺陷在灰铁铸件中要少得多，因此灰铁铸件的表面是液体上浮的气泡很容易逸出。

在重力浇注的铸件中，气泡通常集中在芯之的下侧或铸件的最高部位，后者是径内浇口引入的气泡上浮所致。可见，气泡的分布非常不均匀且集中在内浇口上，而铸件的其余部分则一般没有缺陷。这些严重的缺陷在机械加工之后会暴露出来，这是浇注系统设计不合理的结果。

2 平面缺陷

在实际生产操作中，铸件的平面缺陷是不可避免的。

2.1 层状疏松

层状疏松是在宽凝固范围合金中形成的一种疏松，它的形成条件介于集中的宏观缩孔和分散的微观疏松之间。宏观缩孔表现为缩管或较大的中空缩孔，是一种致密性缺陷，弥散的微观疏松是单个致密的缺陷。相对较小体积的疏松，中间条件下形成的缺陷更为严重，集中成一片或一层而形成大的缺陷。

2.2 撕裂和裂纹

铸件冷却过程的拉应力导致形成撕裂和冷裂纹，这些缺陷一般存在于横断面和圆角处，对铸件的使用性能有严重影响。这种缺陷可扩展到整个铸件的横断面，以致铸件开裂，故在投入使用前就可判定是否存在这种缺陷。

表面裂纹可在高温下形成和扩展，但在铸件冷却过程中，在冷却的最后阶段铸件表面压力的正常演化又会使表面裂纹再次闭合，这样的裂纹在压力下闭合后很难再用普通的方法去检测。因此，表面裂纹是很少能检测到且又普遍存在的一种缺陷，安全性要求极高的部件对此比较关注。要检测这种缺陷需要在实时X射线透视或者着色渗透测试过程中对铸件预加应力使裂纹张开。

值得注意的是，裂纹缺陷不是由双层膜引起的，其本身就是双层膜，这些卷入缺陷很容易扩展到铸件整个横断面。观察到一个缺陷就预示着在周围存在着更多不易观察到的类似缺陷，所以无法通过焊接等手段来修复。

2.3 双层膜

双层膜是在表面湍流过程中固相表面折叠而形成的，其组成通常为氧化物、氮化物或碳。这种膜可能很小甚至可以忽略，但也可能很大，甚至占据整个横截面。另外，其位置和取向呈现出随机性，所以在高应力区域，造成危害的原因归结为这种缺陷在位置、取向、尺寸或所有这些因素的折叠，双层膜这种不可预见性一直悬而未决。

如果双层膜足够大，并已突破表面，则通过常规的着色渗透方法就可以将其检测出来。然而在易形成膜的合金中，铸件表面氧化膜的存在经常会阻止与任何一个开阔的表面相连接，所以着色渗透方法不可靠，可能仅仅是一个微小的点接触。双层膜缺陷也很难通过X射线图像检测，除非X射线的入射角正好在缺陷面内或在其附近，膜中心区域充分张开能构成疏松，或者封闭的膜足够厚类似于夹杂。

只有通过控制金属液的质量和铸件的浇注可以阻止膜缺陷进入铸型。一旦高质量金属液进入铸型，就必须采取措施，阻止型芯释放气体和消除浇道中表面湍流，只有通过仔细设计和监控整个浇注过程才能真正克服双层膜问题。

3 结语

加强对学生动手能力和创新能力的培养，使学生获得工程背景下制造技术感性和理性认识，并具有初步的操作技能，为以后的专业学习和工作奠定必要的基础。

参考文献：

[1][英]约翰·坎贝尔，李殿中，李依依等译.铸造原理（第二版）[M].北京：科学出版社，2011.

[2][日]日本铸造工学会编，张俊善，尹大伟译.铸造缺陷及其对策[M].北京：机械工业出版社，2008（08）.

[3]谭英杰.金工实训教程[S].北京：国防工业出版社，2011（04）.