金工實訓鑄造工藝常見缺陷及分析

王倩

摘 要：對于從事鑄造生產的人來說，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大鑄件的應用范圍，消除鑄造缺陷是極其重要的一環，本文針對金工實訓中的砂型鑄造方法存在的缺陷進行淺顯分析及診斷。

關鍵詞：鑄造；砂型；缺陷；診斷

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

0 引言

由于鑄造生產有許多優點，所以在工業生產中得到了廣泛的應用，但鑄件中鑄造缺陷一直以來是影響鑄件質量，降低鑄件成品率的主要因素。漫長的鑄造歷史讓人們總結出很多鑄件缺陷的原因，這些經驗是不能通過數學公式計算出來的，而是必須要通過不斷實踐，從而摸索總結出來的，這就是金工鑄造實訓的意義所在。

1 密度性缺陷

一般來說，如果組織結構中存在任何不連續的非金屬物質，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性能。單位體積中的缺陷的數量，即缺陷密度也很重要，有時其影響甚至會超過缺陷的密實性。因此在考察性能時，要同時考察缺陷尺寸和缺陷密度這兩個因素。

1.1 夾雜物類型于診斷

鋁合金中變準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，夾雜物必須經歷卷入過程才能進入合金，同時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，經常露出表面，在加工表面形成較長的撕裂區，同時也會損壞刀具。

1.2 氣孔類型和診斷

鑄件中有幾類常見氣孔，必須準確區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。鑄件表面會有一層全好的凝固表皮，氣孔通常出現在表面以下1mm或2mm位置，金屬凝固時，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1mm左后，長短不一，最長達到100mm，甚至更長。對于砂型鑄造，金屬液流經澆道，充填鑄型過程中以及充型后的金屬液與鑄型的連續反應都會導致額外的氣體進入金屬液。當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便形成氣孔。

（2）卷入氣泡。當液態金屬以湍流的形式充填鑄型時，必然會卷入空氣或鑄型內的其他氣體。如果時間充足且不受阻礙，這些氣體將上浮并從金屬液體中逸出。然而，當氣泡附著氧化物，或者氣泡運動過程中遇到氧化膜，都將導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，因為較小的氣泡沒有充足的浮力推動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或鑄件的最高部位，后者是徑內澆口引入的氣泡上浮所致。可見，氣泡的分布非常不均勻且集中在內澆口上，而鑄件的其余部分則一般沒有缺陷。這些嚴重的缺陷在機械加工之后會暴露出來，這是澆注系統設計不合理的結果。

2 平面缺陷

在實際生產操作中，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致密的缺陷。相對較小體積的疏松，中間條件下形成的缺陷更為嚴重，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力導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，對鑄件的使用性能有嚴重影響。這種缺陷可擴展到整個鑄件的橫斷面，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。因此，表面裂紋是很少能檢測到且又普遍存在的一種缺陷，安全性要求極高的部件對此比較關注。要檢測這種缺陷需要在實時X射線透視或者著色滲透測試過程中對鑄件預加應力使裂紋張開。

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展到鑄件整個橫斷面。觀察到一個缺陷就預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。

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，甚至占據整個橫截面。另外，其位置和取向呈現出隨機性，所以在高應力區域，造成危害的原因歸結為這種缺陷在位置、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，則通過常規的著色滲透方法就可以將其檢測出來。然而在易形成膜的合金中，鑄件表面氧化膜的存在經常會阻止與任何一個開闊的表面相連接，所以著色滲透方法不可靠，可能僅僅是一個微小的點接觸。雙層膜缺陷也很難通過X射線圖像檢測，除非X射線的入射角正好在缺陷面內或在其附近，膜中心區域充分張開能構成疏松，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量和鑄件的澆注可以阻止膜缺陷進入鑄型。一旦高質量金屬液進入鑄型，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，只有通過仔細設計和監控整個澆注過程才能真正克服雙層膜問題。

3 結語

加強對學生動手能力和創新能力的培養，使學生獲得工程背景下制造技術感性和理性認識，并具有初步的操作技能，為以后的專業學習和工作奠定必要的基礎。

參考文獻：

[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：科學出版社，2011.

[2][日]日本鑄造工學會編，張俊善，尹大偉譯.鑄造缺陷及其對策[M].北京：機械工業出版社，2008（08）.

[3]譚英杰.金工實訓教程[S].北京：國防工業出版社，2011（04）.