金屬鑄造件組織缺陷分析

朱巍峰 馮楠 陳正華 張斯宇

摘 要：介紹了常見(jiàn)的鑄造缺陷，分析了這幾種鑄造缺陷的成因以及危害，并從結(jié)晶的微觀角度分析了縮孔產(chǎn)生的成因。提出了部分消除鑄造缺陷的應(yīng)用措施。

關(guān)鍵詞：金屬鑄造;缺陷

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與人們對(duì)產(chǎn)品需求種類(lèi)的增多，鑄造的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，無(wú)論是機(jī)床，汽車(chē)，發(fā)電機(jī)，乃至日益風(fēng)靡的智能門(mén)鎖，都用到了鑄造件。金屬的鑄造主要可分為兩類(lèi)：砂型鑄造和特種鑄造。

金屬鑄造其實(shí)就是液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程，期間液態(tài)金屬要經(jīng)歷晶核形成，長(zhǎng)大，完全結(jié)晶等一系列過(guò)程才能轉(zhuǎn)化成固態(tài)金屬。液態(tài)金屬鑄型中凝固得到鑄件，雖然此結(jié)晶過(guò)程都遵循著普遍規(guī)律，但在鑄件冷卻過(guò)程中條件的復(fù)雜性，給鑄態(tài)組織帶了許多特點(diǎn)。鑄態(tài)組織包括晶粒的大小、形狀和取向，合金元素和雜質(zhì)的分布以及鑄件中的缺陷（縮孔、氣孔、夾雜）等。[1]對(duì)于鑄件而言，鑄態(tài)組織會(huì)直接影響到鑄件的力學(xué)性能和使用壽命。因此，分析鑄件組織缺陷就顯得尤為重要。下面針對(duì)幾種常見(jiàn)的鑄件缺陷進(jìn)行討論分析。

1 縮孔

1.1 產(chǎn)生原理

在金屬由液態(tài)在凝固時(shí)體積收縮，會(huì)產(chǎn)生孔洞，產(chǎn)生孔洞后如果沒(méi)有液體金屬繼續(xù)補(bǔ)充，此孔洞就會(huì)保留下來(lái)，稱(chēng)作縮孔。縮孔可分為集中縮孔和分散縮孔。

當(dāng)液態(tài)金屬注入鑄型后，有一部分液態(tài)金屬先結(jié)晶，此部分的體積收縮后，未結(jié)晶的液態(tài)金屬會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充過(guò)來(lái)，最后結(jié)晶的部分體積收縮后得不到補(bǔ)充，整個(gè)鑄件結(jié)晶時(shí)體積收縮都集中到這一部分，稱(chēng)之為集中縮孔，集中縮孔有可能發(fā)生在鑄件內(nèi)部，也有可能形成在鑄件表面。

由于大部分的金屬都屬于粗糙界面物質(zhì)，而粗糙界面物質(zhì)在負(fù)的溫度梯度下結(jié)晶時(shí)，結(jié)晶方式為枝狀，稱(chēng)之為枝晶，枝晶形成后相互穿插，晶枝之間的液態(tài)金屬被分隔，凝固收縮時(shí)得不到其他液態(tài)金屬的補(bǔ)充，整個(gè)結(jié)晶過(guò)程結(jié)束后，會(huì)形成許多分散的縮孔，也可稱(chēng)之為縮松。如圖1所示。

縮孔作為鑄件的一種缺陷，是裂紋源的高發(fā)位置，縮孔位置處如果受力則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，另一方面也會(huì)使得零件有效承載面積變小，從而導(dǎo)致鑄件的承載能力降低。

1.2 改善措施

（1）壓力加工。如果縮孔產(chǎn)生在零件內(nèi)部，或者對(duì)于分散縮孔而言，一般此處氣孔表面的金屬還未被氧化，可通過(guò)壓力加工的方法使得此處的金屬焊合。

（2）改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)。有的零件設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有考慮到壁厚對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響，鑄件結(jié)構(gòu)壁厚不均勻，而壁厚較厚的地方凝固時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生縮孔的幾率大。應(yīng)改進(jìn)鑄件設(shè)計(jì)，令壁厚緩慢過(guò)渡。

（3）增加鑄件冒口。增設(shè)冒口，使得縮孔集中在冒口處。鑄造完成后，再將此處冒口切除掉。

2 氣孔

2.1 產(chǎn)生原理

一般來(lái)說(shuō)，金屬液體中會(huì)溶有一定量的氣體，常見(jiàn)的有氮?dú)狻錃獾龋诮饘儆梢簯B(tài)凝固成固態(tài)的過(guò)程中，這些氣體的溶解度變小，形成氣泡后便會(huì)溢出，有的氣泡能夠在金屬凝固之前逃出去，有的會(huì)保留在鑄件內(nèi)部或者堆積在鑄件表面，形成氣孔缺陷。如圖2所示。

堆積在表面的氣泡，一般肉眼可見(jiàn)，有的也稱(chēng)之為砂眼。內(nèi)部氣孔若出現(xiàn)在靠近鑄件表層處，則可能引起鼓包等現(xiàn)象，若出現(xiàn)在離中心層較近的地方，則很難被發(fā)現(xiàn)，此處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，是裂紋源的高發(fā)區(qū)，但這樣的氣孔還未被氧化，在壓力加工時(shí)，一般都可被焊合。

2.2 改善措施

（1）減少液體金屬與氣體的接觸面積，對(duì)金屬進(jìn)行除氣處理。（2）使用的添加劑要保持干燥，防止帶入水汽。（3）脫模劑的使用不宜過(guò)多。（4）合理設(shè)計(jì)鑄造工藝，避免由于澆鑄過(guò)程中卷入更多的氣體。

消除氣孔的總的原則是要將金屬液中氣體排出，使得氣體能夠順利排出。

3 夾雜

夾雜物缺陷主要是指跟目標(biāo)金屬成分不一致的物質(zhì)夾雜，具體可分為外來(lái)夾雜物和內(nèi)生夾雜物。外來(lái)夾雜物主要是指在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中混入的外界物質(zhì)，如型腔內(nèi)殘留物、澆鑄過(guò)程夾帶物等;內(nèi)生夾雜物是指材料自身產(chǎn)生的，如金屬與氧氣反應(yīng)生成的金屬氧化物，與其他氣體反應(yīng)產(chǎn)生的金屬化合物等。夾雜物缺陷相當(dāng)于是在金屬內(nèi)部有異類(lèi)夾雜，金屬包裹著夾雜物。在對(duì)此類(lèi)鑄件進(jìn)行壓力加工時(shí)，由于夾雜物與金屬本身的材料屬性差異，會(huì)導(dǎo)致在夾雜物處的材料變形不均勻，易產(chǎn)生裂紋，裂紋累積到一定程度后，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)零件的破損。不再進(jìn)行壓力加工的鑄件，其疲勞使用壽命則會(huì)受到影響。

改善措施有：

（1）除氧，防止金屬液體氧化。

（2）合理設(shè)置澆口形狀，使得產(chǎn)生的澆渣能夠順利漂浮上來(lái)。

（3）澆鑄前清理干凈鑄型內(nèi)的殘留物。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)的發(fā)展，鑄造廣泛的被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，科學(xué)工作者對(duì)于鑄造缺陷的研究也越來(lái)越多，鑄造工藝的種類(lèi)也日益豐富。只有了解缺陷的形成原因，才能有針對(duì)性的采取措施消除缺陷，提高鑄件的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.