几种主要铸造缺陷的成因与消除

几种主要铸造缺陷的成因与消除

2015-06-12 百铸联盟

    任何铸造缺陷都直接影响着企业的经济效益与社会效益。可惜的是，未有一个铸造厂是没有铸造缺陷的。现列出几种主要（常见）的铸造缺陷，如气孔，缩孔，夹渣及球化不良等来分析它们产生的原因并提出消除措施，与诸君共议。

一 气孔（Gas hole）

1、产生原因

金属液中的气体未彻底释放出来和铸型内的气体侵入进金属液中，从而滞留在凝固后的铸件之内（图1）。

（1）金属液中的气体来源 g 劣质炉料含泥沙、油垢、锈蚀及湿气等，熔炼中生成大量的O、H、N等气体和渣釉；炉温低；精练不够；浇注温度低，浇注时间长及浇注速度慢、浇包潮湿等。上述因素，都促使金属液表面过早形成氧化膜而凝固，气体虽然挣扎着向外逃逸但却无法实现。反映在铸件上则成为向上的“梨形”气泡，梨把朝内。气孔表面光滑。通常称这种气孔为“析出性气孔”（图2）。在薄壁件的表皮下或外观形成密集的小圆孔或针孔（图3）。

（2）型腔内气体来源

砂型水分≥4.5%，死灰＞12%，透气性差；水玻璃砂未干透（仅吹C O2是不够的）；树脂砂的树脂量＞1.8%，固化剂量也多；消失模厚大，比重大又未干透，涂料层＞2㎜且未干透；粗大砂芯樁的过实，未中空，气体未引出型外；合箱后等待浇注时间＞8h，或过夜等，使铸型和砂芯返潮。

（3）工艺设计不合理

直浇道粗大，金属液不能很快充满或断流而将气体卷入；内浇口喷射，金属液紊乱；冒口处低位，排气孔少；底注，温度场为上低下高，导致金属液迅速形成氧化膜而快速凝固。

上述（2）、（3）所产生的气体在排气不畅且型内压力大的情况下，气体被卷入或钻入未凝固的金属液内。通称这种气孔为“侵入性气孔”（图4）。气孔也似梨状而梨把朝外。

2 消除方法

消除金属液中可能产生气体的一切因素；提供气体从金属液内和铸型（砂芯）中容易逸出的机会或条件。应当着重指出的是，彻底排出金属液中的气体是第一位的！

具体做法：

选用优质、干净干燥的炉料，提高熔炼温度（灰铁1520℃，铸钢1650℃，不锈钢1680℃），充分精炼脱气与静置，高温且快速浇注，消失模浇注温度比砂铸高50℃，因为泡沫燃烧是一个吸热过程，充型前沿的金属液温降比随后之金属液的温降大得多。铸型与砂芯尽量减少有机物含量且彻底干透（包括白模）；正确的工艺设计：直浇道呈锥体状让金属液快速注满，上箱横浇道的高度大于底宽，内浇口多而分散、喇叭状，径向进入，惟有对侧冒口才允许切向进入（图5）。随形压边冒口（或浇口）的缝宽为6～12㎜，压边长为该处的60～70%。顶注及内浇口设在上部，这会冲破金属液上表面的氧化膜，延缓上表面的凝固的时间，从而把金属液内部的气体排出去；在铸型上箱多设排气通道把型内气体顺利引出型外，对于大型铸件尤为重要，这不仅仅是为了消除气孔，更是为安全生产所必需！浇注时及时引气，浇包预热＞500℃和孕育剂预热等也很重要。

三 缩孔、缩松（Shrinkage hole）

1 产生原因：热不平衡

缩孔的孔洞较长大，不规则，孔内呈树枝状，表面粗糙，颜色黑暗。缩松则是密集的小细孔或表面疏松。它们多位于铸件的热节处。

（1）在铸件结构形成的热节处最后凝固得不到补缩（图6）。铸型只设一个内浇口又在厚壁处形成人为热节，内浇口周围产生缩孔、缩松（图7）。底注，造成温度场的上下温差大。上面温度低先凝固，下面温度高后凝固。无论先凝固的还是后凝固的都得不到有效

补缩；
冷冒口位于热节上，尺寸偏小，球铁的冒口颈偏大（图8），都为缩孔提供了条件。

（2）浇注温度偏高，浇注时间过长，按顺序凝固时最后凝固的地方得不到补缩。

（3）球铁铸型的表面硬度＜90，砂箱刚度弱，球铁的共晶团数多，凝固膨胀力大，推动铸型向外移动。

（4）化学成分不当。碳当量低，即碳低硅低，硫磷含量又偏高形成低熔点的硫化物与磷化物，凝固后产生孔洞。孕育过度，大剂量或多次孕育，也会产生缩松；孕育衰退也然。

2 消除方法：热平衡 + 激冷

（1）促进几何热节处快速率先凝固：采用冷铁，包括在热节处敷锆英砂、铬铁矿砂及刷同质涂料（图9）；在消失模的厚大处插钉子（图10）。

（2）内浇口

设在薄壁处，例如衬板（图11）

提高薄壁处的温度，在弧形的使用面上放外冷铁，使整体的温度基本一致而同时凝固。如果件大壁厚均匀，则在内浇口处采取激冷措施。

（3）改变内浇口位置。

图12是山西某厂的箱体铸件，要求底面硬度HB180～220。原工艺为底注，硬度＜170，不合格率＞70%。后将内浇口提高到中间位置，则问题就解决了。须知，凡是硬度低的地方，就说明该处组织疏松，称为“准缩松”（图13），将该处由后凝固变为先凝固，其硬度值就提高了。

为了便于在薄壁处设内浇口，可以增加一个砂芯，让厚壁处先凝固（图14）。所有铸件的上表面都应多设出气孔，圆形直径＜6㎜；楔形与铸件接触处窄（≤6㎜）且长（≥40㎜）。否则，在出气孔根部就会产生缩孔。

（4）球铁的冒口要靠近热节又离开热节（图15），冒口颈要小。若冒口设在热节上，势必增大热节圆，若冷冒口，反而增加缩孔危险且工艺出品率低。

（5）厚大铸件采用热冒口加冷铁：外冷铁的三维尺寸是被冷却处尺寸的0.6～0.7倍；内冷铁的重量是被冷却部分重量的5%，焊成网状，铸件凝固时内冷铁被焊化掉（图16）。

（6）提高铸型的高温强度。强度越高，金属液的流动阻力越小，则缩孔越少。压箱铁一定压在铸型上，而不是压在箱把和箱邦上。

（7）提高碳当量（CE≥4.3%），共晶成分缩孔最小。适当合金化，减少S、P、AL等有害杂质元素。

（8）低温快浇是消除缩孔缩松的有力手段。

三 夹渣夹砂（Slag and Sand Inclusion）

1 产生原因：金属液内外不纯净

金属液表面有渣釉未除净，在铸件表面形成明显的黄色、绿色、白色和黑色的渣孔与砂孔，这属于一次夹渣与夹砂（图17）；如果在金属液内部产生二次氧化物等化合物，于铸件内成为若干微细纹或点状缺陷，这属于二次夹渣，它类似缩松但不是缩松。

（1）劣质炉料所致。

（2）金属液的性质与炉衬、包衬、铸型材料、砂芯材料及涂料的性质相反，于是发生化学反应形成化合物，这不仅造成夹渣，还往往造成严重的化学粘砂。

（3）直浇道粗大将气体卷入金属液；消失模方形直浇道涂料层破损将干砂带入型内。

（4）内浇口为倒喇叭状，金属液喷射入型，破坏了金属液的表面张力，内层金属液与空气中的O、H、N等形成各自微小的化合物滞留在铸件内，形成孤立的或多个细小纹状氧化物或点状缺陷（图18）。

（5）铸型强度低或耐火度低。

（6）人为因素：型腔内浮砂未清理干净及浇注时挡渣不好等。

2 消除方法：金属液内外纯净化及强化工艺措施。

（1）优质炉料，提高炉温，精练、静置及彻底除渣。

（2）炉衬、浇包、型砂及涂料的性质与金属液的性质相一致。

（3）浇注系统为半开放半封闭式，即直浇道要适当细小呈锥体，横浇道高大，利于杂物上浮，内浇口喇叭状使金属液快速平稳注入铸型。内浇口避开对铸件质量要求高的部分，不直接冲击砂芯或芯撑。进入铸型之金属液的流速小于“临界流速”（≤0.5M/S），旨在不破坏金属液的表面张力。高大铸件为阶梯式浇注系统（图19），但不底注，使各层浇注系统成为各自独立的连通器，实现由下而上地逐层凝固。

（4）铸型倾斜 + 溢流，把首流金属液排放出型外（图20）。倾斜对轮形及大型平板类铸件尤为可取。高处的冒口实为热冒口。

（5）对大型铸件需设外浇口桶，中小件则在直浇道上设陶瓷过滤片和内浇口上面放过滤网片（图21）。

（6）提高白模的表面质量，提高涂料层的强度且无破损，直浇道与外浇口杯接触严密。

（7）合箱前清理干净型腔内与浇道中的浮砂，合箱后盖严直浇道与冒口孔，浇注时有专人挡渣，或采用茶壶包等。严格地说，铸造生产的全过程是一场战斗，在这场战斗中，要分工明确，各伺其职，不走样地执行高标准的每一项要求，使每一道工序都确保“零失误”和“零废品”，从而争取这场战斗的完全胜利。

四 球化不良（Poor nodularity ）

石墨变化：片状→蠕虫状→球状→开花状→碎块状（图22）。在球状两边的状态都叫球化不良（过与不及）。这里的球化不良指的是“过球化或球化衰退与孕育衰退”。

1、产生的原因：技术标准低

（1）炉料不合格，回炉料多，化学成分与牌号要求不符，杂质与反球化元素多。

（2）球化剂选用不当，质量低或过期或氧化，粒度小或粉化，用量不当。

（3）孕育剂选用不当，质量差且品种单一；孕育方法不当，孕育量不足或过多。

（4）球化处理温度 ＜1420℃ 或 ＞1520℃。球化温度＞1510℃，则球化剂烧损严重而失效，有效石墨核心少石墨球少；C、Si烧损大，Si少则降低孕育效果，增加白口化，使碳化物增多。球化温度＜1420℃，则球化不充分，缩短了凝固时间，就缩短了石墨球生长的时间，从而减少了球状石墨的数量，增加了团絮状或团块状石墨，球化率及石墨球等级降低。最适宜的球化温度在1460℃上下。

（5）浇包结构不当，其有效高度小于包内径的1.3倍。

（6）球化处理后，等待或浇注时间＞10分钟，导致球化衰退和孕育衰退。

2、消除方法：防未病与治已病

A 防未病

所谓“防未病”就是采取高标准和正确的工艺方法，保证球化处理完好与防止衰退。

（1）选用优质专用的高纯生铁：高碳低硅、低硫低磷及干扰球化元素少。这里应该说明的是，对硫要辩证地对待：即S在球铁中的含量不可<0.01%，否则，不可能达到预期的球化效果。因为此时，球化剂中稀土元素没有有害杂质可清除，而它本身则成为有害元素起到反作用；灰铸铁中的硫更不可少，应在0.1%左右。它除了提高流动性外，还改善机械加工性能。

（2）控制回炉料的加入量 ＜30%，以防止“遗传性”。所谓“遗传性”，就是原始炉料在重熔过程中，炉料的某种结构、成分及物性方面的信息（或基因）被保存并传递给后来重新结晶的晶体。这种“遗传性”往往使新的晶体之物性变坏（这也与人类近亲结婚相似）。改善不良遗传性的途径就是更换炉料、多种炉料搭配使用，进行针对性处理，提高炉温让熔液过热等。

（3）选用优质正确的球化剂。根据具体情况选用轻稀土或重稀土球化剂，或两者搭配使用，原则是在优质生铁的前提下稀土含量低者为优。

（4）选用优质且多品种高效复合孕育剂。在具体操作中，多品种高效复合孕育剂的孕育效果优于单一品种孕育剂的孕育效果，多次孕育优于一次孕育，尤其注重瞬时孕育。

（5）采用预处理和盖包处理（图23）。预处理剂为SiBa、SiC、小苏打等，用量在0.3%±。预处理反应后生成高熔点化合物，其密度与金属液的密度相当，质点尺寸在3μm±，成核能力强抗衰退。

B 治已病

所谓“治已病”就是对已经球化不良的金属液采取挽救措施。

（1）用事先已预备好的浇包去接高温金属液，占包容量的1/2，将第一次已做过球化处理的浇包内之金属液倒入备用包内，同时补加球化剂和孕育剂。

（2）向第一个浇包内添加适量的球化剂和孕育剂，再去接炉内的高温金属液。这时，两个浇包可以去快速浇注，短时间内浇完。但须注意的是，第一次浇包里的金属液温度不得低于1380℃；第二次补加的球化剂与孕育剂的粒度在5㎜左右。

（3）观察三角试片和火苗来判断球化优劣，火苗以蜡烛似的为好。

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解决铸造缺陷问题，要有深厚的理论基础和丰富的实践经验，对不同的铸件应采取针对性的具体措施，因为影响铸造缺陷的因素多，现场情况复杂，故必须仔细辨别，全面分析，区别对待。……除上面叙述的情况外，还有裂纹、壁厚不均、粘砂、塌箱、缩沉、硬点、色变、增碳、石墨飘浮、浇不足，皱皮、断芯、飞翅等等缺陷，因篇幅所限，不再细述，感兴趣者另与切磋。