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)展與人們對產(chǎn)品需求種類的增多，鑄造的應(yīng)用越來越廣泛，無論是機床，汽車，發(fā)電機，乃至日益風(fēng)靡的智能門鎖，都用到了鑄造件。金屬的鑄造主要可分為兩類：砂型鑄造和特種鑄造。

金屬鑄造其實就是液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程，期間液態(tài)金屬要經(jīng)歷晶核形成，長大，完全結(jié)晶等一系列過程才能轉(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)晶過程都遵循著普遍規(guī)律，但在鑄件冷卻過程中條件的復(fù)雜性，給鑄態(tài)組織帶了許多特點。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]對于鑄件而言，鑄態(tài)組織會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。下面針對幾種常見的鑄件缺陷進行討論分析。

1 縮孔

1.1 產(chǎn)生原理

在金屬由液態(tài)在凝固時體積收縮，會產(chǎn)生孔洞，產(chǎn)生孔洞后如果沒有液體金屬繼續(xù)補充，此孔洞就會保留下來，稱作縮孔。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)金屬會自動補充過來，最后結(jié)晶的部分體積收縮后得不到補充，整個鑄件結(jié)晶時體積收縮都集中到這一部分，稱之為集中縮孔，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)在負的溫度梯度下結(jié)晶時，結(jié)晶方式為枝狀，稱之為枝晶，枝晶形成后相互穿插，晶枝之間的液態(tài)金屬被分隔，凝固收縮時得不到其他液態(tài)金屬的補充，整個結(jié)晶過程結(jié)束后，會形成許多分散的縮孔，也可稱之為縮松。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導(dǎo)致應(yīng)力集中，另一方面也會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，可通過壓力加工的方法使得此處的金屬焊合。

（2）改進鑄件結(jié)構(gòu)。有的零件設(shè)計時，沒有考慮到壁厚對結(jié)晶過程的影響，鑄件結(jié)構(gòu)壁厚不均勻，而壁厚較厚的地方凝固時間長，產(chǎn)生縮孔的幾率大。應(yīng)改進鑄件設(shè)計，令壁厚緩慢過渡。

（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

一般來說，金屬液體中會溶有一定量的氣體，常見的有氮氣、氫氣等，在金屬由液態(tài)凝固成固態(tài)的過程中，這些氣體的溶解度變小，形成氣泡后便會溢出，有的氣泡能夠在金屬凝固之前逃出去，有的會保留在鑄件內(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，有的也稱之為砂眼。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，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，對金屬進行除氣處理。（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多。（4）合理設(shè)計鑄造工藝，避免由于澆鑄過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，具體可分為外來夾雜物和內(nèi)生夾雜物。外來夾雜物主要是指在鑄造生產(chǎn)過程中混入的外界物質(zhì)，如型腔內(nèi)殘留物、澆鑄過程夾帶物等;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)部有異類夾雜，金屬包裹著夾雜物。在對此類鑄件進行壓力加工時，由于夾雜物與金屬本身的材料屬性差異，會導(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，會導(dǎo)致整個零件的破損。不再進行壓力加工的鑄件，其疲勞使用壽命則會受到影響。

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。

（3）澆鑄前清理干凈鑄型內(nèi)的殘留物。

4 結(jié)語

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

參考文獻：

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