铸件常见缺陷分析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：其中对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。

4.1.3.1　铸件的凝固和收缩

1. 铸件的凝固

在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。其中对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。根据凝固区的宽窄不同，铸件的凝固方式可分为逐层凝固、糊状凝固和中间凝固三种类型。

2. 铸件的收缩

合金从浇注到凝固直至冷却到常温过程中发生的体积和尺寸减小的现象称为收缩。铸造合金通常经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段。收缩是铸件产生缩孔、缩松、残余应力和变形等缺陷的主要原因。影响铸件收缩的因素有化学成分、浇注温度、铸型条件和铸件结构等。

4.1.3.2　缩孔和缩松的形成及防止

铸件由于补缩不良而产生的孔洞称为缩孔。容积大而集中的孔洞称为集中缩孔，也简称为缩孔；细小而分散的孔洞称为分散性缩孔，又称为缩松。此类缺陷的形状不规则，内表面不光滑，可以看到树枝状结晶。

1. 缩孔的形成

图4-3为缩孔形成过程示意图。液态合金充满铸型型腔，如图4-3（a）所示。由于铸型吸热使液态合金温度下降，靠近型腔表面的金属凝固形成一层外壳，如图4-3（b）所示。温度进一步降低，凝固层加厚，内部的剩余液体由于液态补缩和补充凝固层的收缩体积缩减，液面下降，铸件内出现了空隙，如图4-3（c）所示；温度继续下降，外壳继续加厚，液面不断下降，到合金全部凝固后，则在铸件上部形成容积较大的缩孔，如图4-3（d）所示；冷却到室温时，随着铸件的固态收缩，铸件外形尺寸稍有缩小，如图4-3（e）所示。

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缩孔和缩松的形成

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图4-3　缩孔形成过程示意图

纯金属和共晶成分的合金易形成缩孔。缩孔集中在铸件上部或最后凝固部位，通常隐藏在铸件内部，有时缩孔也产生在铸件的上表面，呈明显凹坑。缩孔的特征是形状不规则，多数近于倒圆锥形，内表面粗糙。

2. 缩松的形成

缩松也是由于金属液态收缩和凝固收缩而未能补缩所致，实质上是将集中缩孔分散为许多细小缩孔。对于相同的收缩容积，缩松的分布面积比缩孔大得多。

3. 缩孔和缩松的控制

（1）合理选择铸造合金

纯铁和共晶成分的铸铁由于在恒温下结晶，铸件易形成缩孔，而不易形缩松。如果浇冒口设置合理，可以将缩孔转移到冒口中，从而获得致密铸件。结晶温度范围窄的合金与此类似。结晶温度范围宽的合金容易形成缩松，铸件致密性差。因此，铸造生产中应尽量选择共晶成分附近的合金和结晶温度范围窄的合金。

（2）控制铸件的凝固顺序

防止缩孔的根本措施是使铸件实现“顺序凝固”。所谓顺序凝固，是在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口（为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分）等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位最先凝固（见图4-4中的Ⅰ区），接着是靠近冒口的部位凝固（见图4-4中的Ⅱ区、Ⅲ区），冒口本身最后凝固。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩由后凝固部位的液态金属来补充，后凝固部位的收缩由冒口中的液态金属来补充，从而将缩孔转移到冒口之中。切除冒口便可得到无缩孔的致密铸件。

为了实现顺序凝固，在安放冒口的同时，应在铸件上某些厚大部位增设冷铁，如图4-5所示，加快底部凸台的冷却速度，从而实现了自下而上的顺序凝固。

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图4-4　顺序凝固

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图4-5　安放冷铁

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合理设置冒口和放置冷铁

定向凝固原则适用于结晶温度范围宽、凝固收缩大、壁厚差别大以及对致密度、强度等性能要求较高的合金铸件，如铸钢件、高强度灰铸铁件、可锻铸铁件等。

采用定向凝固可以有效地防止缩孔的发生，但缺点是铸件各部分的温差大，会引起较大的热应力。此外，由于要设冒口，增大了金属的消耗量以及切除冒口的工作量。

（3）控制浇注条件

合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔；浇注速度过快，过早地停止浇注，也易形成缩孔。虽然提高合金浇注温度和速度对提高合金的充型能力有利，但对防止缩孔是不利的。因此，应在满足充型能力的前提下，尽量降低浇注温度和浇注速度，尤其是在浇注终止前尽量采用慢的浇注速度，是防止产生缩孔的有效措施之一。

4.1.3.3　铸造应力、变形及裂纹

1. 铸造应力

铸件在凝固之后的继续冷却过程中，若固态收缩受到阻碍，将会在铸件内部产生应力。这些应力有的是在冷却过程中暂存的；有的则一直保留到室温，称为残余应力。铸造应力有热应力和机械应力两类，它们是铸件产生变形和裂纹的基本原因。

（1）热应力

热应力是由铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，在同一时期铸件各部分收缩不一致引起的。

要分析热应力的形成，就必须了解金属自高温冷却到室温时的应力状态变化。固态金属在弹-塑临界温度以上的较高温度时处于塑性状态，在应力作用下会产生塑性变形，变形后，应力可自行消除。而在弹-塑临界温度以下，金属呈弹性状态，在应力作用下发生弹性变形，变形后，应力仍然存在。

下面用如图4-6（a）所示的框形铸件来分析热应力的形成。该铸件中的杆Ⅰ较粗，杆Ⅱ较细。当铸件处于高温阶段时，两杆均处于塑性状态，尽管两杆的冷却速度不同，收缩不一致，但瞬时的应力均可通过塑性变形而自行消失。冷却开始时，由于杆Ⅱ冷却快，收缩大于杆Ⅰ，所以杆Ⅱ受拉，杆Ⅰ受压，如图4-6（b）所示，形成了暂时内应力，但这个内应力随着粗杆Ⅰ的微量塑性变形（压短）而消失，如图4-6（c）所示。当进一步冷却到更低温度时，已被压短的杆Ⅰ也处于弹性状态，此时，尽管两杆长度相同，但所处的温度不同。杆Ⅰ的温度较高，还会进行较大的收缩；杆Ⅱ的温度较低，收缩已趋停止。因此，杆Ⅰ的收缩必然受到杆Ⅱ的强烈阻碍，于是，杆Ⅱ受压，杆Ⅰ受拉，直到室温，形成了残余内应力，如图4-6（d）所示。

从上述分析来看，产生热应力规律是铸件冷却较慢的厚壁或心部存在拉伸应力，冷却较快的薄壁或表层存在压缩应力。合金固态收缩率越大，铸件壁厚差别越大，产生的热应力越大。

防止热应力产生的基本途径是尽量减少铸件各部分的温度差，使其均匀地冷却。为此，要求设计铸件的壁厚尽量均匀一致，避免金属的聚集，并在铸造工艺上采用同时凝固原则。

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图4-6　热应力的形成过程（＋表示拉应力；－表示压应力）

（2）机械应力

金属冷却到弹性状态后，因收缩受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等的机械阻碍而形成的内应力，称为机械应力。形成应力的原因一旦消失（如铸件落砂或去除浇冒口后），机械应力也就随之消失，所以机械应力是临时应力，如图4-7所示。为了防止铸件产生机械应力，应提高铸型或者型芯的退让性，从而减少对铸件收缩的阻力。

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图4-7　机械应力

2. 铸件的变形与防止

在热应力的作用下，铸件薄的部分受压力，厚的部分受拉力，但是铸件总是试图通过自由地变形来松弛内应力，铸件常由于内应力而发生不同程度的变形。

图4-8所示为厚薄位置不同的两种T形杆件，厚的部分受拉力，薄的部分受压力，结果两种T形杆件产生不同方向的变形。

图4-9所示为平板铸件，其中心部分比边缘散热慢，受拉力，而铸型上面又比下面冷却快，于是平板发生如图4-9所示方向的变形。

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图4-8　铸件厚薄部位不同对变形的影响

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图4-9　平板铸件的变形

为防止铸件变形，应尽可能使所设计的铸件壁厚均匀和截面形状对称。在铸造工艺上应采用同时凝固。有时，对长而易变形的铸件，可采用反变形法，将模型制成与铸件变形相反的形状，用以抵消铸件产生的变形。

尽管铸件冷却时会发生一定的变形，但残余应力难以彻底去除。经机械加工后，残余应力将重新分布，加工面还会逐步发生变形，使零件丧失应有的精度。因此，对不允许变形的重要铸件，必须采用去应力退火，将残余应力去除。常用的去应力退火方法有人工时效和自然时效两种。人工时效是将铸件进行低温退火，它比自然时效节省时间，应用更广泛。

3. 铸件的裂纹与防止

当铸件内的铸造应力超过金属材料的强度极限时就会产生裂纹。裂纹是严重的铸件缺陷，按形成温度不同可分为热裂和冷裂。

（1）热　裂

凝固后期，高温下的金属强度很低，如果金属较大的线收缩受到铸型或型芯的阻碍，机械应力超过该温度下的强度极限，就会产生热裂。热裂的形状特征是尺寸较短、缝隙较宽、形状曲折，缝内呈现严重的氧化色。

热裂的防止措施包括以下几个方面：

① 设计合理的铸件结构。

② 改善铸型和型芯的退让性。

③ 减少铸造合金中有害杂质，以提高其高温强度。

（2）冷　裂

铸件凝固后在较低温度下形成的裂纹称为冷裂。其形状特征是表面光滑，具有金属光泽或微氧化色，裂口常穿过晶粒延伸到整个断面，常呈圆滑曲线或直线状。脆性大、塑性差的合金，如白口铸铁、高碳钢及某些合金钢，最易产生冷裂，大型复杂铸铁件也易产生冷裂。冷裂往往出现在铸件受拉应力的部位，特别是应力集中的部位。

冷裂的防止措施是减小铸造内应力和降低合金的脆性。

4.1.3.4　合金的偏析和吸气