[科普中國]-鑄件缺陷

鑄件缺陷的種類很多，分析鑄件缺陷及成因，檢驗鑄件質量，修補鑄件的缺陷對于鑄件生產工藝優(yōu)化至關重要。

鑄件質量主要包括外觀質量、內在質量和使用質量。外觀質量指鑄件表面粗糙度、表面缺陷、尺寸偏差、形狀偏差、重量偏差；內在質量主要指鑄件的化學成分、物理性能、機械性能、金相組織以及存在于鑄件內部的孔洞、裂紋、夾雜、偏析等情況；使用質量指鑄件在不同條件下的工作耐久能力，包括耐磨、耐腐蝕、耐激冷激熱、疲勞、吸震等性能以及被切削性、可焊性等工藝性能。

鑄件質量對機械產品的性能有很大影響。例如，機床鑄件的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性，直接影響機床的精度保持壽命；各類泵的葉輪、殼體以及液壓件內腔的尺寸、型線的準確性和表面粗糙度，直接影響泵和液壓系統(tǒng)的工作效率，能量消耗和氣蝕的發(fā)展等；內燃機缸體、缸蓋、缸套、活塞環(huán)、排氣管等鑄件的強度和耐激冷激熱性，直接影響發(fā)動機的工作壽命。

影響鑄件質量的因素很多，第一是鑄件的設計工藝性。進行設計時，除了要根據(jù)工作條件和金屬材料性能來確定鑄件幾何形狀、尺寸大小外，還必須從鑄造合金和鑄造工藝特性的角度來考慮設計的合理性，即明顯的尺寸效應和凝固、收縮、應力等問題，以避免或減少鑄件的成分偏析、變形、開裂等缺陷的產生。第二要有合理的鑄造工藝。即根據(jù)鑄件結構、重量和尺寸大小，鑄造合金特性和生產條件，選擇合適的分型面和造型、造芯方法，合理設置鑄造筋、冷鐵、冒口和澆注系統(tǒng)等。以保證獲得優(yōu)質鑄件。第三是鑄造用原材料的質量。金屬爐料、耐火材料、燃料、熔劑、變質劑以及鑄造砂、型砂粘結劑、涂料等材料的質量不合標準，會使鑄件產生氣孔、針孔、夾渣、粘砂等缺陷，影響鑄件外觀質量和內部質量，嚴重時會使鑄件報廢。第四是工藝操作，要制定合理的工藝操作規(guī)程，提高工人的技術水平，使工藝規(guī)程得到正確實施。

鑄造生產中，要對鑄件的質量進行控制與檢驗。首先要制定從原材料、輔助材料到每種具體產品的控制和檢驗的工藝守則與技術條件。對每道工序都嚴格按工藝守則和技術條件進行控制和檢驗。最后對成品鑄件作質量檢驗。要配備合理的檢測方法和合適的檢測人員。一般對鑄件的外觀質量，可用比較樣塊來判斷鑄件表面粗糙度；表面的細微裂紋可用著色法、磁粉法檢查。對鑄件的內部質量，可用音頻、超聲、渦流、X射線和γ射線等方法來檢查和判斷。1

常見缺陷砂型鑄造鑄件缺陷有：冷隔、澆不足、氣孔、粘砂、夾砂、砂眼、脹砂等。

1）冷隔和澆不足

液態(tài)金屬充型能力不足，或充型條件較差，在型腔被填滿之前，金屬液便停止流動，將使鑄件產生澆不足或冷隔缺陷。澆不足時，會使鑄件不能獲得完整的形狀；冷隔時，鑄件雖可獲得完整的外形，但因存有未完全融合的接縫，鑄件的力學性能嚴重受損。防止?jié)膊蛔愫屠涓簦禾岣邼沧囟扰c澆注速度。

2）氣孔

氣體在金屬液結殼之前未及時逸出，在鑄件內生成的孔洞類缺陷。氣孔的內壁光滑，明亮或帶有輕微的氧化色。鑄件中產生氣孔后，將會減小其有效承載面積，且在氣孔周圍會引起應力集中而降低鑄件的抗沖擊性和抗疲勞性。氣孔還會降低鑄件的致密性，致使某些要求承受水壓試驗的鑄件報廢。另外，氣孔對鑄件的耐腐蝕性和耐熱性也有不良的影響。防止氣孔的產生：降低金屬液中的含氣量，增大砂型的透氣性，以及在型腔的最高處增設出氣冒口等。

3）粘砂

鑄件表面上粘附有一層難以清除的砂粒稱為粘砂。粘砂既影響鑄件外觀，又增加鑄件清理和切削加工的工作量，甚至會影響機器的壽命。例如鑄齒表面有粘砂時容易損壞，泵或發(fā)動機等機器零件中若有粘砂，則將影響燃料油、氣體、潤滑油和冷卻水等流體的流動，并會玷污和磨損整個機器。防止粘砂：在型砂中加入煤粉，以及在鑄型表面涂刷防粘砂涂料等。

4）夾砂

在鑄件表面形成的溝槽和疤痕缺陷，在用濕型鑄造厚大平板類鑄件時極易產生。

鑄件中產生夾砂的部位大多是與砂型上表面相接觸的地方，型腔上表面受金屬液輻射熱的作用，容易拱起和翹曲，當翹起的砂層受金屬液流不斷沖刷時可能斷裂破碎，留在原處或被帶入其它部位。鑄件的上表面越大，型砂體積膨脹越大，形成夾砂的傾向性也越大。

5）砂眼 在鑄件內部或表面充塞著型砂的孔洞類缺陷。

6）脹砂 澆注時在金屬液的壓力作用下，鑄型型壁移動，鑄件局部脹大形成的缺陷。 為了防止脹砂，應提高砂型強度、砂箱剛度、加大合箱時的壓箱力或緊固力，并適當降低澆注溫度，使金屬液的表面提早結殼，以降低金屬液對鑄型的壓力。1

質量檢測鑄件的檢測主要包括尺寸檢查、外觀和表面的目視檢查、化學成分分析和力學性能試驗，對于要求比較重要或鑄造工藝上容易產生問題的鑄件，還需要進行無損檢測工作，可用于球墨鑄鐵件質量檢測的無損檢測技術包括液體滲透檢測、磁粉檢測、渦流檢測、射線檢測、超聲檢測及振動檢測等。

一、鑄件表面及近表面缺陷的檢測

1）液體滲透檢測

液體滲透檢測用來檢查鑄件表面上的各種開口缺陷，如表面裂紋、表面針孔等肉眼難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。常用的滲透檢測是著色檢測，它是將具有高滲透能力的有色（一般為紅色）液體（滲透劑）浸濕或噴灑在鑄件表面上，滲透劑滲入到開口缺陷里面，快速擦去表面滲透液層，再將易干的顯示劑（也叫顯像劑）噴灑到鑄件表面上，待將殘留在開口缺陷中的滲透劑吸出來后，顯示劑就被染色，從而可以反映出缺陷的形狀、大小和分布情況。需要指出的是，滲透檢測的精確度隨被檢材料表面粗糙度增加而降低，即表面越光檢測效果越好，磨床磨光的表面檢測精確度最高，甚至可以檢測出晶間裂紋。除著色檢測外，熒光滲透檢測也是常用的液體滲透檢測方法，它需要配置紫外光燈進行照射觀察，檢測靈敏度比著色檢測高。

2）渦流檢測

渦流檢測適用于檢查表面以下一般不大于6～7MM深的缺陷。渦流檢測分放置式線圈法和穿過式線圈法2種。當試件被放在通有交變電流的線圈附近時，進入試件的交變磁場可在試件中感生出方向與激勵磁場相垂直的、呈渦流狀流動的電流（渦流），渦流會產生一與激勵磁場方向相反的磁場，使線圈中的原磁場有部分減少，從而引起線圈阻抗的變化。如果鑄件表面存在缺陷，則渦流的電特征會發(fā)生畸變，從而檢測出缺陷的存在，渦流檢測的主要缺點是不能直觀顯示探測出的缺陷大小和形狀，一般只能確定出缺陷所在表面位置和深度，另外它對工件表面上小的開口缺陷的檢出靈敏度不如滲透檢測。

3）磁粉檢測

磁粉檢測適合于檢測表面缺陷及表面以下數(shù)毫米深的缺陷，它需要直流（或交流）磁化設備和磁粉（或磁懸浮液）才能進行檢測操作。磁化設備用來在鑄件內外表面產生磁場，磁粉或磁懸浮液用來顯示缺陷。當在鑄件一定范圍內產生磁場時，磁化區(qū)域內的缺陷就會產生漏磁場，當撒上磁粉或懸浮液時，磁粉被吸住，這樣就可以顯示出缺陷來。這樣顯示出的缺陷基本上都是橫切磁力線的缺陷，對于平行于磁力線的長條型缺陷則顯示不出來，為此，操作時需要不斷改變磁化方向，以保證能夠檢查出未知方向的各個缺陷。

二、鑄件內部缺陷的檢測

對于內部缺陷，常用的無損檢測方法是射線檢測和超聲檢測。其中射線檢測效果最好，它能夠得到反映內部缺陷種類、形狀、大小和分布情況的直觀圖像，但對于大厚度的大型鑄件，超聲檢測是很有效的，可以比較精確地測出內部缺陷的位置、當量大小和分布情況。

1）射線檢測（微焦點XRAY）

射線檢測，一般用X射線或γ射線作為射線源，因此需要產生射線的設備和其他附屬設施，當工件置于射線場照射時，射線的輻射強度就會受到鑄件內部缺陷的影響。穿過鑄件射出的輻射強度隨著缺陷大小、性質的不同而有局部的變化，形成缺陷的射線圖像，通過射線膠片予以顯像記錄，或者通過熒光屏予以實時檢測觀察，或者通過輻射計數(shù)儀檢測。其中通過射線膠片顯像記錄的方法是最常用的方法，也就是通常所說的射線照相檢測，射線照相所反映出來的缺陷圖像是直觀的，缺陷形狀、大小、數(shù)量、平面位置和分布范圍都能呈現(xiàn)出來，只是缺陷深度一般不能反映出來，需要采取特殊措施和計算才能確定。國際鑄業(yè)網出現(xiàn)應用射線計算機層析照相方法，由于設備比較昂貴，使用成本高，無法普及，但這種新技術代表了高清晰度射線檢測技術未來發(fā)展的方向。此外，使用近似點源的微焦點X射線系統(tǒng)實際上也可消除較大焦點設備產生的模糊邊緣，使圖像輪廓清晰。使用數(shù)字圖像系統(tǒng)可提高圖像的信噪比，進一步提高圖像清晰度。

2）超聲檢測

超聲檢測也可用于檢查內部缺陷，它是利用具有高頻聲能的聲束在鑄件內部的傳播中，碰到內部表面或缺陷時產生反射而發(fā)現(xiàn)缺陷。反射聲能的大小是內表面或缺陷的指向性和性質以及這種反射體的聲阻抗的函數(shù)，因此可以應用各種缺陷或內表面反射的聲能來檢測缺陷的存在位置、壁厚或者表面下缺陷的深度。超聲檢測作為一種應用比較廣泛的無損檢測手段，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：檢測靈敏度高，可以探測細小的裂紋；具有大的穿透能力，可以探測厚截面鑄件。其主要局限性在于：對于輪廓尺寸復雜和指向性不好的斷開性缺陷的反射波形解釋困難；對于不合意的內部結構，例如晶粒大小、組織結構、多孔性、夾雜含量或細小的分散析出物等，同樣妨礙波形解釋；另外，檢測時需要參考標準試塊。2

鑄件質量檢驗結果鑄件質量檢驗結果通常分為三類：合格品、返修品、廢品。

1）合格品指外觀質量和內在質量都符合有關標準或交貨驗收技術條件的鑄件；

2）返修品指外觀質量和內在質量不完全符合標準和驗收條件，但允許返修，返修后能達到標準和鑄件交貨驗收技術條件要求的鑄件；

3）廢品指外觀質量和內在質量都不合格，不允許返修或返修后仍達不到標準和鑄造交貨驗收技術條件要求的鑄件。廢品又分為內廢和外廢兩種。內廢指在鑄造廠內或鑄造車間內發(fā)現(xiàn)的廢品鑄件；外廢指鑄件在交付后發(fā)現(xiàn)的廢品，其所造成的經濟損失遠比內廢大。2

鑄件缺陷修補解決鑄件縮松缺陷的方法，最根本的著眼點就是“熱平衡”。其方法是：

（1）在機床鑄件結構形成的厚處與熱節(jié)處，實行快速凝固，人為地造成機床鑄件各處溫度場的基本平衡。采用內外冷鐵，局部采用蓄熱量大的鋯英砂，鉻鐵礦砂或特種涂料。

（2）合理的工藝設計。內澆道設在機床鑄件相對溥壁處，數(shù)時多且分散。使最早進入厚壁處的金屬液率先凝固，薄壁處后凝固，使各處基本達到均衡凝固。對于壁厚均勻的機床鑄件，采用多個內澆道和出氣孔。內澆道多，分散與均布，使整體熱量均衡。出氣孔細且多，即排氣通暢又起散熱作用。

（3）改變內澆道的位置

（4）選用蓄熱量大的造型材料，這對用消失模生產抗磨產品極為重要！鉻鐵礦砂取代石英砂等蓄熱量小的其它砂種，會取得良好的效果，澆畢微震更優(yōu)！

（5）低溫快燒，開放式澆注系統(tǒng)。使金屬液快速，平穩(wěn)，均衡地充滿鑄型。這要因件制宜。

（6）球鐵的機床鑄型強度大，表面硬度≧90，砂箱剛性大，對消除縮松有利。

（7）需要冒口時，當首遷熱冒口，且離開熱節(jié)。若將冒口置于熱節(jié)上，必將加大冒口尺寸，形成“熱上加熱”。弄不好，非但縮松難除，還會產生集中性縮孔，又降低了工藝出品率。

（8）鑄型傾斜擺放與合金化，都獲益。消除機床鑄件縮松缺陷是一個復雜的認識與實施過程。應以“熱平衡”為基本原則，對雎體鑄件做科學分析，制訂合理的工藝方案，遷擇好適宜的造型材料，工裝及正確操作且標準化。那么任何機床鑄件的縮松缺陷都可以解決。

由于多種因素影響，常常會出現(xiàn)氣孔、針孔、夾渣、裂紋、凹坑等缺陷。常用的修補設備為氬弧焊機、電阻焊機、冷焊機等。對于質量與外觀要求不高的鑄件缺陷可以用氬弧焊機等發(fā)熱量大、速度快的焊機來修補。但在精密鑄件缺陷修補領域，由于氬焊熱影響大，修補時會造成鑄件變形、硬度降低、砂眼、局部退火、開裂、針孔、磨損、劃傷、咬邊、或者是結合力不夠及內應力損傷等二次缺陷。冷焊機正好克服了以上缺點，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在熱影響區(qū)域小，鑄件無需預熱，常溫冷焊修補，因而無變形、咬邊和殘余應力，不會產生局部退火，不改變鑄件的金屬組織狀態(tài)。因而冷焊機適用于精密鑄件的表面缺陷修補。冷焊的焊補范圍為Φ1.5-Φ1.2mm焊補點反復熔化堆積的過程，在大面積缺陷修補過程中，修復效率是制約其廣泛推廣應用的唯一因素。對于大缺陷，推薦傳統(tǒng)焊補工藝與鑄造缺陷修補機的復合應用?？捎袝r我們的缺陷沒有很多，就不必要投入較大的成本，我們用一些修補劑就可以修補好的，方便簡單，例如鐵質材料的，我們可以用（勁素成）JS902修補一下就可以了，用不完可以放到以后再用，這樣可以為我們的廠家節(jié)省成本啊，讓我們的鑄造廠家把更多的資金投入到提高產品本身質量上，讓使用者創(chuàng)造更多的財富。34

鑄件缺陷修補機概述鑄件缺陷修補機可對金屬工件出現(xiàn)磨損、劃傷、針孔、裂紋、缺損變形、硬度降低、沙眼、損傷等缺陷進行沉積、封孔、補平等修復功能。操作簡單、低熱輸入，堆焊的瞬間過程中無熱輸入，因而模具不變形、不退火、咬邊和殘余應力，不改變模具或產品金屬組織狀態(tài)。修復精度高，涂層厚度從幾微米到幾毫米，只須打磨、拋光。也可進行車、銑、刨、磨等各類機械加工，以及電鍍等后期加工。大功率氬氣保護，可長時間工作。適用基材：包括低碳鋼、中碳鋼、模具鋼、不銹鋼、工具鋼,鑄鐵、鑄鋼、鑄鋁、鋁合金、銅合金、鎳合金、碳鎢合金等，以及所有可以導電的導電體。

鑄件缺陷修補機的原理是利用充電電容，以10－3～10–1秒的周期，10－6～10–5秒的超短時間放電。電極材料與模具接觸部位會被加熱到8000～25000°C，等離子化狀態(tài)的熔融金屬以冶金的方式過渡到工件的表層。由于與母材之間產生了合金化作用，向工件內部擴散，熔滲，得到了高強度的結合。鑄件缺陷修補機實現(xiàn)冷焊（熱輸入低）的原因是放電時間與下一次放電間隔時間相比極短，機器有足夠的相對停止時間，熱量會通過模具基本體擴散到外界，因此模具的被加工部位不會有熱量的聚集。雖然模具的升溫幾乎停留在室溫，可是由于瞬時熔化的原因，電極尖端的溫度可以達到25000°C左右。鑄件缺陷修補機雖然熱輸入低，但仍有極強的結合力，這是因為焊條瞬間產生金屬熔滴，過渡到與母材金屬的接觸部位，同時由于等離子電弧的高溫作用，表層深處開成像生了根一樣的強固的擴散層。呈現(xiàn)出高結合性，不會脫落。

本詞條內容貢獻者為:

胡啟洲 - 副教授 - 南京理工大學