铸造缺陷(3)

3、膨胀缺陷（1）定义：浇注金属时，砂型（芯）表面层受热而发生膨胀和强度的变化，因此而引起的铸件缺陷，统称为膨胀缺陷。（2）分类：湿砂型时，主要产生夹砂、结疤和鼠尾缺陷；有机物粘结剂的砂型或砂芯中产生的毛刺缺陷。（3）夹砂夹砂缺陷在类型上有两种：夹砂与结疤，如图8-4所示。型砂的膨胀与其矿物组成及紧实程度有关：1）硅砂的膨胀随温度的升高而不断增大，在573℃温度时，发生β-石英向α-石英的转变，线膨胀总量达1.375%，这种膨胀又称“低温膨胀”。2）型砂紧实度不太高时，砂粒间孔隙大，砂型受热砂粒“低温膨胀”时可以无阻地自由微观膨胀，砂型的宏观膨胀就小，犹如砂型能自行适应和吸收“低温膨胀”；如型砂的紧实度较大，砂型的受热膨胀受阻，会导致砂型宏观膨胀增大，出现膨胀缺陷的可能性增大。3）解释“膨胀缺陷”的“膨胀-应力理论”认为：膨胀缺陷经过三个阶段。即：a.砂型表面受热迅速膨胀，b.砂型表层脱离砂型本体而凸起，c.砂型表层（干砂层）破裂、金属侵入而造成夹砂。夹砂产生倾向=铸型表层膨胀力/高湿度弱砂带强度。高湿度弱砂带的热湿拉强度越低，产生夹砂的倾向越大。提高型砂热湿拉强度的作用对防止夹砂，效果好。（4）鼠尾鼠尾的形成过程如图8-7所示。它常出现在铸件的平面上，特别是铸件的下平面上。消除鼠尾的根本措施是：减少膨胀力，可在型砂中加入减少砂型膨胀量的附加物，最有效的是加入纤维物和木屑。1（5）毛刺由于砂型（芯）受热膨胀导致开裂成缝，金属液渗入缝中所形成的刺状金属突起物，称为毛刺。砂型（芯）的工作表面开裂缝呈网状时，所形成的网状金属毛刺称为脉纹。硅砂的受热膨胀，是产生毛刺与脉纹的根本原因。型砂组成不合理（如颗粒筛号比较集中）会增加砂型的宏观膨胀量；铸铁的碳、硅和磷含量高，金属液的流动性好，都会加剧铸件表面的毛刺量；砂型局部过热，冒口太接近砂芯头部位等都易使砂型（芯）开裂成缝而形成毛刺。为了防止毛刺，要求浇注时，芯砂或型砂有较高的热变形量。砂型热变形量过低时，可采用下列措施改进：1）控制细粉含量，使之低于8%~12%；2）加木屑1~2%；3）对水分和型（芯）砂混碾质量应严加控制；等等。4、充填缺陷金属液充填铸型型腔时，充填得不完整，或金属液机械冲击或冲刷而导致铸型损坏所产生的铸件缺陷，称为充填缺陷。充填缺陷可分为：金属液流动缺陷、金属液机械致损缺陷两类。（1）金属液流动缺陷流动缺陷是指：金属液充填铸型型腔不完整，造成的铸件缺陷。流动缺陷主要包括：冷隔、皱皮与皱纹、浇不到、飞翅等。1）冷隔：冷隔呈“裂纹”状缝隙，但缝隙带有圆角的棱边，如图9-5所示。产生冷隔的原因是：金属液流动能力弱、浇注速度过慢、型腔内空气未驱赶尽。消除措施包括：提高浇注温度、增加金属液的流动性、改进浇注系统和排气能力。2）皱皮与皱纹：铸件整个表面布满绵延不绝的皱纹，这种表面缺陷称为皱皮。如图9-8、图9-9c所示。合金中有易氧化的元素，如Mn、Si且含量较高时（象硅锰低合金钢ZG20、MnSi），极易形成皱纹，又称水平流痕。其形成过程为：a.在钢液的充型过程中，随着型腔内上升液面温度的降低液面形成氧化膜，液面继续上升使氧化膜粘附于型壁上，钢液面漫过氧化膜留下痕迹；b.当液面温度下降到凝固温度范围时，液面结壳，更严重地阻碍型腔内液面的上升运动，但型腔内液面克服阻力，突破液面壳之阻力漫过它继续上升，结果在“金属/铸型”界面上留下痕迹，即：皱纹。铸钢薄壁件表面上易出现的这种皱纹缺陷，其防止的根本措施为：提高钢液在型腔内的上升速度（不低于18mm/s）；采用还原性气氛保护上升的金属液面，使型腔中CO/CO2、H2/H2O的比值增大。3）浇不到：铸件不完整（如图9-10所示），有停止流动的流头残迹。浇不到缺陷形成的主要原因是：浇注温度不够、浇道过小，金属时排气孔数量不够。消除浇不到缺陷的措施有：提高浇注温度、加大浇道尺寸、改进排气系统。4）飞翅：垂直于铸件表面上的薄片状金属突出物，称之为飞翅，或称披缝。飞翅缺陷形成的主要原因是：上、下分型面或铸型芯座与砂芯芯头之间的装配间隙过大，浇注时造成液态金属钻入缝隙中。消除飞翅缺陷的措施有：控制上、下分型面或铸型芯座与砂芯芯头之间的装配间隙，对工艺缝隙进行填补等。（2）金属液机械致损缺陷金属液机械致损缺陷，是指液态金属对砂型型腔表面的冲击、冲刷，造成砂型被损坏而产生的铸件缺陷。金属液机械致损缺陷主要包括：冲砂、胀砂、抬箱、跑火、钻芯等。1）冲砂：是指充型金属液将砂型或砂芯表面砂粒或局部砂块冲刷掉。冲砂引起的缺陷，通常位于铸件的浇口附近。引起冲砂缺陷的首要原因是型砂的干强度太低、浇注时间过长。2）胀砂：是指铸件形状与图样不符，铸件外表面、内表面局部胀大的多肉缺陷，同时伴随缩孔、缩松、重量超差等缺陷。如图9-12所示。胀砂是砂型不能抵挡金属施加的压力，发生二次紧实而产生的缺陷。如铸铁件凝固时，共晶转变产生的共晶膨胀压力，在这种压力下，砂型被二次紧实发生型腔整体扩大。紧实度或硬度较大的铸型，如高压造型、干型、化学粘结剂砂等有较高的抗胀砂能力。3）抬箱：铸件在分型面处存在着极为严重的飞边，即有厚片状的、表面光滑的、周边不规则的金属凸出物，其厚度有时与铸件所增加的高度相等，这种缺陷称为抬箱。抬箱缺陷产生的原因是：砂型的压铁重量太轻；或上、下型夹紧不当，液态金属静压力过高等。4）跑火：又称型漏，“火”代表金属液，是指金属液充型超过分型面进入上砂型后，分型面处，由于种种原因有泄漏口使金属液决口流出型外。跑火缺陷的主要原因是：砂型浇注前泥封分型面不严、压铁太轻、落砂太早等。5）钻芯：型腔内金属液钻入砂芯内的通气道流入砂芯内部。钻芯缺陷的主要原因是：砂芯头与砂型芯座之间，或砂芯顶面与型壁之间的装配间隙太大、内浇道直冲砂芯，产生偏芯等。5、夹杂类缺陷（1）定义：在铸件内部或表面存在着化学成分、物理性能不同于基体金属的组成，这种组成物称为夹杂。由尺寸大小分类，可分为宏观夹杂物和微观夹杂物。由夹杂物不源分类，可分为内生夹杂物和外来杂物。由夹杂物成分分类，内生夹杂物主要是氧化物、硫化物、氢化物和低熔点渗出物，外来夹杂物主要是渣滓、型砂、芯砂、涂料等。（2）豆类夹杂物：铸件内部或表面有孔洞（气孔或缩孔），孔洞中有金属珠；或铸件表面有金属珠，这些金属珠类夹杂物，形似豆，统称为豆类夹杂缺陷。俗称“铁豆”。主要类型有：冷豆、内渗豆、外渗豆等。1）冷豆：铸件内部或表面有气孔，孔中有金属珠粒，豆与铸件本体不熔合但相连。如图10－1所示。其形成的原因主要是：浇注充型时，发生飞溅，形成金属液珠，液珠表面氧化，有氧化膜；再发生反应：Fe+C→Fe+CO，形成包围着液珠的气孔、液珠凝固后，成为气孔中的金属豆。铸铁铸钢中称为“铁豆”。冷豆形成过程是：先为豆、后有气孔。正确设计浇注系统、控制湿度过高、浇注时不发生飞溅等，可克服冷豆缺陷。2）内渗豆：铸件的内部孔洞类缺陷（气孔、缩孔）的孔壁上，有金属珠，即金属豆附壁而生。其目视特征与冷豆相似，主要差异是：内渗豆的化学成分与铸件本体的不一致，是一种低熔点的熔体成分。灰铸铁件最容易产生内渗豆缺陷。其形成的原因，同冷豆的形成相反。它是铸件内部，在凝固时期，先形成孔洞类缺陷（如气孔、缩孔等）；再在铸铁件凝固时，在共晶团晶间的含磷量高的低熔点共晶成分熔体，在铸铁内、外压力作用下，被挤入气孔或缩孔的孔洞中，渗在孔壁上，形成金属豆。即先有孔洞，后有金属豆。消除铸铁件凝固时形成内部自由表面的孔洞类缺陷――气孔、缩孔等，可以防止内渗豆缺陷。（3）夹杂缺陷：夹杂缺陷可分成：金属夹杂物、夹渣、砂眼、氧化膜夹杂等。1）金属夹杂物：主要是熔炼时中间合金未熔尽以小颗粒形式存在于合金熔液中；或炉前孕育或变质处理用的中间合金颗粒，未熔化浇注随着液流进入型腔而形成金属夹杂物。图10－7是灰铸铁件断口中的金属夹杂物。有色金属铸件中，常出现金属夹杂物缺陷。主要防止措施是：保证金属炉料的纯净度，防止混入外来金属。2）夹渣：是指铸件内部或表面有外来的非金属夹杂物，统称为“渣滓”。夹渣的目视特征是：形状极不规则的孔穴内，包容着渣滓。按形成时间的先后，有一次渣滓和二次渣滓两类：一次渣滓，是指合金冶炼或熔炼时的冶金熔渣（氧化渣、还原渣、酸性渣、碱性渣等）或熔剂所形成渣滓；或金属液同炉衬、包衬相互作用生产的渣滓；或金属液炉前处理（孕育或变质等）生成的渣滓。二次渣滓，是指金属液在浇包内挡住或除去一次渣滓后，进行浇注直至充型过程中，由于金属液的二次氧化或其它各种原因而形成的渣滓。图10－12为球铁曲轴在上型中的上表面产生的夹渣，这种夹渣声称为“黑渣”。黑渣由多种氧化物组成（MgO、FeO、Al2O3、SiO2稀土氧化物），是一种二次渣滓的夹渣缺陷，实际上是氧化膜的夹杂类缺陷。防止夹渣缺陷的措施为：i.金属液的过滤，净化金属液；ii.在熔炼工艺，控制金属炉料，尽少带入夹杂物。iii.合理设计浇注系统，具有挡渣功能，使金属液平稳充型。iv.提高浇注温度，良好地挡渣，可有效防止球铁黑渣。3）砂眼：铸件表面或内部包容着砂粒的孔穴，称之为砂眼。如图10－13所示。砂眼缺陷形成的主要原因是：金属液充填型腔的冲击力和紊流液流的冲刷作用，砂型的紧实度不足，砂粒间的孔隙大，金属液就易钻入；砂粒间结合力弱，钻入砂粒间的金属液就会把砂粒挤出来形成砂眼。4）氧化膜夹杂：铸件表面或内部有金属液充型时形成的氧化膜。易生成氧化膜的铝合金、纯铜、球铁（二次渣滓）。防止措施：浇注时，金属液应避免液流表面发生二次氧化；对于球铁，过高的残余镁量，会增大氧化膜夹杂形成的倾向。Thanks!