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鑄造技術(shù)分享：9方面講清楚鑄件晶粒粗大缺陷產(chǎn)生的原因及防止措施
發(fā)布時(shí)間：2021-06-09 02:15:00
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本文系統(tǒng)地分析和探討了鑄件晶粒粗大缺陷的產(chǎn)生原因，提出了相應(yīng)的防止方法，對(duì)鑄造工作者有一定的借鑒作用。
鑄件晶粒粗大是指經(jīng)過(guò)機(jī)械工或進(jìn)行斷口檢驗(yàn)時(shí)，顯示出晶粒組織過(guò)分粗大而不適合應(yīng)用的缺陷，這種晶粒粗大的組織，可能是遍布于鑄件整體，也可能發(fā)生于鑄件的局部。從本質(zhì)上講，晶粒粗大缺陷是一種冶金缺陷。筆者根據(jù)多年的生產(chǎn)實(shí)踐并參閱有關(guān)資料，談?wù)勮T件晶粒粗大缺陷產(chǎn)生的原因及防止措施。
1、鑄件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)
(1)鑄件截面差異過(guò)大，會(huì)因?yàn)檩^厚的截面冷卻緩慢而造成該處晶粒粗大；诣T鐵等對(duì)截面變化十分敏感的金屬，更容易產(chǎn)生此類缺陷。
防止產(chǎn)生這類缺陷的有效方法是避免鑄件截面尺寸過(guò)分懸殊，但這種途徑有時(shí)是鑄造工作者所無(wú)能為力的。因而就鑄造本身言，可通過(guò)采取設(shè)置冷鐵、控制澆注溫度或通過(guò)選擇合適的澆汁系統(tǒng)來(lái)減少這類問題的發(fā)生，降低這類缺陷的嚴(yán)重程度。采用冷鐵可加快鑄件較厚截面的冷卻速度；澆注溫度過(guò)高，會(huì)使這類問題更為嚴(yán)重，應(yīng)予以避免；通過(guò)調(diào)節(jié)、修正澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使溫度低的金屬熔液位于鑄件截面較厚的部位，并在鑄件的厚截面處設(shè)計(jì)最有效的冒口，以盡可能減小冒口的尺寸。
(2)對(duì)于帶孔鑄件，工藝設(shè)計(jì)人員有時(shí)沒有采用有助于減小有效截面尺寸的型芯，使未設(shè)芯的截面過(guò)厚而產(chǎn)生此缺陷，因此在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能在較厚的截面中設(shè)置砂芯。
(3)在某些情況下，鑄件截面并不太厚，但因某一較窄的凹陷部位或型芯在鑄件中形成熱匯截面，其結(jié)果和厚大截面一樣。例如．在鑄件較深部位的一個(gè)柱狀臍子處，可能需要設(shè)置型芯，而這樣就會(huì)造成冷卻緩慢。在不能設(shè)計(jì)進(jìn)行修改的情況下，除非可以降低金屬溫度，或重新沒置澆口，最好的解決辦法是在型芯或鑄型截面處設(shè)置冷鐵。
（4）工藝設(shè)計(jì)時(shí)加工余量留得過(guò)大，不僅增加了切削加工的費(fèi)用，還會(huì)把較致密的鑄件表層切削掉，并暴露出中心冷卻較慢的疏松部分。這種設(shè)計(jì)毫無(wú)可取之處，因?yàn)闊o(wú)論從鑄造還是從機(jī)械加工的角度來(lái)看都是不合理的，解決辦法是改變鑄件的設(shè)計(jì)。
如果不允許更改設(shè)計(jì)，那么正確的方法則是采用冷鐵、控制澆注溫度及調(diào)整澆注系統(tǒng)。
（5）在厚截面處型芯設(shè)計(jì)不合適，型芯支撐不正確，或采用其他引起偏芯的技術(shù)，會(huì)造成鑄件截面的變化，從而引起晶粒粗大。
2、澆冒口系統(tǒng)
(1)未能實(shí)現(xiàn)順序凝固 澆注系統(tǒng)未能很好地實(shí)現(xiàn)順序凝固，通常是造成晶粒粗大的原因。對(duì)于截面變化急劇的鑄件，必須允分注意內(nèi)澆口的數(shù)量和位置。為了進(jìn)行補(bǔ)縮，在冒口的作用區(qū)保持灼熱的熔融金屬，會(huì)使厚截面的冷卻速度降低到產(chǎn)生粗大晶粒的程度。冒口設(shè)計(jì)不當(dāng)，如冒口頸過(guò)長(zhǎng)，冒口墊設(shè)計(jì)不當(dāng)，或冒口尺寸太大，都會(huì)在較厚截面處造成過(guò)多熱量的匯集。
(2)易于造成熱匯的澆冒口分布 同樣，為了對(duì)厚截面進(jìn)行補(bǔ)縮，常會(huì)在局部區(qū)域造成過(guò)分的熱量匯集。例如，因?yàn)閭?cè)冒口會(huì)造成厚截面的過(guò)熱并減緩冷卻速度，所以有時(shí)不便于在實(shí)際操作中使用。實(shí)際生產(chǎn)中需通過(guò)合理的冒口設(shè)計(jì)，盡可能減小冒口的尺寸。
(3)在內(nèi)澆口或冒口與鑄件連接處造成局部熱節(jié) 內(nèi)澆口或冒口頸部較短，對(duì)于補(bǔ)縮是有利的，但卻會(huì)使橫澆道或冒口太靠近鑄件，減緩了該部位的冷卻速度。而增大冒口頸部，又會(huì)給補(bǔ)縮帶來(lái)問題。因此最好的措施是采取有效的冒口設(shè)計(jì)，盡可能減少冒口的尺寸，不使橫澆道和冒口過(guò)于接近易于形成粗大品粒的關(guān)鍵截面，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置橫澆道和冒口，以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮。
(4)內(nèi)澆口數(shù)量不足 內(nèi)澆口數(shù)量太少，不僅易于造成沖砂，同時(shí)還會(huì)造成局部熱節(jié)和粗大晶粒組織。這種現(xiàn)象普遍存在于所有的鑄造金屬中，即使是澆注溫度較低的鋁合金也會(huì)出現(xiàn)這種情況。在某些情況下，因?yàn)闈部跀?shù)量太少，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生縮松缺陷。這種縮松缺陷可能會(huì)掩蓋由于同樣原因造成的晶粒粗大的缺陷。實(shí)際上，當(dāng)晶粒粗大缺陷嚴(yán)重惡化時(shí)，就變成了一種縮松缺陷，因而對(duì)這兩種缺陷的防治措施，常常是相同的。
3、型砂只有當(dāng)型砂使型壁產(chǎn)生的位移足以導(dǎo)致增加臨界截面(易于形成粗大晶粒的截面)的截面尺寸時(shí)，型眇才是造成晶粒粗大缺陷的一個(gè)因素。由于在厚截面處的型壁移動(dòng)可能最大，所以這種缺陷還是有可能產(chǎn)生的，此時(shí)所產(chǎn)生的品粒粗大缺陷和脹砂有關(guān)。
4、制芯生產(chǎn)中應(yīng)避免采用未烘透或空氣硬化的油砂芯，因?yàn)檫@種型芯可能會(huì)產(chǎn)生放熱反應(yīng)，從而造成熱量過(guò)分匯集。這種情況或出現(xiàn)于大型鑄件，或出現(xiàn)于采用具有放熱性能粘接劑的厚大型芯。從某種意義來(lái)說(shuō)，這種型芯起著一種高效率的絕熱體的作用，并把金屬熔液的冷卻速度減緩到了危險(xiǎn)的程度。
5、造型
(1) 缺少能促使加快冷卻速度的通氣孔就較厚的鑄件截面來(lái)說(shuō)，鑄件的冷卻速度與通過(guò)型砂散出熱量的速度有關(guān)。排氣充分會(huì)有助于水氣迅速排出，從而產(chǎn)生一種致冷的效應(yīng)。
(2) 未設(shè)置激冷釘或冷鐵這種情況通常是因?yàn)榇中氖韬鏊隆?nbsp;
6、化學(xué)成分
從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，晶粒粗大和金屬的化學(xué)成分與冷卻速度的配合有關(guān)，因此選擇這種配合是非常重要的。如果冷卻速度難以調(diào)節(jié)，那么粗晶組織必定是起因于金屬的化學(xué)成分不當(dāng)。由于金屬成分的重要性，現(xiàn)將每一種金屬簡(jiǎn)述如下。
(1)
灰鑄鐵和可鍛鑄鐵
碳當(dāng)量過(guò)高，碳和硅效應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算，通常可以概括為：CE=C+1/3Si，晶粒粗大可能是因?yàn)樘歼^(guò)量或硅過(guò)量，或者碳硅過(guò)量所致。與硅相比，碳的效應(yīng)相當(dāng)其3倍，所以碳的做量變化，要比硅的同量變化危險(xiǎn)得多。碳、硅的這種作用，既影響到可鍛鑄鐵，也影響到灰鑄鐵。對(duì)可鍛鑄鐵而言，晶粒粗大既不呈現(xiàn)為黑色，也不呈現(xiàn)出表示初生石墨的麻口，而是以一般的晶粒粗大的形式呈現(xiàn)，這是由于含碳或含硅量過(guò)高，或者二者均過(guò)高。磷也會(huì)對(duì)晶粒粗大產(chǎn)生影響。當(dāng)wp=0.1％時(shí)，會(huì)加重縮孔缺陷，特別是在冷卻較緩慢的截面部位加重晶粒粗大缺陷的程度。
（2）
鑄鋼
在鑄鋼的熔化和脫氧操作中，加入了一些會(huì)延緩晶粒長(zhǎng)大的元素，因此和鍛鋼相比，鑄鋼不太容易形成品粒粗大。因成分而引起品粒粗大的鑄鋼件，可通過(guò)退火或正火處理得到細(xì)化。
(3)
鋁合金
鐵雜質(zhì)會(huì)使鑄鋁件品粒粗大，脆性增加，這類缺陷多數(shù)是由于熔化操作不當(dāng)所致。在鋁合金中，特別是那些要求過(guò)熱的鋁合金，加入適量的細(xì)化品粒合金元素是必要的。
(4)
銅合金
銅合金中晶粒粗大的缺陷常被針孔、氣孔或縮松所掩蓋。銅合金因成分變化會(huì)造成品粒粗大，但通？偸窍瘸霈F(xiàn)針孔、氣孔或縮松。
7、熔化
熔化操作小當(dāng)會(huì)對(duì)合余的品粒組織產(chǎn)生影響。對(duì)于不同的鑄造金屬，必須采取小同的熔化工藝。
（1）
沖天爐熔化灰鑄鐵
鼓風(fēng)量和焦炭不平衡，會(huì)造成過(guò)量增碳。例如，底焦高度過(guò)高和降低鼓風(fēng)量會(huì)造成過(guò)量增碳。當(dāng)爐襯熔蝕后，增碳會(huì)更加嚴(yán)重。因?yàn)闆_天爐直徑變大后，為了保持同樣的含碳量，需增加鼓風(fēng)量。在過(guò)高的溫度下熔化會(huì)增加碳量，如果采用熱風(fēng)熔煉，就會(huì)遇到這種情況。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鼓風(fēng)溫度每增加55℃，就會(huì)增加0.10％的碳(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。如果采用氧氣來(lái)提高溫度，并不一定會(huì)產(chǎn)生同樣的問題。出鐵液的間隔過(guò)長(zhǎng)，或鐵液停留在爐缸中的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)導(dǎo)致增碳。生產(chǎn)低碳鑄鐵一般都采用較淺的爐缸，并縮短出鐵液的間隔時(shí)間，盡量做到連續(xù)出鐵液。間斷熔化會(huì)造成過(guò)量增碳，導(dǎo)致產(chǎn)生粗晶組織。另外，因停風(fēng)而使熔化間斷，幾乎無(wú)一例外地導(dǎo)致碳和硅含量的波動(dòng)。停風(fēng)之后，通常需要15min，才能重新獲得原來(lái)規(guī)定的化學(xué)成分。
（2）
可鍛鑄鐵
爐料稱重或配料中產(chǎn)生的偏差會(huì)導(dǎo)致化學(xué)成分的變化；爐內(nèi)鼓風(fēng)量沒有保證，會(huì)影響化學(xué)成分的控制；熔化過(guò)熱或火焰中充煙，都會(huì)造成增碳。
(3)
黃銅和青銅
采用臟污的坩堝，以及在坩堝的底部和側(cè)壁處留有上一爐熔化時(shí)所殘余的凝殼或金屬薄層，都會(huì)造成對(duì)下一次熔化的污染，因此生產(chǎn)中應(yīng)避免使用來(lái)源不明的廢料，防止在金屬爐料內(nèi)摻入會(huì)產(chǎn)生氣體的原材料，如濕的、油污染的或其他臟污的材料。
(4)
鋁
因熔化溫度控制不當(dāng)而使鋁液過(guò)熱，是造成鋁合金晶粒粗大的常見原因。因此生產(chǎn)中應(yīng)將過(guò)熱的鋁液緩慢地冷卻下來(lái)，使其降到較低的澆注溫度。此外，在配料過(guò)程中粗心大意或者爐料污染，也會(huì)引起晶粒粗大缺陷。
8、澆注對(duì)所有金屬來(lái)說(shuō)，澆注溫度過(guò)高都容易造成晶粒粗大缺陷。
9、其它
(1)冷卻速度過(guò)慢 除了與設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)和金屬成分有關(guān)外，還與其他因素有關(guān)，如型砂緊密度偏低、當(dāng)需要采用而沒有采用冷鐵、澆注和落砂之間的時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，以及落砂后將灼熱的鑄件堆放在一起等。
(2)熱處理不當(dāng) 也是造成某些金屬品粒粗大的主要原因之一。
(3)機(jī)械加工不當(dāng) 不恰當(dāng)?shù)臋C(jī)械加工會(huì)使實(shí)際上致密的鑄件看上去像是具有晶粒粗大缺陷的樣子。所謂機(jī)械加工不當(dāng)，是指刀具磨得不合理、刀具過(guò)鈍、切削速度或進(jìn)刀控制有誤，以及粗加工方法不當(dāng)?shù)，這些都會(huì)造成帶有某種損傷的多孔外觀，這種外觀會(huì)使人們認(rèn)為鑄件存在晶粒粗大的缺陷。
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