铸件缺陷分析与防止方法

1.表面缺陷分析及防止方法

产生于铸件表面的缺陷，有的能直接看见，有的在切削加工后才能发现。对于浅表面缺陷，通过切削加工可以消除，不会使铸件报废；切削加工后仍存在于铸件加工表面并影响使用的缺陷，有可能导致铸件报废。表面缺陷给切削加工增加了难度。

（1）粘砂缺陷 铸件表面或内腔黏附着一层难以清除的砂粒称为粘砂缺陷。粘砂一般不至于使铸件报废，但会影响铸件的外观质量，给机械加工带来困难。粘砂分为机械粘砂和化学粘砂两大类。机械粘砂是在铸件的部分或整个表面上黏附着一层砂粒和金属的机械混合物。清铲机械粘砂层时能看到金属光泽。化学粘砂是在铸件的部分或整个表面上牢固地黏附着一层由金属氧化物、砂子和黏结剂相互作用而生成的低熔点化合物，硬度很高，只能用砂轮磨去。

1）产生粘砂的原因。粘砂是金属液与型壁表层之间产生的热物理作用或热化学反应的综合结果。凡是加剧热物理作用或热化学反应的各种因素都会造成铸件的部分表面或整个表面产生不同程度的粘砂。

①铸件的厚壁或大热节处易产生粘砂。在铸件厚壁部位和热节部位，小圆角、锐角、凹槽、小孔等部位，由于金属液冷却散热条件恶化，热作用的时间过长，易形成铸件粘砂。冒口尺寸太大或高度太高，增大了金属液压力，使金属液向型壁砂粒之间的孔隙渗透，易产生机械粘砂。冒口周围型壁被严重加热，烧结型壁表面砂层，使冒口周围的铸件表面易产生严重的化学粘砂。

②砂型（芯）质量引起铸件粘砂。型砂偏细、型砂灰分过高、黏结剂用量过多、型砂材料耐火度偏低等因素都会导致金属液严重烧结型壁，使铸件产生化学粘砂。混砂不均匀或型砂中水含量太高，湿型湿度过大，或干型烘干不透或浇注前返潮，使金属液严重氧化或水蒸气爆炸而产生粘砂。面砂层太薄或不均匀，使型壁耐火度和化学热稳定性较差，将产生局部化学粘砂。砂型或砂芯紧实度不够使砂粒间空隙增大，型砂粒度太粗或不刷涂料使砂粒间空隙偏大，都会导致铸件机械粘砂。

③金属液质量差或浇注温度太高导致铸件粘砂。金属液中存在着大量的氧化物或气体，熔炼温度太高或炉渣熔点太低，形成熔渣与金属液难以分离而同时注入铸型，形成粘砂。金属液浇注温度太高，加重了型壁热负荷，会使铸件产生严重粘砂。

2）粘砂缺陷的防止方法

①在不影响铸件使用性能的前提下，铸件壁厚要均匀，适当加大圆角半径，尽量减小热节圆直径；在不过多增大热节的情况下，可考虑不铸出小孔和凹槽；缩减冒口尺寸以及冒口数量，采用冷铁减少热节。

②根据铸件厚度和金属液浇注温度正确选择原砂粒度，面砂和黏结剂的耐火度要适当高一些；在不影响铸型强度的情况下，减少黏结剂加入量，采用发气量和膨胀量小一些的黏结剂；减小面砂中旧砂的加入量，对旧砂进行清洗处理，去除旧砂中的烧结物和水分；涂料应涂刷性强、附着力大，保证涂层耐火度高和热化学稳定性好；制备型（芯）砂时要掌握好水分含量，混匀型砂；在造型操作中掌握好砂型紧实度，修型过程中尽量减少刷水量，干型浇注的铸型在修型后要进行再烘干处理，认真检查砂型烘干质量；浇注前严重返潮的铸型，必须进行再烘干，然后再浇注。

③提高金属液质量，降低金属液中气体含量，对钢液进行脱氧处理；控制好金属液熔炼温度，炉温不宜过高，金属液出炉后要尽量除渣，浇注时挡好渣；在不影响金属液除渣和流动性的条件下，适当降低浇注温度；在不影响铸件凝固和产生冷隔的情况下，适当降低浇注速度。

（2）鼠尾、沟槽和夹砂结疤缺陷

1）缺陷特征

①鼠尾缺陷。铸件表面出现的较浅（≤5mm）的带有锐角的凹痕称为鼠尾缺陷。在凹痕内常夹有型砂，由浇口附近延伸出来，有时有分枝或交叉，通常出现在铸件的下表面。

②沟槽缺陷。铸件表面产生的较深（＞5mm）的边缘光滑的V形凹痕称为沟槽缺陷。该缺陷通常有分枝现象，多发生在铸件的上、下表面。

③夹砂结疤缺陷。夹砂结疤又称为夹砂。它是在铸件表面产生的疤片状金属凸起物。其表面粗糙，边缘锐利，有一小部分金属和铸件本体相连，疤片状凸起物与铸件之间有砂层。

鼠尾、沟槽、夹砂结疤三种缺陷都是由于型腔受高温金属液作用，型腔表层型砂受热膨胀、变形引起的，并且因变形程度不同而有不同的表现形式，如图7-14所示。

2）产生原因。当表层型砂受热膨胀向外翘起时，铸件表面形成尖锐沟槽状缺陷，一般形成鼠尾。

表层型砂只是拱起，但砂层未断开，使铸件表面形成较光滑的凹槽，即为沟槽；表层型砂向外拱起并开裂翘起，金属液进入开裂的缝隙，使铸件形成典型的夹砂；开裂翘起的表层型砂被金属液冲走，在铸件上形成砂眼。

型腔表层型砂为什么会拱起和翘裂呢？这是因为型腔表层型砂受到金属液的热力作用，使砂子的主要成分石英产生了较大的膨胀，特别是在573℃时，石英有晶格转变（同素异构转变），膨胀更大和更急剧，同时因为型砂的导热性差，内层和表层温差较大，当外层突然急剧膨胀时，内层膨胀却很小，因而使砂型内外层之间产生较大的应力，当应力大于砂型的强度时，表层与内层脱开而拱起，甚至翘裂。夹砂形成过程如图7-15所示。

图7-14 型腔表层变形引起的缺陷

4—沟槽 5—鼠尾

1—夹砂 2—金属液 3—砂眼

图7-15 夹砂形成过程

a）型腔上表面受热力作用 b）砂型表层拱起 c）砂型表层翘裂 d）产生夹砂

铸件上夹砂缺陷如图7-16所示。

湿型比干型容易使铸件产生夹砂，这主要是因为浇注时湿型内部形成了一个高湿度、低强度的砂层。浇注时，湿型受到金属液的热力作用，水分和强度的分布发生变化，如图7-17所示。

图7-16 夹砂缺陷

图7-17 水分迁移和型壁强度变化

a）型壁中的温度分布 b）型壁中的水分分布 c）型壁中的强度分布

Ⅰ—干燥区 Ⅱ—凝聚区 Ⅲ—正常区

表层水分急剧蒸发，形成干燥区。向里层扩散的水蒸气凝聚在温度低于100℃的区域，称为凝聚区。因为凝聚区聚集了很多水分（可达到正常值的2～3倍），温度又比室温高，这种热的、高含水量的黏土浆砂的黏结力很小（只有正常状态的几分之一），所以这个区域型砂的强度很低。在形成高湿度、低强度砂层的同时，表层型砂在前述应力的作用下，便沿着这个低强度砂层脱离砂型本体而翘起，形成夹砂。此外，湿型发气量大，气体造成的压力也使表层型砂更易拱起和翘起，所以湿型浇注时铸件较易产生夹砂。

夹砂产生的部位常是强烈受到金属液的热力作用但又未被金属液覆盖的型腔表面，如图7-18所示。大的平板上表面产生夹砂就属于这种情况。这是冈为板类铸件高度较低，水平面积较大，使金属液对型腔上表面的热辐射作用既长又强烈，而抗夹砂能力低的型砂，经十几秒的烘烤就可使型腔表层拱起开裂。型腔的下表面因受到金属液的压力作用，表层就不容易拱起而产生夹砂。

图7-18 金属液烘烤型腔

3）防止方法。从以上分析可知，减少型砂的膨胀量，降低型砂中的水含量，提高型砂的强度，避免型腔表面长时间受到金属液的高温烘烤，均有利于防止产生夹砂。为了防止产生夹砂，生产中常采用下列一些措施：

①型砂中加入抗夹砂材料，如在型砂中加入木屑、面粉、煤粉或渣油等，可提高型砂的抗夹砂能力。这些材料在浇注时可以被烧掉或烧焦，使砂粒间空隙增加，当表层型砂膨胀时，这些空隙可提供型砂自由膨胀的余地，不会因相互挤压而拱起。

②将钙膨润土进行活化处理。将钙膨润土进行活化处理（加入碳酸钠），或适当增加黏土含量，可使湿强度提高，从而提高抗夹砂的能力。

③注意造型操作。造型操作过程中要注意防止产生夹砂，如舂砂要均匀，尤其要避免局部紧实度过大，防止舂得分层；扎出气孔应扎到水分凝聚区；不要过多地来回修刮型腔表面等。

④插钉。在型腔容易产生夹砂的部位，插钉常能有效地防止产生夹砂，因为这样会增加砂型表层和本体的连接强度。

⑤合理布置浇口。浇口的位置应使金属液流过的距离最短，浇口不要正对着型腔壁面。尽量避免图7-19a所示的浇注方式，因为铸件斜面处（图7-19a中箭头所指）被大量流过的金属液加热，同时金属液又不能产生有利的压力来防止表层型砂的拱起，故较易产生夹砂。如果改成图7-19b所示的方法，就不易产生夹砂。

⑥缩短浇注时间。缩短浇注时间，可减少金属液对型腔的上表面和侧面的烘烤时间，因而有利于防止产生夹砂。

⑦采用倾斜浇注。一些容易产生夹砂的平板类铸件，采用倾斜浇注，型腔

上表面受金属液的热力作用减弱，金属液在型内的上升速度提高，因而有利于防止产生夹砂，如图7-20所示。

图7-19 浇口的布置要防止产生夹砂

a）不正确 b）正确(www.xing528.com)

2.裂纹缺陷分析及防止方法

铸件产生的裂纹分为热裂和冷裂两种。热裂呈散裂状，如图7-21所示。热裂断面严重氧化，无金属光泽，裂口沿晶粒边界产生和发展，裂口外形曲折而不规则，裂口表面宽度较大。冷裂呈长条形，裂口较窄，裂口宽度均匀，裂口常穿过晶粒延伸到整个断面。冷裂有时有轻微氧化现象，有时呈金属光泽。

图7-20 采用倾斜浇注防止产生夹砂

图7-21 热裂形状

（1）裂纹产生机理

1）热裂产生机理。金属液在型壁传热作用下，从铸件表面开始凝固。如果在凝固收缩过程中铸件能自由收缩，则在铸件内部不产生应力；如果在收缩过程中枝晶层收缩受到型（芯）砂阻碍，则枝晶层的收缩出现拉应力，当拉应力大于液膜强度极限时，枝晶之间就会被拉开，此时若周围有足够的金属液流入拉裂处，则铸件不会产生热裂，否则就出现热裂。裂纹出现后，一般拉应力也就随之消失。铸钢件和可锻铸铁最易产生热裂。

2）冷裂产生机理。铸件在冷却过程中，如果收缩受到阻碍，则铸件产生应力并发生弹性变形。若各部分冷却速度不均匀，则将产生热应力；若产生相变而导致体积改变，则会形成相变应力；若收缩受到阻碍，则将产生收缩应力。当这些铸造应力超过金属的抗拉强度时，铸件就会产生冷裂。

（2）铸件产生裂纹的原因

1）铸件结构引起的裂纹。铸件存在图7-22所示的因断面厚度不均匀而产生的裂纹，铸件肥厚的凸台最后凝同，产生较大的凝同冷却收缩应力，在凸台之间薄弱处产生裂纹。铸件存在图7-23a所示的刚性轮辐结构，厚大的轮毂最后凝固冷却收缩，使轮辐承受很大的拉应力，在轮辐上产生裂纹。

图7-22 断面厚度不均匀产生裂纹

图7-23 铸件刚性轮辐结构阻碍铸件收缩

a）刚性结构 b）弹性结构

2）浇注系统和冒口引起的裂纹。图7-24a所示内浇道阻碍铸件收缩产生裂纹。冒口尺寸过大，使冒口下部的铸件凝固速度更加缓慢，该部分收缩时受拉应力作用而产生裂纹。冒口尺寸太小，对铸件厚大部位不能起补缩作用，反而形成一个较大的热节，在不能补缩的冒口下产生缩孔，缩孔处壁较薄，在拉应力作用下使缩孔外表被拉裂。

图7-24 浇注系统引起裂纹

a）内浇道阻碍铸件收缩产生裂纹

b）改内浇道为弹性结构

3）冷铁引起的裂纹。内冷铁与铸件材料收缩特性有差异，产生拉应力引起铸件内裂纹。内冷铁尺寸偏大，在未完全熔接处产生内裂纹。外冷铁尺寸过大使其对铸件激冷作用太强烈，冷铁附近的铸件形成很厚的柱状晶层，在冷铁附近削弱铸件强度，在应力作用下铸件产生裂纹。

4）收缩肋引起的裂纹。收缩肋设置不合理或收缩肋方向不正确，不但不能起防止裂纹作用，反而阻碍铸件收缩，增加产生裂纹的可能性。图7-25a所示为收缩肋设置不正确引起的裂纹。

5）砂型（芯）退让性差引起铸件的裂纹。砂型或砂芯强度过高，退让性差，或者箱带离铸件太近及箱带刚度太大，芯骨刚度太大并且离型壁太近等，都使砂型退让性差，阻碍铸件收缩，导致铸件产生裂纹。

图7-25 收缩肋引起裂纹

a）收缩肋设置不正确引起裂纹 b）收缩肋顺着收缩方向防止裂纹

6）金属液质量差和浇注温度不当引起的裂纹。金属液气体含量高，夹渣多，化学成分不合格，熔炼温度过高使金属液的内生晶核大量熔化而减少，造成晶粒粗大，降低铸件的强度，可能导致铸件产生裂纹。浇注温度过高也会使晶粒粗大，导致铸件强度低而产生裂纹。

7）其他原因产生的裂纹。铸件落砂时间过早，铸件在高温状态下强度低，在外力作用下易产生裂纹。铸件在清理过程中受到过重的锤击和重压也会产生裂纹。切割冒口和补焊铸件时未能良好保温缓慢冷却，水爆清砂入水温度太高，都会使铸件产生裂纹。

（3）裂纹的防止方法 铸件裂纹产生的主要原因是铸造应力大于金属的抗拉强度。由于裂纹方向与应力方向垂直，因此根据铸件结构特点和应力方向，在可能产生裂纹的部位采取相应措施，可防止铸件产生裂纹。

图7-26 肋壁处热节

a）十字肋 b）交错肋

1）设计合理的铸件结构。设计铸件时要尽量使铸件结构符合顺序凝固或同时凝固原则，以减小热节尺寸，从而减小热应力。例如，将图7-23a所示铸件的刚性结构改为图7-23b所示的弹性结构，将图7-26a所示的十字肋壁改成图7-26b所示的交错肋壁，能有效地减小热节。

2）选择恰当的浇冒口系统结构和安放位置。把冒口设置在不阻碍铸件收缩的地方（如图7-27a所示的铸件水平浇注时），砂型会阻碍冒口与铸件一起收缩而产生裂纹，改为图7-27b所示立式浇注位置，铸件与冒口按从下至上的顺序进行凝固，冒口能按顺序与铸件一起收缩，不会出现较大应力。

对于图7-24a所示的内浇道阻碍铸件收缩的情况，可将内浇道改为图7-24b所示的曲线形，内浇道由原来的刚性结构变为弹性结构，降低对铸件收缩的阻碍作用。

图7-27 板状铸件

a）水平浇注 b）立式浇注

3）正确安放冷铁。如果型壁两侧都要安放冷铁，为了不阻碍铸件收缩，应将冷铁在铸件两侧交错排列。所放置的冷铁要求平滑、干净、无裂纹。如果因冷铁激冷过度而导致铸件裂纹，则可将冷铁改薄或用内冷铁。

4）正确设置收缩肋。在铸件易裂部位设置收缩肋，收缩肋厚度要小于铸件该部位厚度，以使收缩肋先于铸件凝固，由收缩肋承受该部位产生的应力，就能有效地防止铸件裂纹。大平面上的收缩肋长度方向要与铸件收缩方向一致，如图7-25b所示。铸件转角处收缩肋的设置如图7-28所示。

图7-28 铸件转角处收缩肋的设置

5）保证型砂、芯砂良好的退让性。防止薄壁铸件裂纹的主要措施之一就是降低型砂、芯砂的高温强度，提高退让性。例如，可选用较粗砂粒，适当减少黏结剂加入量，或选用高温强度较低的黏结剂，在型砂、芯砂中加入少量木屑等。在不会引起胀砂的情况下，适当降低砂型、砂芯紧实度，降低芯骨强度，使浇道和冒口与箱带保持足够距离，都能有效地增加砂型、砂芯的退让性，保证铸件基本上能自由收缩。

6）提高金属液的质量。尽量降低金属液中气体的含量，防止金属液过度氧化，熔炼铸钢时进行脱氧处理，严格控制金属液化学成分，控制熔炼温度和过热温度，对金属液进行变质（孕育）处理等，都能细化金属晶粒，提高铸件强度而减少或消除铸件裂纹。

7）控制好浇注温度和浇注速度。薄壁件应采用较高的浇注温度和浇注速度，达到铸件同时凝固的目的，使各处收缩一致，凝固过程中铸件强度一致。厚壁铸件应采取低温慢速浇注，以保证铸件顺序凝固，充分补缩以增加铸件强度，同时也降低金属液对型壁的热负荷作用，从而保证型壁强度，减少铸件产生裂纹。

8）其他防止裂纹措施。如果落砂过早使铸件各部位冷却速度不一致而产生裂纹，则要控制好落砂温度，通常铸件在砂型中冷却到250～450℃时落砂，尤其对水爆清砂的铸件更要控制好落砂温度。铸件落砂时间取决于铸件壁厚、重量、化学成分、水爆清砂实际情况等。当然，早落砂可以减少砂型对铸件收缩的阻碍作用。

对于切割冒口和补焊铸件引起的裂纹，在切割和补焊之前对铸件进行预热，或趁铸件落砂后处于较高温度状态下切割冒口和补焊，切割和补焊后应对铸件进行保温或热处理。热处理过程中加热不宜过快，以免产生温差应力使铸件产生裂纹。

在清砂或搬运过程中，对于薄壁铸件不能重击，滚筒清砂的铸件壁厚相差不要太大，以防薄壁铸件被厚壁铸件撞裂。