金屬材料鑄造缺陷

偏析金像組織圖1：

圖1、邊部灰色處為反偏析區(qū)

金屬在凝固過(guò)程中，氣體的溶解度急劇降低，在戮度很大的固態(tài)金屬中難以逸出而滯留于熔體內(nèi)形成氣孔。與縮孔縮松的形態(tài)不同，氣孔一般呈圓形、橢圓形或長(zhǎng)條形，單個(gè)或成串狀分布，內(nèi)壁光滑?？變?nèi)常見(jiàn)氣體有H₂、CO、H₂O、CO₂等。按氣孔在鑄錠中出現(xiàn)的位置分為內(nèi)部氣孔、皮下氣孔和表面氣孔。氣孔的存在減少了鑄錠的有效體積和密度，經(jīng)加工后雖可被壓縮變形，但難以焊合，結(jié)果造成產(chǎn)品的起皮、起泡、針眼、裂紋等缺陷。

氣孔形態(tài)金相組織見(jiàn)圖2

圖2 澆鑄時(shí)由模底和模壁產(chǎn)生的氣體來(lái)不及逸出而沿結(jié)晶方向形成氣孔

金屬在凝固過(guò)程中，發(fā)生體積收縮，熔體不能及時(shí)補(bǔ)充，而在最后凝固的地方出現(xiàn)收縮孔洞，稱(chēng)為縮孔或縮松。容積大而集中的縮孔稱(chēng)為集中縮孔，細(xì)小而分散的縮孔稱(chēng)為縮松，其中出現(xiàn)在晶界和枝晶間借助于顯微鏡觀察的縮松稱(chēng)為顯微縮松。

縮孔表面多參差不齊，近似鋸齒狀，晶界和枝晶間的縮孔多帶棱角 ， 有些縮孔常為析出的氣體所充填，孔壁較平滑，此時(shí)的縮孔也是氣孔，縮孔內(nèi)往往伴生低熔點(diǎn)物。

縮孔均出現(xiàn)在斷面的中心區(qū)。位于頭部的縮孔多呈錐形，內(nèi)表面參差不齊或 有粗大的結(jié)晶組織。位于中部的斷續(xù)縮孔多為形狀不規(guī)則的大小孔洞，內(nèi)部有時(shí)會(huì)充有金屬凝固時(shí)析出的氣體，表面較光滑，在以后的加工中往往難以焊合而形成分層和氣泡?？s孔的附近還易造成應(yīng)力集中而在加工中產(chǎn)生裂紋。

縮松常分布于斷面的中心附近或整個(gè)斷面，有時(shí)出現(xiàn)在縮孔附近，呈細(xì)小分散的孔洞分布于晶界或枝晶間隙。有些細(xì)小的縮松肉眼難以發(fā)現(xiàn)，僅借助于顯微鏡或水壓試驗(yàn)才能察覺(jué)。疏松造成金屬組織的不致密，因而大大降低合金的機(jī)械性能和抗蝕能力。

縮孔和縮松區(qū)域的大小與合金的凝固收縮系數(shù)，金屬液體的流動(dòng)性，結(jié)晶溫度范圍的寬窄，鑄錠的斷面尺寸、澆鑄溫度以及凝固條件等因素有關(guān)。合金的凝固收縮系數(shù)愈大，鑄錠斷面的尺寸愈大，縮孔將愈嚴(yán)重。合金的結(jié)晶溫度范圍越窄，流動(dòng)性越好，則縮孔越集中；反之如合金的結(jié)晶溫度越寬，凝固時(shí)的結(jié)晶過(guò)渡帶越寬，則愈易形成縮松。

縮孔與縮松產(chǎn)生的主要原因有：熔煉工藝不合理，澆鑄溫度較低，補(bǔ)縮不良，斷流；冷卻強(qiáng)度較大，澆鑄速度快；結(jié)晶器設(shè)計(jì)不合理，保溫帽太低、潮濕；合金結(jié)晶溫度范圍寬，流動(dòng)性差等。

縮孔與縮松形態(tài)金相組織見(jiàn)圖3、圖4。

圖4: 橫截面存在分散縮孔，周?chē)樯s松及小裂紋

與基體有明顯分界面，性能相差懸殊的金屬或非金屬物稱(chēng)為夾雜。

按夾雜的性質(zhì)可分金屬夾雜和非金屬夾雜兩類(lèi)。金屬夾雜指不溶于基體金屬的各種金屬化合物初晶及未熔化完的高熔點(diǎn)純金屬顆粒以及外來(lái)異金屬;非金屬夾雜包括氧化物、硫化物、碳化物、熔劑、熔渣、涂料、爐襯碎屑以及硅酸鹽等。

按夾雜來(lái)源的不同可分內(nèi)生夾雜與外生夾雜。內(nèi)生夾雜可能以游離狀態(tài)或與基體金屬結(jié)合成化合物的狀態(tài)存在，也可能是多種雜質(zhì)的互相結(jié)合。

內(nèi)生夾雜中先析出的高熔點(diǎn)金屬化合物初晶或純金屬多呈規(guī)則的顆粒狀、塊狀、片狀或針狀，分布極不均勻。而低熔點(diǎn)金屬化合物則常沿晶界或枝晶軸間析出呈液珠狀、球狀、網(wǎng)絡(luò)狀或薄膜狀等。壓力加工時(shí)，塑性良好的夾雜可沿加工方向拉長(zhǎng)變形，塑性不良的夾雜仍保持鑄造時(shí)形態(tài)或破碎成更小的顆粒，呈斷續(xù)的鏈狀沿加工方向分布。

外來(lái)夾雜是在生產(chǎn)過(guò)程中從爐襯、工具上的剝落物，通常較粗大而形狀不定。由于與基體有完全不同的化學(xué)組成和組織，因而在折斷口或切削加工時(shí)即可根據(jù)不同的色澤與受蝕情況被發(fā)現(xiàn)。

鋼鐵中非金屬夾雜物形態(tài)見(jiàn)圖5

圖5   鋼鐵中非金屬夾雜物

金屬在凝固過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋稱(chēng)為熱裂紋;凝固后產(chǎn)生的裂紋稱(chēng)為冷裂紋。裂紋破壞了金屬的完整性，除少數(shù)可通過(guò)及時(shí)加工除去外，通常在以后的加工和 使用過(guò)程中會(huì)沿著應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，最后導(dǎo)致破裂。

熱裂紋是在鑄錠尚未完全凝固或雖已凝固而晶界和枝晶間尚有少量低熔點(diǎn)相時(shí)，因金屬液態(tài)、固態(tài)收縮及凝固收縮受到阻礙，當(dāng)收縮應(yīng)力超過(guò)了當(dāng)時(shí)的金屬?gòu)?qiáng)度或線收縮大于合金延伸率時(shí)形成的。按出現(xiàn)的部位不同，熱裂紋可分為表面裂紋、中心裂紋、放射狀裂紋及側(cè)面橫裂紋等。熱裂紋多沿晶界擴(kuò)展，曲折而不規(guī)則，常出現(xiàn)分枝，裂紋內(nèi)可能夾有氧化膜或表面略帶氧化色。

影響熱裂紋的因素有合金的本性(合金的凝固收縮系數(shù)和高溫強(qiáng)度等)，澆注工藝和鑄錠結(jié)構(gòu)等方面。合金中某些元素及不溶性的低熔點(diǎn)雜質(zhì)能明顯增大熱裂傾向。半連續(xù)鑄錠的冷卻速度較大因而比鐵模鑄錠熱裂傾向大得多，鑄造中加大鑄造速度也會(huì)增大熱裂傾向，從鑄錠結(jié)構(gòu)看，截面尺寸越大，則愈易發(fā)生熱裂。

冷裂紋是在鑄錠冷卻到溫度較低的彈性狀態(tài)時(shí)，若錠坯內(nèi)外還存在較大的溫差，則收縮應(yīng)力可能集中于某些薄弱區(qū)域。一旦應(yīng)力超過(guò)了金屬的強(qiáng)度和塑性極限，鑄錠將出現(xiàn)冷裂。冷裂紋的特征是多呈穿晶開(kāi)裂，多呈直線擴(kuò)展，裂紋較規(guī)則、挺拔平直。冷裂紋往往由熱裂紋發(fā)展而來(lái)。

鑄造裂紋產(chǎn)生的直接原因是存在鑄造應(yīng)力，引起的因素有：鑄造溫度不合適，速度快，冷卻速度過(guò)大或過(guò)小，冷卻不均勻；連鑄拉停工藝不當(dāng)；合金本身有熱脆性，強(qiáng)度差；覆蓋劑或潤(rùn)滑劑選擇不合理；結(jié)晶器、坩堝、托座、澆鑄管等設(shè)計(jì)不良，變形或安裝不當(dāng)。

鑄造中冷熱裂紋如圖6、圖7：

內(nèi)部應(yīng)力冷裂紋

鑄錠不同部位晶粒大小差異較大的現(xiàn)象稱(chēng)為晶粒不均。

常見(jiàn)的有：扁錠結(jié)晶中心線偏離中心，兩側(cè)粗大柱狀晶，方向相差較大，柱狀晶扭曲，方向紊亂;圓錠偏心嚴(yán)重，局部粗大柱狀晶，局部晶粒細(xì)小;懸浮晶或其他異常粗大晶粒。

產(chǎn)生的主要原因：結(jié)晶器內(nèi)壁粗糙，結(jié)晶器變形，潤(rùn)滑油涂料分布不勻;冷卻強(qiáng)度差異較大，冷卻水分流不均，射角不合理，方向紊亂；澆鑄時(shí)間長(zhǎng)，澆溫低，冷卻緩慢等。

典型晶粒不均如圖9所示

晶粒嚴(yán)重不均勻，結(jié)晶方向絮亂

鑄錠常見(jiàn)的表面缺陷還有：疤痕、麻面、麻坑、毛刺、縱向條痕，橫向竹節(jié)等。

1、麻面

鑄錠表面的各種不平整現(xiàn)象稱(chēng)為麻面。

麻面上常有顆粒狀凸起和砂眼，并伴生有涂料、覆蓋劑、氧化物等污物。產(chǎn)生的主要原因是鑄造溫度低、速度慢；結(jié)晶器內(nèi)壁不光滑或覆蓋劑不良;漏斗堵塞等。

2、毛刺

鑄錠表面、邊角、出現(xiàn)尖銳狀金屬凸起現(xiàn)象稱(chēng)為毛刺。

產(chǎn)生的主要原因是結(jié)晶器內(nèi)壁不光滑；空心鑄坯連鑄芯桿質(zhì)量不好。

3、縱向條痕

鑄錠表面呈連續(xù)或斷續(xù)的縱向條狀凸起或凹陷稱(chēng)為縱向條痕

產(chǎn)生的主要原因是結(jié)晶器內(nèi)壁鉆有金屬或其他氧化物或其上產(chǎn)生磨損的凹槽；內(nèi)襯裝配縫隙較大。

4、竹節(jié)

具有拉停工藝的連鑄坯，表面出現(xiàn)較大的周期性的凹凸現(xiàn)象稱(chēng)為竹節(jié)。

產(chǎn)生的主要原因是拉停工藝不當(dāng)或者結(jié)晶器、模具變形。