铸件晶粒粗大的缺陷成因及防止措施【摘要】 系统地分析和探讨了铸件晶粒粗大缺陷的产生原因， 提出了相应的防止方法， 对铸 造工作者有一定的借鉴作用。铸件晶粒粗大是指经过机械工或进行断口检验时， 显示出晶粒组织过分粗大而不适合应用的 缺陷， 这种晶粒粗大的组织，可能是遍布于铸件整体，也可能发生于铸件的局部。从本质上讲，晶粒粗大缺陷是一种冶金缺陷。 笔者根据多年的生产实践并参阅有关资料， 谈谈铸件晶 粒粗大缺陷产生的原因及防止措施。1. 铸件结构和工艺设计(1) 铸件截面差异过大，会因为较厚的截面冷却缓慢而造成该处晶粒粗大。灰铸铁 等对截面变化十分敏感的金属，更容易产生此类缺陷。防止产生这类缺陷的有效方法是避免铸件截面尺寸过分悬殊， 但这种途径有时是铸造工作者 所无能为力的。 因而就铸造本身言， 可通过采取设置 冷铁、 控制浇注温度或通过选择合适的 浇注系统 来减少这类问题的发生， 降低这类缺陷的严重程度。 采用冷铁可加快铸件较厚截面 的冷却速度；浇注温度过高，会使这类问题更为严重，应予以避免；通过调节、修正浇注系 统设计， 使温度低的金属熔液位于铸件截面较厚的部位， 并在铸件的厚截面处设计最有效的 冒口，以尽可能减小冒口的尺寸。(2) 对于带孔铸件，工艺设计人员有时没有采用有助于减小有效截面尺寸的型芯，使未设芯 的截面过厚而产生此缺陷，因此在工艺设计时，应尽可能在较厚的截面中 设置砂芯 。(3) 在某些情况下，铸件截面并不太厚，但因某一较窄的凹陷部位或型芯在铸件中形成热汇 截面， 其结果和厚大截面一样。 例如在铸件较深部位的一个柱状脐子处， 可能需要设置型 芯，而这样就会造成冷却缓慢。 在不能设计进行修改的情况下，除非可以降低金属温度，或 重新没置浇口，最好的解决办法是在 型芯或铸型截面处设置冷铁 。(4) 工艺设计时加 工余量留得过大 ，不仅增加了切削加工的费用，还会把较致密的铸件表层 切削掉， 并暴露出中心冷却较慢的疏松部分。 这种设计毫无可取之处， 因为无论从铸造还是 从机械加工的角度来看都是不合理的，解决办法是改变铸件的设计。如果不允许更改设计， 那么正确的方法则是采用冷铁、控制浇注温度及调整浇注系统。(5) 在厚截面处型芯设计不合适，型芯支撑不正确，或采用其他引起偏芯的技术，会造成铸 件截面的变化，从而引起晶粒粗大。2. 浇冒口系统(1) 未能实现顺序凝固 浇注系统未能很好地实现顺序凝固，通常是造成晶粒粗大的原因。对于截面变化急剧的铸件， 必须允分注意内浇口的数量和位置。 为了进行补缩， 在冒口的作 用区保持灼热的熔融金属， 会使厚截面的冷却速度降低到产生粗大晶粒的程度。 冒口设计不 当，如 冒口颈过长， 冒口垫设计不当，或冒口尺寸太大 ，都会在较厚截面处造成过多热量的 汇集。(2) 易于造成热汇的浇冒口分布同样，为了对厚截面进行补缩，常会在局部区域造成过分的热量汇集。 例如， 因为侧冒口会造成厚截面的过热并减缓冷却速度， 所以有时不便于在实 际操作中使用。实际生产中需通过合理的冒口设计， 尽可能减小冒口的尺寸 。(3) 在 内浇口或冒口与铸件连接处造成局部热节内浇口或冒口颈部较短，对于补缩是有利的，但却会使横浇道或冒口太靠近铸件， 减缓了该部位的冷却速度。而增大冒口颈部， 又会 给补缩带来问题。 因此最好的措施是采取有效的冒口设计， 尽可能减少冒口的尺寸， 不使横 浇道和冒口过于接近易于形成粗大品粒的关键截面， 恰当地设置横浇道和冒口， 以实现补缩。(4) 内浇口数量不足 内浇口数量太少，不仅易于造成 冲砂， 同时还会造成 局部热节 和粗大 晶粒组织。 这种现象普遍存在于所有的铸造金属中， 即使是浇注温度较低的铝合金也会出现 这种情况。 在某些情况下，因为浇口数量太少，会导致产生缩松缺陷。 这种缩松缺陷可能会 掩盖由于同样原因造成的晶粒粗大的缺陷。 实际上， 当晶粒粗大缺陷严重恶化时， 就变成了 一种缩松缺陷 ，因而对这两种缺陷的防治措施，常常是相同的。3. 型砂只有当型砂使型壁产生的位移足以导致增加临界截面(易于形成粗大晶粒的截面 )的截面尺寸时， 型砂才是造成晶粒粗大缺陷的一个因素。 由于在厚截面处的型壁移动可能最大， 所以 这种缺陷还是有可能产生的，此时所产生的品粒粗大缺陷和胀砂有关。4. 制芯 生产中应避免采用未烘透或空气硬化的油砂芯， 因为这种型芯可能会产生放热反应， 从而造 成热量过分汇集。 这种情况或出现于大型铸件， 或出现于采用具有放热性能粘接剂的厚大型 芯。从某种意义来说， 这种型芯起着一种高效率的绝热体的作用， 并把金属熔液的冷却速度 减缓到了危险的程度。5. 造型(1) 缺少能促使加快冷却速度的通气孔就较厚的铸件截面来说，铸件的冷却速度与通过型砂 散出热量的速度有关。排气充分有助于水气迅速排出，从而产生一种致冷的效应。(2) 未设置激冷钉或冷铁这种情况通常是因为粗心疏忽所致。6. 化学成分从本质上来说， 晶粒粗大和金属的化学成分与冷却速度的配合有关， 因此选择这种配合是非 常重要的。 如果冷却速度难以调节， 那么粗晶组织必定是起因于金属的化学成分不当。 由于 金属成分的重要性，现将每一种金属简述如下。(1) 灰铸铁和可锻铸铁 碳当量过高，碳和硅效应的数学计算， 通常可以概括为： CE=C+1/3Si ， 晶粒粗大可能是因为碳过量或硅过量，或者碳硅过量所致。 与硅相比，碳的效应相当其 3 倍，所以碳的做量变化，要比硅的同量变化危险得多 。碳、硅的这种作用，既影响到可锻铸 铁，也影响到灰铸铁。对可锻铸铁而言， 晶粒粗大既不呈现为黑色，也不呈现出表示初生石 墨的麻口， 而是以一般的晶粒粗大的形式呈现， 这是由于含碳或含硅量过高， 或者二者均过 高。磷也会对晶粒粗大产生影响 。当 wp=0.1 时，会加重缩孔缺陷，特别是在冷却较缓慢的截 面部位加重晶粒粗大缺陷的程度。(2) 铸钢 在铸钢的熔化和脱氧操作中， 加入了一些会延缓晶粒长大的元素 ，因此和锻钢相 比，铸钢不太容易形成品粒粗大。 因成分而引起晶粒粗大的铸钢件， 可通过 退火或正火 处理 得到细化。(3) 铝合金 铁杂质会使铸铝件品粒粗大，脆性增加 ，这类缺陷多数是由于熔化操作不当所 致。在铝合金中，特别是那些要求过热的铝合金，加入适量的细化晶粒合金元素是必要的。(4) 铜合金 铜合金中晶粒粗大的缺陷常被针孔、气孔或缩松所掩盖。铜合金因成分变化会 造成品粒粗大，但通常总是先出现针孔、气孔或缩松。7. 熔化熔化操作不当会对合余的晶粒组织产生影响。 对于不同的铸造金属， 必须采取小同的熔化工 艺。(1) 冲天炉熔化灰铸铁鼓风量和焦炭不平衡，会造成过量增碳。例如，底焦过高和降低鼓风量会造成过量增碳。当炉衬熔蚀后，增碳会更加严重。 因为冲天炉直径变大后， 为了保持 同样的含碳量， 需增加鼓风量。 在过高的温度下熔化会增加碳量， 如果采用热风熔炼， 就会 遇到这种情况。根据经验，鼓风温度每增加55C，就会增加0.10%的碳(质量分数)。如果采用氧气来提高温度，并不一定会产生同样的问题。出铁液的间隔过长， 或铁液停留在炉缸中的时间过长， 也会导致增碳。 生产低碳铸铁一般都 采用较浅的炉缸，并缩短出铁液的间隔时间，尽量做到连续出铁液。间断熔化会造成过量增碳，导致产生粗晶粒组织。另外， 因停风而使熔化间断，几乎无一例外地导致碳、硅含量的波动。停风之后，通常需要15min ，才能重新获得原来规定的化学成分。(2) 可锻铸铁 炉料称重或配料中产生的偏差会导致化学成分的变化；炉内鼓风量没有保证， 会影响化学成分的控制； 熔化过热或火焰中充烟，都会造成增碳 。(3) 黄铜和青铜 采用脏污的坩埚，以及在坩埚的底部和侧壁处留有上一炉熔化时所残余的 凝壳或金属薄层，都会造成对下一次熔化的污染，因此生产中应避免使用来源不明的废料， 防止在金属炉料内掺入会产生气体的原材料，如湿的、油污染的或其他脏污的材料。(4) 铝 因熔化温度控制不当而使铝液过热，是造成铝合金晶粒粗大的常见原因。因此生产 中应将过热的铝液缓慢地冷却下来， 使其降到较低的浇注温度。 此外， 在配料过程中粗心大 意或者炉料污染，也会引起晶粒粗大缺陷。8. 浇注 对所有金属来说，浇注温度过高都容易造成晶粒粗大缺陷。9. 其他(1) 冷却速度过慢 除了与设计、浇注系统和金属成分有关外，还与其他因素有关，如型砂 紧密度偏低、 当需要采用而没有采用冷铁、 浇注和落砂的时间间隔过长， 以及落砂后将灼热 的铸件堆放在一起等。(2) 热处理不当 也是造成某些金属晶粒粗大的主要原因之一。(3) 机械加工不当 不恰当的机械加工会使实际上致密的铸件看上去像是具有晶粒粗大缺陷 的样子。所谓机械加工不当，是指刀具磨得不合理、刀具过钝、切削速度或进刀控制有误， 以及粗加工方法不当等， 这些都会造成带有某种损伤的多孔外观， 这种外观会使人们认为铸 件存在晶粒粗大的缺陷。