鑄件晶粒粗大的成因及防治措施

1、【摘要】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，對鑄造工作者 有一定的借鑒作用。鑄件晶粒粗大是指經(jīng)過機械工或進(jìn)行斷口檢驗時，顯示出晶粒組織過分粗大而不適合應(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(1) 鑄件截面差異過，會因為較厚的截面冷卻緩慢而造成該處晶粒粗大?；诣T鐵等對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分懸殊，但這種途徑有時是鑄造

2、工作者所無能為力的。因而就鑄造本身言，可通過采取設(shè)置冷鐵、控制澆注溫度或通過選擇合適的澆汁系統(tǒng)來減少這類問題的發(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；澆注溫度過高，會使這類問題更為嚴(yán)重，應(yīng)予以避免；通過調(diào)節(jié)、修正澆注系統(tǒng)設(shè)計，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)計最有效的冒口，以盡可能減小冒口的尺寸。(2) 對于帶孔鑄件，工藝設(shè)計人員有時沒有采用有助于減小有效截面尺寸的型芯，使未設(shè)芯的截面過厚而產(chǎn)生此缺陷，因此在工藝設(shè)計時，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

3、面，其結(jié)果和厚大截面一樣。例如在鑄件較深部位的一個柱狀臍子處，可能需要設(shè)置型芯，而這樣就會造成冷卻緩慢。在不能設(shè)計進(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)計時加工余量留得過大，不僅增加了切削加工的費用，還會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)計毫無可取之處，因為無論從鑄造還是從機械加工的角度來看都是不合理的，解決辦法是改變鑄件的設(shè)計。如果不允許更改設(shè)計，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)計不合適，型芯支撐不正確，或采用其他引起偏芯的技術(shù)，會造成鑄件

4、截面的變化，從而引起晶粒粗大。2. 澆冒口系統(tǒng)(1) 未能實現(xiàn)順序凝固澆注系統(tǒng)未能很好地實現(xiàn)順序凝固，通常是造成晶粒粗大的原因。對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)行補縮，在冒口的作用區(qū)保持灼熱的熔融金屬，會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)計不當(dāng)，如冒口頸過長，冒口墊設(shè)計不當(dāng)，或冒口尺寸太大，都會在較厚截面處造成過多熱量的匯集。(2) 易于造成熱匯的澆冒口分布同樣，為了對厚截面進(jìn)行補縮，常會在局部區(qū)域造成過分的熱量匯集。例如，因為側(cè)冒口會造成厚截面的過熱并減緩冷卻速度，所以有時不便于在實際操作中使用。實際生產(chǎn)中需通過合理的冒口設(shè)計，盡可能減小冒口的尺

5、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，對于補縮是有利的，但卻會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，又會給補縮帶來問題。因此最好的措施是采取有效的冒口設(shè)計，盡可能減少冒口的尺寸，不使橫澆道和冒口過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，以實現(xiàn)補縮。(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，同時還會造成局部熱節(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出現(xiàn)這種情況。在某些情況下，因為澆口數(shù)量太少，會導(dǎo)致產(chǎn)生縮松缺陷。這種縮松缺陷可能會掩蓋由于同樣原因造成的晶粒粗大

6、的缺陷。實際上，當(dāng)晶粒粗大缺陷嚴(yán)重惡化時，就變成了一種縮松缺陷，因而對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，型眇才是造成晶粒粗大缺陷的一個因素。由于在厚截面處的型壁移動可能最大，所以這種缺陷還是有可能產(chǎn)生的，此時所產(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，因為這種型芯可能會產(chǎn)生放熱反應(yīng)，從而造成熱量過分匯集。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。從某種意義來說，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

7、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說，鑄件的冷卻速度與通過型砂散出熱量的速度有關(guān)。排氣充分會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為粗心疏忽所致。6. 化學(xué)成分從本質(zhì)上來說，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)將每一種金屬簡述如下。(1) 灰鑄鐵和可鍛鑄鐵碳當(dāng)量過高，碳和硅效應(yīng)的數(shù)學(xué)計算，通?？梢愿爬椋篊E=C+1/3Si ，晶粒粗大可能是因為碳過量或硅過量，或者碳硅過量所致。

8、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高，或者二者均過高。磷也會對晶粒粗大產(chǎn)生影響。當(dāng)wp=0.1 時，會加重縮孔缺陷，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，加入了一些會延緩晶粒長大的元素，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，可通過退火或正火處理得到細(xì)化。(3) 鋁合金鐵雜質(zhì)會使鑄鋁件品粒粗大

9、，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)會對合余的品粒組織產(chǎn)生影響。對于不同的鑄造金屬，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，會造成過量增碳。例如，底焦高度過高和降低鼓風(fēng)量會造成過量增碳。當(dāng)爐襯熔蝕后，增碳會更加嚴(yán)重。因為沖天爐直徑變大后，為了保持同樣的含碳量，需增加鼓風(fēng)量。在過高的溫度下熔化會增加碳量，如果采用熱風(fēng)熔煉，就會遇到這

10、種情況。根據(jù)經(jīng)驗，鼓風(fēng)溫度每增加 55 ，就會增加0.10 的碳(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。如果采用氧氣來提高溫度，并不一定會產(chǎn)生同樣的問題。出鐵液的間隔過長，或鐵液停留在爐缸中的時間過長，也會導(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間，盡量做到連續(xù)出鐵液。間斷熔化會造成過量增碳，導(dǎo)致產(chǎn)生粗晶組織。另外，因停風(fēng)而使熔化間斷，幾乎無一例外地導(dǎo)致碳和硅含量的波動。停風(fēng)之后，通常需要15min ，才能重新獲得原來規(guī)定的化學(xué)成分。(2) 可鍛鑄鐵爐料稱重或配料中產(chǎn)生的偏差會導(dǎo)致化學(xué)成分的變化；爐內(nèi)鼓風(fēng)量沒有保證，會影響化學(xué)成分的控制；熔化過熱或火焰中充煙，都會造成增碳。(3) 黃銅和青銅采用

11、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所殘余的凝殼或金屬薄層，都會造成對下一次熔化的污染，因此生產(chǎn)中應(yīng)避免使用來源不明的廢料，防止在金屬爐料內(nèi)摻入會產(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)將過熱的鋁液緩慢地冷卻下來，使其降到較低的澆注溫度。此外，在配料過程中粗心大意或者爐料污染，也會引起晶粒粗大缺陷。8. 澆注 對所有金屬來說，澆注溫度過高都容易造成晶粒粗大缺陷。9. 其他(1) 冷卻速度過慢除了與設(shè)計、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間間隔過長，以及落砂后