缩孔:缺陷类型和成因

不管使用的是何种模型或浇铸工艺,所有工艺浇铸材料中都会出现缩孔。虽然压铸技术可通过在充型之后立即升高最终压力来防止缩孔形成或使其最小化。但这也不能防止生成气孔。

根据凝固孔的表现形式,可以分为闭合缩孔(内部缩孔)、开放缩孔(外部缩孔)和缩痕。由此产生的缩孔的位置通常有规律可循:外部缩孔往往出现在铸件最后凝固的上部区域、厚壁铸件区域和靠近浇口的位置;内部缩孔出现在更大的厚壁区域,尤其是壁厚强烈变化的区域;缩痕很可能出现在截面转变处和相对厚壁铸件的外表面。缩孔常与缩松一起出现。

凝固孔的形式具有顺序凝固特炼的材料(如纯金属和共晶合金)尤其容易出现凝固孔。

凝固孔

(外部缩孔)是深对称孔洞,通常具有漏斗形开口,有时延续到内部,成为闭合孔洞。孔壁大都粗糙,常呈树突状。肉眼可清楚地看到外部缩孔。

内部缩孔

位于铸件内部,与外部没有连接。形状不规则,孔壁粗糙,常覆盖有树突。在非破坏性试验过程中或最后的加工过程中肉眼可见。

缩痕是铸件表面的凹形孔洞,出现在材料积累较大的区域。缩痕的表面与铸件其他位置的表面并无不同。缩痕也是肉眼可见的。如果铸造相关措施(定向凝固,补缩)未能成功地将缩孔转移至铸件以外的区域,该铸造缺陷会导致铸件报废。

凝固和冷却过程中浇铸材料的收缩

标准浇铸金属的比容在液态时比在固态时大。因此,这些金属在凝固和冷却时必定会发生收缩。这将导致金属体积不足,并表现为缺陷形式,如缩孔、缩痕、缩松等。缩孔是凝固过程中物理体积不足和通过额外补缩补偿体积之间相互作用的结果。

技术性体积不足的多少与比容是浇铸材料的一大重要特征。与总体积不足相比,它在铸件内的分布取决于凝固过程。此处的具体影响因素包括合金中的气体含量、砂铸中模型壁的移动以及铸铁合金凝固过程中石墨的膨胀。

铸铁合金中的缩孔

灰铁体积不足的特点是下表中各金相组织的比容差异。

铸铁各金相组织的比容

金相组织比容(m3/g)
铁素体 0.1271
渗碳体 0.1303
奥氏体(C饱和) 0.1360
石墨 0.4475

在共晶凝固中,析出的石墨膨胀会阻碍奥氏体的凝固收缩。一定的石墨含量可使凝固收缩在奥氏体形成过程中得到补偿。这表明根据化学成分、冷却条件和成核作用,可能发生“自补缩”。如果析出的石墨量大,那么石墨形成引起的体积膨胀可能比金属相凝固收缩量更大,即总体来说会发生膨胀。

含有片状石墨的铸铁在共晶度升高到共晶点时,其缩孔倾向性会降低。这时,体积不足的程度最低。这同样适用于外部缩孔的尺寸和显微缩孔的比例。在过共晶阶段,缩孔倾向会再次升高。

在共晶度相同时,随着碳含量的增加,可能出现的缩孔体积减少。磷会增加缩松形成的倾向,这主要是因为形成了磷含量>0.3%的富残余金属熔液。

假设未经孕育处理的铁与灰铁一样发生凝固,对含有层状石墨的铸铁进行孕育也会增加形成缩孔、气孔和缩痕的倾向。由于共晶石墨大量析出,铸件会出现更大的“膨胀”,凝固类型也变为“浆状”凝固,这就意味着铸件轮廓会更紧密地随着造型材料的空腔膨胀。

球墨铸铁比含有层状石墨的铸铁具有更高的缩孔倾向性。如果用镁处理灰铁液,缩孔体积会从0.5 cm3 升高到5 cm3

与含片状石墨铸铁的顺序凝固不同,球墨铸铁的凝固是糊状凝固的。除可以由补缩和浇道系统控制的液体收缩和二次缩孔外,凝固过程中还会发生膨胀。

根据凝固的不同时间段,石墨在析出过程中可在外壳内发生作用,如果外壳和造型材料屈服于内侧压力,石墨就会膨胀或使外壳扩张。如果渗入铸件的金属液未充满,这一点就会导致缩孔的出现。在之后的凝固过程中,石墨会在铸件的更大区域内析出。
由于外壳可能已经收缩,自补缩的条件将变得更加有利。如果外壳仍处于共晶凝固状态,可以预见的是它将发生膨胀。假设模型是刚性的,利用这一膨胀期就能补偿二次缩孔,以高产量产出无缩孔的铸件。  

明显的亚共晶和过共晶成分、缺少孕育、高温下铸造次数过多和镁含量过高都增加了球墨铸铁的缩孔倾向。合金铸铁类型通常也显示出更高的缩孔倾向,但是,后者的影响往往与熔炼过程共同发生。

铝合金中的缩孔

同样,铝合金的体积不足也主要取决于合金成分和基准温度(冷却条件),其形成也很大程度上受凝固过程控制。
在此,外壳的承载力和补缩能力,即凝固铸件内运送金属液的条件起着非常重要的作用。
通常,可以根据合金元素含量确定收缩性的发展:基于纯材料时外部缩孔的体积大幅减小,成为凝固温度区间最大的合金,然后再次升高至共晶点。相反的规则适用于缩痕和缩松的体积。这种情况与凝固工艺的变化相对应。添加更多铜、镁和硅时,缩孔的总体积与纯铝相比会减小,而这些材料中又属硅的影响最强。当铜或硅的含量升高,Al-Cu和Al-Si的凝固收缩就会减少。但是,当存在污染时(例如铁污染),缩孔的形成会显著增加。
此外,未妥善压实的型砂或永久铸模中过高的钢锭模温度也可能引起铝合金的外部缩孔和缩痕。由于总体积不足在2%到7%之间,视成分不同,往往需要对铸件采取定向凝固措施,并进行足量补缩。

使用钠或锶进行精炼会导致砂铸和永久模铸中的外部缩孔总体积显著增加;缩痕和内部缩孔(缩松)则会减少。在实际浇铸过程中,这可能导致凝固过程在某些截面从外源性变为内源性。在这种情况下,其影响会重叠,即外部缩孔和气孔都会出现在中心区域。
在精炼过程中,必须考虑到铝硅共晶可能将自身调整为层状或颗粒状,这取决于磷的含量。在永久模铸中,两种改变表现出来的总体积不足大体相同;在砂铸中,颗粒状材料略低于层状材料。

在两种情况中,即便只添加0.02%的钠,体积不足的分布就会发生变化。在颗粒状和层状材料的情况下,外部缩孔的体积增加,而缩痕的数量则减少。之后,进一步添加钠只会引起外部缩孔体积的细微变化。在永久模铸情况下,钠几乎对层状类型没有影响。对于粒状合金,形成外部缩孔的倾向会明显降低。添加更多钠后,外部缩孔的体积增加,缩痕的数量减少。此外,在砂铸中添加更多钠会导致外部凝固孔的分枝生长。

 

来源:"Guss- und Gefügefehler" (浇铸和结构缺陷),作者:Stephan Hasse