铸件中常见缺陷

铸件中常见的主要缺陷有：1.气孔这是金属凝固过程中未能逸出的气体留在金属内部形成的小空洞，其内壁光滑，内含气体，对超声波具有较高的反射率，但是又因为其基本上呈球状或椭球状，亦即为点状缺陷，影响其反射波幅。钢锭中的气孔经过锻造或轧制后被压扁成面积型缺陷而有利于被超声检测所发现，如图2.2所示。2.缩孔与疏松铸件或钢锭冷却凝固时，体积要收缩，在最后凝固的部分因为得不到液态金属的补充而会形成空洞状的缺陷。大而集中的空洞称为缩孔，细小而分散的空隙则称为疏松，它们一般位于钢锭或铸件中心最后凝固的部分，其内壁粗糙，周围多伴有许多杂质和细小的气孔。由于热胀冷缩的规律，缩孔是必然存在的，只是随加工工艺处理方法不同而有不同的形态、尺寸和位置，当其延伸到铸件或钢锭本体时就成为缺陷。钢锭在开坯锻造时如果没有把缩孔切除干净而带入锻件中就成为残余缩孔（缩孔残余、残余缩管），如图2.3、2.4、2.5所示。如果铸件的型模设计不当、浇注工艺不当等，也会在铸件与型模接触的部位产生疏松，如图2.28所示。断口照片中的黑色部分即为疏松部位，其呈现黑色是因为该工件已经过退火处理，使得疏松部位被氧化和渗入机油所致。图2.28W18钢铸件-用作铣刀齿，采用超声纵波垂直入射多次底波衰减法发现的疏松断口照片3.夹渣熔炼过程中的熔渣或熔炉炉体上的耐火材料剥落进入液态金属中，在浇注时被卷入铸件或钢锭本体内，就形成了夹渣缺陷。夹渣通常不会单一存在，往往呈密集状态或在不同深度上分散存在，它类似体积型缺陷然而又往往有一定线度。4.夹杂熔炼过程中的反应生成物（如氧化物、硫化物等）-非金属夹杂，如图2.1和2.6，或金属成分中某些成分的添加料未完全熔化而残留下来形成金属夹杂，如高密度、高熔点成分-钨、钼等，如图2.29，也有如图2.24所示钛合金棒材中的纯钛偏析。（a）（b）（c）（d）（e）图2.29BT9钛合金锻制饼坯中的钼夹杂：（a）剖面低倍照片；（b）X射线照相底片；（c）C扫描显示（图中四个白色点状显示为同一个缺陷，是使用水浸点聚焦探头以不同灵敏度检测的结果，其他分散细小的白色点状为与该缺陷无关的杂波显示）；（d）B扫描显示；（e）3D显示5.偏析铸件或钢锭中的偏析主要指冶炼过程中或金属的熔化过程中因为成分分布不均而形成的成分偏析，有偏析存在的区域其力学性能有别于整个金属基体的力学性能，差异超出允许范围就成为缺陷，如图2.23和2.24、2.27所示。6.铸造裂纹铸件中的裂纹主要是由于金属冷却凝固时的收缩应力超过了材料的极限强度而引起的，它与铸件的形状设计和铸造工艺有关，也与金属材料中一些杂质含量较高而引起的开裂敏感性有关（例如硫含量高时有热脆性，磷含量高时有冷脆性等）。在钢锭中也会产生轴心晶间裂纹，在后续的开坯锻造中如果不能锻合，将留在锻件中成为锻件的内部裂纹。7.冷隔这是铸件中特有的一种分层性缺陷，主要与铸件的浇铸工艺设计有关，它是在浇注液态金属时，由于飞溅、翻浪、浇注中断，或者来自不同方向的两股（或多股）金属流相遇等原因，因为液态金属表面冷却形成的半固态薄膜留在铸件本体内而形成一种隔膜状的面积型缺陷。8.翻皮这是炼钢时从钢包向锭模浇注钢锭时，因为浇注中断、停顿等原因，先浇入的液态金属表面在空气中迅速冷却形成氧化膜，在继续浇注时新浇入的液态金属将其冲破翻入钢锭体内而形成的一种分层性（面积型）缺陷，它在后续的钢锭开坯锻造中是无法锻合消除的。见图2.30所示。图2.303Cr3Mo3VNb锻模方坯，锻后退火，黑皮，超声纵波探伤发现翻皮缺陷：横向低倍与纵向断口9.各向异性铸件或钢锭冷却凝固时，从表面到中心的冷却速度是不同的，因而会形成不同的结晶组织，表现为力学性能的各向异性，也导致了声学性能的各向异性，亦即从中心到表面有不同的声速与声衰减。这种各向异性的存在，对铸件超声检测时评定缺陷的大小与位置会产生不良影响。图2.31示出的是3Cr3Mo3VNb电弧炉冶炼的630Kg钢锭的纵向低倍照片和钢锭结晶情况示意图。INCLUDEPICTURE"D:\\f-bak\\hichina\\tech-pic\\defect-pic\\gangding1a.JPG"\*MERGEFORMATINET图2.31综上所述，铸件中的缺陷多为体积型（裂纹、翻皮、冷隔除外），缺陷的取向规律不够明显，但主要与冷缩应力方向有关。此外，由于铸件的晶粒一般都比较粗大，有各向异性存在，因此给超声检测带来不少的困难，必须结合铸造工艺和具体的铸造材料、铸件形状以及表面状态等多种因素综合考虑。铸件的检测铸件的检测主要包括尺寸检查、外观和表面的目视检查、化学成分和力学性能试验，对于要求比较重要或铸造工艺上容易产生问的铸件，还需要进行无损检测工作，可用于球墨铸铁件质量检测的无损检测技术包括液体渗透检测、磁粉检测、涡流检测、射线检测、超声检测及振动检测等。1铸件表面及近表面缺陷的检测1.1液体渗透检测液体渗透检测用来检查铸件表面上的各种开口缺陷，如表面裂纹、表面针孔等肉眼难以发现的缺陷。常用的渗透检测是着色检测，它是将具有高渗透能力的有色(一般为红色)液体(渗透剂)浸湿或喷洒在铸件表面上，渗透剂渗入到开口缺陷里面，快速擦去表面渗透液层，再将易干的显示剂(也叫显像剂)喷洒到铸件表面上，待将残留在开口缺陷中的渗透剂吸出来后，显示剂就被染色，从而可以反映出缺陷的形状、大小和分布情况。需要指出的是，渗透检测的精确度随被检材料表面粗糙度增加而降低，即表面越光检测效果越好，磨床磨光的表面检测精确度最高，甚至可以检测出晶间裂纹。除着色检测外，荧光渗透检测也是常用的液体渗透检测方法，它需要配置紫外光灯进行照射观察，检测灵敏度比着色检测高。1.2涡流检测涡流检测适用于检查表面以下一般不大于6～7MM深的缺陷。涡流检测分放置式线圈法和穿过式线圈法2种。当试件被放在通有交变电流的线圈附近时，进入试件的交变磁场可在试件中感生出方向与激励磁场相垂直的、呈涡流状流动的电流(涡流)，涡流会产生一与激励磁场方向相反的磁场，使线圈中的原磁场有部分减少，从而引起线圈阻抗的变化。如果铸件表面存在缺陷，则涡流的电特征会发生畸变，从而检测出缺陷的存在，涡流检测的主要缺点是不能直观显示探测出的缺陷大小和形状，一般只能确定出缺陷所在表面位置和深度，另外它对工件表面上小的开口缺陷的检出灵敏度不如渗透检测。1.3磁粉检测磁粉检测适合于检测表面缺陷及表面以下数毫米深的缺陷，它需要直流(或交流)磁化设备和磁粉(或磁悬浮液)才能进行检测操作。磁化设备用来在铸件内外表面产生磁场，磁粉或磁悬浮液用来显示缺陷。当在铸件一定范围内产生磁场时，磁化区域内的缺陷就会产生漏磁场，当撒上磁粉或悬浮液时，磁粉被吸住，这样就可以显示出缺陷来。这样显示出的缺陷基本上都是横切磁力线的缺陷，对于平行于磁力线的长条型缺陷则显示不出来，为此，操作时需要不断改变磁化方向，以保证能够检查出未知方向的各个缺陷。2铸件内部缺陷的检测对于内部缺陷，常用的无损检测方法是射线检测和超声检测。其中射线检测效果最好，它能够得到反映内部缺陷种类、形状、大小和分布情况的直观图像，但对于大厚度的大型铸件，超声检测是很有效的，可以比较精确地测出内部缺陷的位置、当量大小和分布情况。2.1射线检测(微焦点XRAY)射线检测，一般用X射线或γ射线作为射线源，因此需要产生射线的设备和其他附属设施，当工件置于射线场照射时，射线的辐射强度就会受到铸件内部缺陷的影响。穿过铸件射出的辐射强度随着缺陷大小、性质的不同而有局部的变化，形成缺陷的射线图像，通过射线胶片予以显像记录，或者通过荧光屏予以实时检测观察，或者通过辐射计数仪检测。其中通过射线胶片显像记录的方法是最常用的方法，也就是通常所说的射线照相检测，射线照相所反映出来的缺陷图像是直观的，缺陷形状、大小、数量、平面位置和分布范围都能呈现出来，只是缺陷深度一般不能反映出来，需要采取特殊和计算才能确定。现在国际铸业网[1]出现应用射线计算机层析照相方法，由于设备比较昂贵，使用成本高，目前还无法普及，但这种新技术代表了高清晰度射线检测技术未来发展的方向。此外，使用近似点源的微焦点X射线系统实际上也可消除较大焦点设备产生的模糊边缘，使图像轮廓清晰。使用数字图像系统可提高图像的信噪比，进一步提高图像清晰度。2.2超声检测超声检测也可用于检查内部缺陷，它是利用具有高频声能的声束在铸件内部的传播中，碰到内部表面或缺陷时产生反射而发现缺陷。反射声能的大小是内表面或缺陷的指向性和性质以及这种反射体的声阻抗的函数，因此可以应用各种缺陷或内表面反射的声能来检测缺陷的存在位置、壁厚或者表面下缺陷的深度。超声检测作为一种应用比较广泛的无损检测手段，其主要优势表现在：检测灵敏度高，可以探测细小的裂纹;具有大的穿透能力，可以探测厚截面铸件。其主要局限性在于：对于轮廓尺寸复杂和指向性不好的断开性缺陷的反射波形解释困难;对于不合意的内部结构，例如晶粒大小、组织结构、多孔性、夹杂含量或细小的分散析出物等，同样妨碍波形解释;另外，检测时需要参考标准试块。铸件缺陷如何修补铸件：解决铸件缩松缺陷的方法，最根本的着眼点就是“热平衡”。其方法是：(1)在机床铸件结构形成的厚处与热节处，实行快速凝固，人为地造成机床铸件各处温度场的基本平衡。采用内外冷铁，局部采用蓄热量大的锆英砂，铬铁矿砂或特种涂料。(2)合理的工艺设计。内浇道设在机床铸件相对溥壁处，数时多且分散。使最早进入厚壁处的金属液率先凝固，薄壁处后凝固，使各处基本达到均衡凝固。对于壁厚均匀的机床铸件，采用多个内浇道和出气孔。内浇道多，分散与均布，使整体热量均衡。出气孔细且多，即排气通畅又起散热作用。(3)改变内浇道的位置(4)选用蓄热量大的造型材料，这对用消失模生产抗磨产品极为重要!铬铁矿砂取代石英砂等蓄热量小的其它砂种，会取得良好的效果，浇毕微震更优!(5)低温快烧，开放式浇注系统。使金属液快速，平稳，均衡地充满铸型。这要因件制宜。(6)球铁的机床铸型强度大，表面硬度≧90，砂箱刚性大，对消除缩松有利。(7)需要冒口时，当首迁热冒口，且离开热节。若将冒口置于热节上，必将加大冒口尺寸，形成“热上加热”。弄不好，非但缩松难除，还会产生集中性缩孔，又降低了工艺出品率。(8)铸型倾斜摆放与合金化，都获益。消除机床铸件缩松缺陷是一个复杂的认识与实施过程。应以“热平衡”为基本原则，对雎体铸件做科学分析，制订合理的工艺方案，迁择好适宜的造型材料，工装及正确操作且标准化。那么任何机床铸件的缩松缺陷都可以解决。由于多种因素影响，常常会出现气孔、针孔、夹渣、裂纹、凹坑等缺陷。常用的修补设备为氩弧焊机、电阻焊机、冷焊机等。对于质量与外观要求不高的铸件缺陷可以用氩弧焊机等发热量大、速度快的焊机来修补。但在精密铸件缺陷修补领域，由于氩焊热影响大，修补时会造成铸件变形、硬度降低、砂眼、局部退火、开裂、针孔、磨损、划伤、咬边、或者是结合力不够及内应力损伤等二次缺陷。冷焊机正好克服了以上缺点，其优点主要表现在热影响区域小，铸件无需预热，常温冷焊修补，因而无变形、咬边和残余应力，不会产生局部退火，不改变铸件的金属组织状态。总的说来，铸件的特点是晶粒比较粗大、组织不够致密、存在各向异性等，因此在超声检测时往往使得声能衰减较大、穿透力较低、杂波干扰较大、信噪比较低，以及各向异性的存在还会造成声路弯曲而影响缺陷定位的准确性。对于具体铸件，大致上可以分为三类：1.铸钢件铸钢件的冶金组织一般不算太粗大，对超声波的衰减不算太显著，超声波的穿透力也可以，因此可以采用与锻件相同的脉冲超声反射法探测与评定铸钢件中的缺陷。探测面与探测方向的选择要视铸造工艺情况和容易产生缺陷的取向及部位等具体情况来确定。对于厚度截面较小的铸钢件，可以采用多次脉冲反射法，根据底面回波次数的多少和幅度变化的情况来评价铸钢件的内部质量。2.奥氏体铸钢件奥氏体铸钢件的晶粒一般都较粗大且不均匀，超声波检测时的穿透力较低、杂波干扰大、信噪比低，这是它的特点（奥氏体钢焊缝也有这种情况）。因此宜选用较低的超声波检测频率和较大的发射功率，或者使用聚焦超声波检测，能较好地提高检测灵敏度和信噪比。当需要采用横波检测时，最好采用组合双晶斜探头（最好是聚焦型的）并以不同的入射角做多次检测（这是因为不同角度的组合双晶探头有不同的探测灵敏度区），也有采用低频（例如0.5~1MHz）和以软橡胶为斜楔的单晶斜探头检测，或者可以用金属作斜楔实现纵波斜入射检测。有些资料还提出可以采用多频或扫频检测来提高信噪比，并根据时间相位和振幅的变化进行鉴别的方法应用于奥氏体铸钢件和奥氏体焊缝。3.铸铁件铸铁件通常是超声波穿透性最差的，并且在检测中容易产生复杂的波型转换，因而较难进行超声检测，特别是存在粗大片状石墨的灰铸铁。不过，也有例外的是例如球墨铸铁、白铸铁，因为它们的材质比较均匀、晶粒相对较细，其内含的球状石墨减少了各向异性的影响，故仍能较容易地进行超声检测。对铸铁件常采用多次脉冲反射法检测疏松、夹渣等缺陷。至于有色金属铸件，如铸铝、铸钛等铸件也各有其特点，应视具体情况应用具体的超声检测工艺。作为本节最后，我们还必须归纳一下在超声检测时影响缺陷回波高度的诸因素：（1）材料本身的内部组织状态影响，包括晶粒度、显微组织形态、材料牌号（成分）、热处理状态等导致的声性能（声速、声衰减等）差异，与对比参考试块的声性能差异，表面光洁度，工件几何形状的影响（例如侧壁效应干扰、形状波干扰、迟到波干扰、波型转换干扰等）；（2）缺陷本身的影响，包括缺陷的种类与性质、内含物性质、开隙度或沿声轴线方向的厚度等因与材料基体声阻抗差异不同而导致的反射率变化。此外，缺陷上下界面的粘滞性、表面粗糙度、缺陷取向、缺陷形状、有效反射面积大小、埋藏深度以及在声场中的位置等都会造成声能衰减、指向性以及回波幅度大小的变化；（3）设备与工艺条件的影响，包括仪器性能，例如脉冲发生器产生的脉冲振幅与脉冲宽度、频带宽度，重复频率，接收放大器与显示部分的响应灵敏度、频率响应与频带宽度、线性、阻塞时间（或恢复时间），电源电压波动引起的线性或灵敏度漂移，衰减器或定量增益的精度，动态范围等等；探头的压电材料特性、压电晶片尺寸、谐振频率（中心频率）、阻尼、电阻抗以及转换效率等；仪器与探头的组合性能，例如灵敏度、阻抗匹配（包括探头电缆的阻抗匹配，以及探头电缆线太长时容易造成的信号传输损失），超声场形状或能量分布、超声频率、近场与远场、声束指向性等等；辅助设备的性能，例如水浸自动化探伤装置的机构精度；耦合条件，例如耦合剂的声学性能（声阻抗、声速、声衰减等），环境温度与工件温度，耦合剂的润湿性、粘度，以及耦合层厚度，它们都会影响超声波在界面上的反射率与透射率。此外，在检测工艺的确定上，例如探测面与探测方向的选择，以及其他检测条件参数的确定是否合适等等；（4）人为因素影响，包括检测人员的操作技术水平、操作调试与测量的准确性、观察误差、检测人员工作时的精神状态等等；（5）环境因素影响，包括电源电压波动、高频强力电磁场或磁场干扰、环境温度、环境噪声与振动、光线强弱等等。缺陷的记录与超声检测中发现并确认缺陷存在，作出判定与评定后，应及时在工件上标记缺陷的位置。标记的方法有多种，例如用油漆、记号笔、特种金属铅笔，直至电刻笔或用钢字头打印等等，标记的原则应当是标记清楚，不会被轻易抹去，但又必须注意所作的标记不能妨碍以后对该缺陷的复查操作。当有多个缺陷存在时，标记应当注意能够方便地区分出各个缺陷。检测结果应作详细记录备查。所作的记录应能清楚地反映当时的检测条件和检测结果，例如所用仪器的型号、探头型号与编号、耦合剂与耦合方法、工作频率、检测灵敏度、试块型号与编号、缺陷回波大小、缺陷位置、缺陷当量大小、缺陷长度、标记方式、检验人、检验日期等等。根据检验记录，应能进行复查并获得相一致的结果。在实际工作中，一般各企业视具体产品和检测对象、检验方法不同，都事先印制有一定格式的检测记录表格，以便于检测时填写和保存管理。最后，根据检测结果和对被检工件的检测验收标准要求，填写检测报告，作出检测结论。在实际工作中，通常是根据检测对象和检测方法的特点以及检测工艺要求，事先编制检验工艺规程（又称探伤图表、检验工艺卡、检验程序书等），检验说明书等工艺技术文件，提供给检验人员执行，并事先印制好检测的原始记录表格、检测报告表格等，提供给检测人员使用。不同检测对象、不同检测方法、不同检测人员的习惯以及不同企业的管理习惯，上述的工艺技术文件与表格可以有不同的形式，但基本上都应包括以下内容：委托单位；检验单位；受检件名称、图号、、编号、材料牌号、生产批号或炉批号、热处理状态、规格与数量、表面状态等；检测条件，如检验工艺规程编号或代号，使用的超声检测仪、探头、耦合剂、检测方法（包括检测参数的设定）；验收标准或技术条件、规范；检测结果；检测结论；检测者姓名与技术资格等级；检测日期；校对者姓名与技术资格等级。为了便于保存管理和查阅，检测报告书还应有编号。检测记录与检测报告都应妥善保存备查，其保存期限则有相应的规定。