磨床导轨面夹渣缺陷预防措施

第八章　夹杂类缺陷

夹杂类缺陷（Inclusion defects）是铸件中各种金属和非金属夹杂物的总称。通常是氧化物、硫化物、硅酸盐等杂质颗粒机械地保留在固体金属中内，或凝固时在金属内形成，或在凝固后的反应中，在金属内形成，包括夹杂物、冷豆、内渗豆、夹渣、砂眼等。

第一节　夹杂类缺陷的形成机理及防治理论

由于篇幅所限，这里重点介绍几种重要的夹杂类缺陷的形成机理及防治理论。

一、夹杂缺陷

夹杂物是一些嵌在金属中的外来颗粒物质。如果这些夹杂物位于铸件表面，则可在清理时除去，只在铸件上留下一些孔洞。

由于在这种缺陷中常包含着意想不到的夹杂物，因此，欲确定其真正原因，必须进行深入的调查研究。例如，这种缺陷可能是由于不慎，使外来物质落入铸型、直浇道或明冒口内而造成。因此，仅仅从造型方面寻找原因是不够的。这很可能是铸造设备、铸件设计、铸型安放位置或保养方面的问题引起的。例如，送砂皮带上溢出的砂子，有可能会掉入它下面敞开着的铸型，也可能是翻型或合型机上积有散砂，会不时落入敞开着的下型、直浇道或明冒口内。因管理不善而可能造成的种种疏忽，是常常存在的。

显然，如果铸件上出现了夹砂结疤、冲蚀结疤或冲砂，就会在铸件的其他部位产生夹砂或夹渣。浇注系统部位如出现上述缺陷，同样也会产生夹砂或夹渣。然而，由于浇注系统通常在铸件检查和报废之前已被除去，所以缺陷的缘由就无从查明。

对于一些经常出现的且具有一定规律的夹杂缺陷，必须带着浇注系统在清砂后通过检验以研究其成因。在内浇口、横浇道或直浇道上若出现膨胀缺陷、冲蚀缺陷或冲砂缺陷，尽管这种缺陷和铸件本身还有相当一段距离，仍很容易成为铸件上产生各种夹杂缺陷的源头。

造成夹杂缺陷的原因有以下方面。

1. 铸件和模样设计

因为夹砂和冲砂缺陷能引起夹杂，所以，导致铸件产生上述两种缺陷的设计因素也会极大地影响铸件产生夹杂缺陷。不利的设计因素有：铸件截面发生骤然变化、轮廓不规则、有很深的凹槽和一些会造成砂型翘裂而产生散砂。

2. 模样

（1）模样涂料选用不当。有些模样涂涂料后，有粘砂的现象。例如，在木模上，绝不能使用过期的、黏稠和脏的清漆或黏性高的、容易变稠而不易干透的硝基漆。这些涂料应避免涂在模样的金属辅件，因为除非金属表面粗糙，否则要把用于木模的漆料粘牢在金属上是很困难的。采用木模漆时，应避免不适当的搅拌和暴露在温度或湿度过高之处。

（2）下芯和合型的间隙太小，有可能把砂子碰落而掉入型腔。大多数油砂芯在烘烤时尺寸会胀大，胀大多少因油的品种、加入量和烘烤温度而异。因此，若制芯的方法有了改变，原来适宜的间隙就可能会变得不适宜了。下芯或合型间隙量，除高度方向以外，通常要比砂芯的实际尺寸大出一定尺寸。用呋喃树脂及类似材料制的砂芯在芯盒中硬化或部分硬化，其间隙可以小一点儿。这类砂芯和在芯盒外硬化的一般砂芯相比，尺寸往往小一些。

（3）未做圆角，模样上未做出内外圆角，铸型因而翘裂，致使型砂散落在型腔中。

（4）拔模斜度太小，在起模或合型时会使砂型翘裂或挤坏。这可能是在零件图改为模样图时把尺寸弄错了的缘故。有时在公差上有特殊要求，不得不采取特别小的拔模斜度，这样，就要采用精度特别高的造型机装置。

（5）铸件或浇冒口的模样固定不牢靠，特别当采用好的型砂时，型砂会慢慢地钻到模样下面而造成砂型翘裂。经常可以看到，若大幅度地提高型砂流动性或提高紧实度，就会发现拔模斜度有少量减小，在事前是觉察不到的。人们往往认为模样原来已经拧牢，而不再怀疑模样会有松动。

（6）与砂箱接触的模板表面磨损，也会出现掉砂或相当数量的散砂，并以夹杂的形式出现在铸件的某些部位。模板的接触面磨损，肉眼就能检查出来，应送回模样车间进行修补。

在大量生产时，上、下型分开造型，磨损处不那么明显，因为上、下两块模板是分别检验的。必须认识到，掉砂量将是上下模板磨损量之和；掉砂的范围也可能为用肉眼检查的二倍。

（7）分模面不准，会造成掉砂和出现松散砂。上、下型的台阶和凹凸部位相互配合不好会造成夹杂缺陷，这通常是由于疏忽或制模不准（人为的错误）。

3. 砂箱及其准备

在合型及下芯时，凡能造成相互磨蹭或相互刮碰的一切因素，都会使型腔中出现散砂。除这些因素外，可能还包括：砂箱翘曲、定位销和定位套磨损或扭歪、下芯不准确、组芯夹具不准、定位销和定位套上有脏物（溅上金属）以及砂型定位锥不合适。合型时出现这类毛病，通常是由于上型有很高的吊砂所致。因此，必须用较长的导销在合型开始阶段，当吊砂尚未进入下型之前引导上型进行合型，而不是依靠造型工人的熟练技巧。

如果箱壁太薄、砂箱法兰边太窄、箱带不够、焊接质量不好或砂箱焊接后没有彻底消除应力，都会使砂箱发生翘曲或扭曲。

4. 浇冒口系统

（1）能在浇冒口中引起夹砂结疤和冲砂的诸因素，如在型砂、制芯、造型等节中所阐述的，都能引起夹砂结疤、冲砂或冲蚀结疤的任何一种因素，都会造成夹砂，若砂子被熔融，则看上去就像是夹渣。就浇注系统而言，夹杂（或夹砂结疤）等缺陷，可能就产生在直浇道、内浇口或横浇道上，而不是在铸件上。除非对清砂后的浇注系统进行检查，否则，这种常见的夹砂根源是不容易查明的。如果浇口或铸型表面在浇注时被金属所覆盖，就会出现夹砂结疤。

（2）浇口设置不当，在浇口中应使先浇入的金属液成为后浇入的缓冲垫，在铸型浇满之前把型面盖没。这个原理同样适用于直浇道的底部，因为该处也常发生冲砂。

充填慢的浇注系统，在铸件的上表面结疤。充填速度缓慢，上型腔表面由于没有金属液的遮盖保护而暴露在热辐射之下。这个道理也同样适用于横浇道的上表面。所以，应该避免采用横浇道充不满的开放式浇注系统，因为这样横浇道的上部终将发生夹砂结疤，从而使砂料掉入浇注系统。

内浇口数量不足会造成冲砂，横浇道太小或节流太多，同样会在浇注系统中造成冲砂。挡渣片的强度低，尤其是当渡过的金属液过多时，就有可能把挡渣片冲坏而带入铸件内。挡渣片的支撑面不够，也会被冲坏或冲蚀，使散砂卷入型腔。

某些浇注系统本身就有可能产生夹杂物或者促使铸件出现夹杂缺陷。例如，浇口杯中的挡渣坝如果挡不住熔渣或浮渣，就会使其流入直浇道；又如集渣包位置放得不对，以致金属液越过集渣包之后又有渣子形成；也可能是集渣包太小，容纳不下所有流入浇注系统的渣子。在迅速流动的金属液中，渣子很可能漂浮不起来，而是随着金属液一道流动，直到碰上或粘到砂型表面为止。设计浇口杯时，应避免使金属液在浇口杯中产生旋涡，并且尽量使渣子留在浇口杯中。

挡渣片（过滤网）网孔面积比率与横浇道截面匹配不当，挡渣片可能什么也挡不住。只有整个浇注系统设计得合理，挡渣片和横浇道才能作为节流的一种手段。挡渣片的强度低或有破损是造成砂子进入铸型的直接原因。

浇冒口系统中使用的发热材料，如果其反应后的副产物进入型腔，就会造成夹渣。如果所设计的浇口杯难以达到或保持充满状态，也会引起夹杂缺陷。

5. 型砂

（1）引起砂型和浇注系统中产生冲砂和夹砂结疤的诸因素，不论在型腔或在浇注系统中产生上述缺陷，对形成夹砂多少都将产生影响。因为型砂是产生膨胀缺陷的主要原因之一，夹砂的根源已经找到和查明之后，对那些有关的细节应当再仔细地研究一遍。

（2）型砂中有低熔点的物质。如果砂料熔化或含有能转变为渣子的低熔点物质（金属氧化物）进入铸件，也是产生夹渣的一个根源。浇注系统中这种低熔点产物尤为危险，因为它会在金属液温度最高的时候随金属一起进入型腔。金属液的温度在内浇口和横浇道中比在铸件中要高一些，因此，浇注系统中的型砂应经得住金属液流的冲刷。

6. 制芯

（1）引起砂芯冲砂和夹砂结疤的诸因素，即凡能在铸件靠砂芯一侧造成冲砂、冲蚀和夹砂结疤的诸因素，均能转移砂子而造成各种夹杂缺陷。但夹杂缺陷并不在砂芯有毛病的地方，因而给检查带来了困难。

（2）砂芯清扫不良。如果砂芯未经仔细清扫就被放入铸型，则附在砂芯上的浮砂和即将掉下来的散砂或涂料碎片，都易被金属液流冲走。

（3）铸型或浇注系统中的砂芯溃散过早。砂芯溃散过早（包括挡渣片）会产生散砂。这些砂料以夹砂形式出现或因混有低熔点的黏结剂被熔融，而出现夹渣。溃散的砂芯变成散砂，甚至是一些小块，而后者熔化以后会形成相当大的夹渣。发气大的砂芯甚至可以把砂粒吹入金属液内。

7. 造型工艺

（1）引起冲砂和夹砂结疤的诸因素，凡能在砂型及浇注系统中引起夹砂结疤、冲蚀、局部塌型、掉砂和能使砂型移位的造型工艺，均会引起夹砂缺陷。在浇注系统中，应避免舂砂不匀。

（2）造型操作不细心，在合型前没有仔细检查浇注系统和型腔。

（3）脱模剂用量过多，会降低型砂的熔点而产生熔渣缺陷。在浇注系统的脱模剂还可能进入型腔而形成夹杂缺陷。

（4）从砂芯或砂型上掉下散砂，操作工人没有注意到。

8. 金属成分

某些合金因成分不正确，会析出熔渣或渣状物质而产生夹杂缺陷。例如，含硫高的灰口铸铁液，在冷却的过程中会有硫化锰渣子析出；铅青铜在成分不完全平衡时，会出现类似析出的现象。

9. 熔化工艺

（1）添加的合金或孕育剂没有熔化尽，就会呈固态进入铸型，并以夹杂形式出现。

（2）添加的合金形成浮渣，必须在浇注前将其撇除或在浇注系统中将其挡住。

（3）耐火材料质量不好，就容易和金属液形成熔渣。如果耐火材料太湿或膨胀值太大，就可能产生剥落。

10. 浇注工艺

（1）浇包没有预热，会导致金属液温度下降太快，以致熔渣不能很好地分离出来。

（2）挡渣不慎，浇注时挡渣疏忽，使过多的熔渣进入了浇注系统，部分进入了型腔。

（3）浇注温度低，是发生夹杂的常见因素。

（4）浇注间断或浇注速度太慢，使直浇道不能保持充满状态，就会破坏浇注系统地撇渣作用。

（5）对于离心铸造来说，防止夹杂缺陷的措施如下。

①严格熔炼工艺。铝合金熔化时，要严格控制温度，用六氯乙烷除气精炼，除净熔剂渣。对缸套等铁液也要施行有效地精炼，以去除夹杂和脱气。

②注意浇注时挡渣和聚渣。浇注前应彻底清除浇包中熔剂渣。另外，可在浇注铁液时向液流中均匀撒入精炼剂，由于精炼剂主要组元熔点较低，它能使夹杂物聚合，覆盖在铸件内表面，延缓内表面凝固，使夹杂物能不断浮出。

③铸型内应清洁干净。

④涂料应有足够的强度，喷涂或滚挂工艺应合理，确保涂料能牢固地黏附在铸型上，不被金属液冲到金属液中。喷涂时铸型温度应合适，喷涂层厚度不可过厚。滚挂时，涂料应有一定黏稠程度，涂料要均匀、不分层。

⑤对易产生夹杂的合金，浇注温度和铸型温度要适当高些，铸型转速也应适当高些。

二、夹渣缺陷

夹渣缺陷是因浇注金属液不纯净或浇注方法和浇注系统不当，由裹在金属液中的熔渣、低熔点化合物及氧化物造成的铸件中夹杂类缺陷。由于其熔点和密度通常都比金属液低，分布在铸件顶面或上部以及型芯下表面和铸件死角处，断口无光泽呈暗灰色。渣滓的颜色因渣系不同，颜色也不同，渣孔形状不规则。铸件表面的夹渣，落砂清理时，渣滓脱落而只留下熔渣的孔穴。铸件内部的夹渣，通过X射线、超声波探伤检验或机械加工，才能发现。

防止方法如下。

（1）在浇道上设滤网。在浇道上设滤网可以防止金属液中的夹渣进入型腔，从而保证铸件质量。

（2）熔炼工艺。主要是控制金属炉料，尽量少带入夹杂物。例如应用滚筒等措施，去锈除脏，避免合金材料大量烧损；金属液适当地静置，有利于非金属夹杂物上浮、聚集。浇包保持清洁；浇注前可加入除渣剂，如稻草灰、冰晶石粉等，以利于聚渣和扒渣等。

（3）浇注系统设计。浇注系统设计要合理，具有挡渣功能，使金属液平稳充填铸型。

三、砂眼缺陷

铸件表面或内部包容着砂粒的孔穴，称为砂眼。铸件表面的砂眼，清理时砂粒脱落而留下孔穴。

（1）产生的原因如下。

①砂型的表面强度差，金属液充型时砂粒被冲下，夹在金属液中。

②金属液流冲击最厉害处，易被冲坏，砂粒留在金属液中。

③合金熔点越高，热作用就越剧烈，铸件越容易产生砂眼。

④操作失误，合型时型腔中的散砂没清除干净或所刷的涂料剥落造成了砂眼。

（2）防止方法如下。

①提高砂型型壁表面强度。例如黏土砂中添加糖浆，湿型型壁表面喷稀释的糖浆液或水玻璃。

②砂芯及浇注系统中设置的砂芯过滤器，应有足够的高温强度，耐金属液流的冲刷、冲击，以免被冲坏，形成砂眼。

四、夹杂类缺陷的防治措施总结

各种主要的夹杂类缺陷的名称、定义和特征、鉴别方法、成因及防治补救措施总结如表8-1、表8-2、表8-3、表8-4、表8-5、表8-6、表8-7。

表8-1　夹渣缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

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表8-2　冷豆缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

表8-3　内渗物缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

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表8-4　砂眼缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

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表8-5　外来金属夹杂物缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

表8-6　渣气孔缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

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表8-7　渣缩孔缺陷的特征、鉴别方法、成因及防治措施

第二节　夹杂类缺陷的防治实例

案例1　6063铝合金铸棒生产中夹杂类缺陷的防止

生产条件及存在问题　某电解铝厂生产的6063合金铸棒，所用原料为电解铝液，采用竖井式半连续铸造法生产，熔炼炉与静置炉共用一台15t电阻反射矩形熔铝炉，采用钢丝绳卷扬式半连续铸造机，在铸棒生产中存在有夹杂、偏析、裂纹、气孔、疏松等缺陷，其中较为严重的缺陷是夹杂、裂纹和羽毛状晶现象，因此，在现有装备条件下，如何使产品的质量缺陷得到有效的控制，是6063合金铸造生产的关键。

缺陷形成的机理　铸棒中的夹杂主要是非金属夹渣，如金属氧化物Al2O3、MgO、熔炼炉耐火材料颗粒、熔体净化时产生的氮化物、流槽和工具上所带杂物等。这些夹杂分布极不均匀，大小、形态各异，严重地影响了质地的连续性，为后续加工产生废品埋下了隐患，其产生的主要原因有以下两点。

（1）铝熔体精炼除渣不彻底造成夹杂。由于电解铝液中含有冰晶石、氧化铝等直接从电解槽中带来的非金属盐类杂质，配料过程中加入的废料含有较多的氧化膜以及油污、泥沙、熔铝炉没有及时清炉或扒渣、炉底破损等情况，都会对铝液造成污染，如果精炼不彻底，精炼温度、静置温度及静置时间不合理，对熔体净化处理所采用的精炼剂及覆盖剂效果不佳，必将造成产品夹杂。

（2）操作不规范造成夹杂。铸造过程中，操作工具不干净，浇注系统没有清理干净等原因，使铝液受到再次污染，而在浇注时将杂质带入熔体造成夹杂。另外，由于铝液表面极易形成一层致密的氧化膜，使铝液从熔铝炉出料口到流槽、过滤箱、分配器、结晶器，形成一个封闭的浇注系统，在浇注过程中保证了铝液的净化效果，如果浇注流量控制不当，流量波动起伏，流体不平稳，必将造成浇注系统表面氧化膜不断破损并卷入熔体，形成氧化铝夹杂。

解决措施

（1）将电解铝液平稳地注入熔铝炉，加入的固体料必须经过严格检查，不带泥沙、水、油污等，投料操作必须轻放轻推，避免投料造成炉底破损，每班清炉一次，清炉做到干净彻底，每次配料必须将炉膛内的浮渣扒干净。

（2）熔体的精炼是消除夹杂的关键。把熔体的精炼温度控制在730～750℃，静置时间在20～30min，采用优质的精炼剂，并将单一的溶剂精炼改为氮气喷粉精炼，提高了精炼的效果，实践表明对消除和降低夹杂有明显效果。

（3）各种操作工具必须保持干燥、清洁，铸造时，尽量使铝液平稳地注入结晶器，避免铝液冲击表面氧化膜，造成氧化膜破损并卷入铝熔体中，形成新的氧化夹杂。

（4）泡沫陶瓷过滤板由原来的过滤板面与水平面成45°过滤，改为与水平面平行，铝液靠自重由上而下过滤，过滤板由15目改为25目，提高过滤效果。实施以上措施，6063合金的夹杂缺陷得到了有效地控制。

案例2　CO2水玻璃砂夹砂缺陷的解决措施

生产条件及存在问题　某公司用CO2水玻璃砂生产铁路货车摇枕、侧架等铸钢件。2001年，生产的摇枕、侧架铸件上出现了严重的夹砂缺陷，其部位在内浇口引入型腔的平面及侧面，导致铸件报废上百件，造成很大的经济损失，高达几十万元。

缺陷形成机理　当砂型中浇入金属液，在型腔尚未充满和金属液尚未凝固时，一方面，金属液对型腔表面砂层热作用，砂型表面层温度急剧上升，因而表面层受热急剧膨胀，产生热应力；另一方面，砂型表面层产生的水蒸气通入砂型内部时，被冷却而凝聚在表面干燥层的下面，成为水分饱和凝聚薄层。此层热温强度很低，仅为正常状态湿强度的几分之一。由于石英膨胀、热应力的作用，迫使表面层有沿着水分凝聚层滑动而拱起的趋势。此时，金属液尚未充满，金属液的压力作用迟于表面层的拱起开裂。砂型开裂后，当金属液从破裂处侵入冷却凝固后，就形成夹砂。

水玻璃型砂，在低温时，由于铸型的刚体性质，不能吸收膨胀，产生的应力就大；相反，在具有大膨胀量的高温下，由于铸型显示出黏弹性的性质，在某种程度上可以吸收膨胀，所以应力小。因为水玻璃砂具有这种加热后，开始时膨胀，但是随后就收缩的特性，故不易产生夹砂。

在以石英砂颗粒为骨干的铸造条件下，型腔表面砂层的热膨胀和铸型内的水分迁移是形成夹砂的外因。砂层膨胀造成的热应力是表面拱起的动力，砂层的容让变形能力和层与层之间的连接强度是表面拱起破裂的阻力。从这个意义上讲，夹砂产生的原因是摇枕、侧架浇口侧热作用强，型砂热膨胀大，容让变形能力差，表面砂层与里层的连接强度不足和型砂中水分高（铸型吹干不足）。从夹砂形成的时期看，在铸型尚未充满的时期。从这个意义上讲，夹砂生产的时期与铸型的吹干程度有紧密的联系：吹干不透，干强度差，砂型容易缩短夹砂发生临界时间。从发生夹砂缺陷的情况看，夹砂发生在浇口引入处的平面距离型腔界面较近的表层或较深层，说明金属液的热作用强，型砂的热膨胀大。这主要取决于原砂的化学组成的性质和粒度的级配。同时，铸型在二氧化碳硬化时，透气性差，脱水不好，水分含量较高，强度不足，透气性不好，导热性差，水分饱和凝聚区离铸型界面很近或较近，易缩短夹砂临界时间。

解决措施

（1）减轻热膨胀，延缓夹砂时间，提高容让能力。

①采用膨胀系数小的原砂，即选择好的砂源。主要从砂源化学组成、粒度和粒度级配上提高容让能力，选较粗的原砂。原来用交城50/100目原砂，改为用海城40/70目原砂，效果明显。

②降低浇注温度，用快的浇注速度，以减少热强度和过热时间。原来浇注速度28～38s，现在浇注速度25～35s。

③避免大平面处于水平浇注，斜浇或者尽量让大平面远离内浇道过热区。摇枕、侧架采取改内浇道引入位置，由上面改在侧面，工艺较复杂，效果不明显。

④控制型砂的紧实度，在造型机造型的条件下，进行两次补充紧实，有一定的效果。

（2）提高铸型连接强度，迁移水分饱和区远离型壁。

①型砂适当增加水玻璃的含量，控制合适的水分，以提高干强度。水玻璃加入量由7%提高到8%。

②造型增加面砂厚度。一通过厚度增加，提高铸型的有效强度壁厚；二使含水量高的背砂远离型壁，水分饱和区也相应远离型壁。面砂厚度由原来的30～40mm，增加到50～100mm。

③铸型二氧化碳吹硬，在罩内装电热板加热。一通过加热和二氧化碳联合硬化提高铸型强度；通过联合硬化，降低铸型的型壁水分，水分越少，夹砂临界时间越长，抗夹砂能力增强；同时，吹气时，扎好通气孔，便有利于提高硬化强度，降低型壁硬化层水分。工艺措施上要求吹气罩内加电热板，铸型上有足够的通气孔。

④型砂中增加促硬成分，以提高铸型整个面砂部分的硬化强度，同时，改善溃散性。在面砂中，加入有促硬成分的改性剂0.5%。

⑤在大平面上插钉子、刷涂料，增加连接强度。原工艺措施要求浇口侧大平面插钉子、刷涂料。

⑥改善背砂的强度和透气性，以满足保证面砂的需要和改善吹硬效果，同时，改善铸型的导热性。在一定的时期更换背砂，用30/50目砂子。

案例3　EQ153转向器壳体的夹渣防止

生产条件及存在问题　EQ153（东风8t平头柴油车）的转向是靠液压驱动来实现的。其转向器壳体铸件需承受21MPa的油压，不得有渗漏和损坏。因此，要求其内腔表面及密封端面组织致密且无任何微小的孔眼类缺陷或其他缺陷存在。该铸件材质为QT420-10，毛坯轮廓282mm×257mm×131mm，最大壁厚43mm，最小壁厚14mm。采用BMD造型机高压造型，砂箱尺寸1050mm×700mm×300mm，砂型硬度大于55（C型硬度计），水平分型铸件尺寸如图8-1所示（图中K处为夹渣形成部位），铸件重17.2kg。铸件内腔由壳芯成型，熔炼设备为10t工频无芯感应炉；铁液用稀土镁合金进行球化处理，硅铁孕育处理夹渣产生于铸件内腔及两端面，以分型面为基准，在上半部分且靠近两端面处较多，见图8-1K处，深度在距内腔表面7mm范围内，大小在5mm以下，有颗粒状亦有细小的点状，只有在加工后方可看到。其中较大的颗粒状为一次渣，主要是由于球化处理过程中，产生的颗粒状的渣未清理干净而浇入铸型所致。细小的点状为二次渣，是在处理完毕清除熔渣后到凝固完毕这个时期内产生的。

解决措施

（1）浇注系统。为了消除因浇注系统造成的紊流，采用半封闭式浇注系统，其各部分截面，F直∶F横∶F内=1.4∶1.6∶1，横浇道的截面高度与宽度之比由原来的1∶1.5改为1.5∶1。利用横浇道截面积最大，充满较晚，可以有效地降低液流速度并使充型平稳，同时增大了横浇道和内浇道的截面积以缩短整箱的浇注时间（12～14s），这样就减少了二次氧化渣的产生。此外，在横浇道上设置一陶瓷过滤网，其位置如图8-2所示，过滤网规格为75mm×75mm；网眼大小定为4mm×4mm。过滤网可以有效地去除铁液中的一次夹渣物和小于1/6～1/5孔眼尺寸的二次夹渣物。同时由于静电吸附作用，吸附几十微米的夹杂物。

（2）浇注温度。由于浇注温度越低，产生的氧化物夹渣越多，根据原工艺的生产和渣孔产生的情况，严格规定浇注温度在1380～1420℃之间。对于球墨铸铁铁液来说，在浇注及充型过程中，稀土元素、镁、硅等由于接触空气的缘故与氧发生反应，结果在金属液表面形成一层氧化薄膜，浇注温度越低，结膜出现夹渣的几率就越大。提高浇注温度则可以延缓氧化膜的生成，防止熔渣进入型腔。

（3）控制球化剂加入量。在保证球化的前提下，降低球化剂的加入量（从原来的1.3～1.6降至1.2～1.4），以降低铁液的残留镁量和残留稀土量。同时为了提高球化剂中镁吸收的稳定性，在加入球化剂的同时，在铁液表面加适量的铁屑覆盖，以确保球化效果的稳定。

（4）严格扒渣工艺操作。对处理后的铁液，扒去浮渣处加盖（0.15%）冰晶石粉，以防铁液在运往浇注工部时氧化，而且便于在浇注前扒净铁液表面的浮渣。经过上述改进后，夹渣缺陷得到了解决。

图8-1　铸件轮廓尺寸图

图8-2　铸造工艺方案图

1.直浇道；2.横浇道；3.冒口；4.过滤网；5.型腔；6.砂芯

案例4　防止氧化夹渣在有色合金铸件中的形成

生产条件及存在问题　有色合金在高温下易产生氧化夹渣。为了得到高质量的铸件，防止氧化渣在铸件中的形成就显得非常重要。

解决措施

在熔炼有色合金和优化浇注系统两方面采取措施。

（1）熔炼工艺措施。

①在熔炼时，必须进行快速熔炼，尽量缩短熔炼时间，这对减少合金液吸气和氧化渣的形成是很重要的。具体办法是：每次第一炉炉膛要预热，方可投料；炉料预热；连续熔炼。

②要用覆盖剂对炉料进行覆盖，避免合金液与空气直接接触，减少氧化机会。

③在熔炼中期至末期造成还原剂气氛，使一部分氧化渣还原成原金属。

④去除合金液中气体的操作可把合金液中的氧化渣带到合金液表面来，进行清除。

⑤选择合适的浇注温度，不宜过高。

（2）铸造工艺措施。在设计铸造工艺，选定浇注系统的形状及其参数时，必须慎重考虑。尽管我们在熔炼浇注时对氧化渣进行了总体上的控制，但在有色合金液浇注到型腔的过程中，又很容易产生二次氧化渣。这就要求在设计浇注系统时，第一要少产生“二次氧化渣”，第二浇注系统要具有较强的挡渣能力。一种导电管的铸件，材料为ZL104，其要求如图8-3所示。原铸造工艺是金属型铸造，一模两件，圆形直浇口及六道内浇口开放式的浇注系统见图8-4。其截面积之比为F直∶F内=1∶1.33。由于浇注高度较高，落差大，当合金液从浇口杯进入直浇道中时，很容易将空气卷入合金液中，形成“二次氧化渣”及气孔。此浇注系统由于是开放式的，其挡渣能力差。当合金液从底部内浇口进入型腔。上升到第二道内浇口高度时，不再从底部内浇口进入型腔，而直接从第二道内浇口处进入，将已产生的氧化渣覆盖，第三道内浇口亦然。在铸件中形成了氧化渣孔及气孔，铸件加工后合格率只有15%～20%。

经过反复分析研究试验，我们仍使用金属型，一模两件，但更改了浇注系统。采用半圆形蛇形直浇口及两道内浇口封闭式的浇注系统，其截面积之比为F直∶F内=1.23∶1，但内浇口进入型腔处是开放的，使合金液平稳进入型腔，不产生飞溅。这种浇注系统，第一由于是半圆形直浇口，当合金液从浇口杯进入直浇道中流动时，所形成的涡流，被半圆形所切割而破坏，不易卷入空气形成“二次氧化渣”及气孔。第二由于是蛇形直浇口，合金液得到了缓冲，使流速降低，其在直浇口中流动时很平稳，不易产生“二次氧化渣”，由于是封闭式的浇注系统，其少量的氧化渣被挡在直浇道中，不会进入型腔。铸件加工后合格率达到95%以上。这种浇注系统在铜合金套类铸件应用，效果也是很好的。

图8-3　铸件图

图8-4　原金属型浇注方案

案例5　镁合金铸件熔剂夹渣缺陷的预防

生产条件及存在问题　由于镁合金铸件生产过程复杂，给生产带来相当的难度，其中熔剂夹渣是镁合金非金属夹渣缺陷中较突出的问题。

缺陷产生机理分析　铸件出砂后大面积的熔剂夹渣呈暗褐色不规则形状，出现在铸件表面，肉眼就能发现，另外，较小面积分散的熔剂夹渣有时处于表皮较浅处不易发现，要经酸洗氧化后置于空气中8～12h或更长时间才能表露出暗褐色斑点，停放一段时间，暗褐色斑点处会长出白毛。铸件内部熔剂夹渣要经X射线透视才能发现，在X射线底片上一般呈不规则白色斑点，经加工后，加工面上的熔剂夹渣在空气中1～4h后，就会见到褐色斑点，停放时间长一些后会长出白毛。熔剂夹渣一般分布在铸件浇注位置的下部、内浇道附近及死角处。

实践发现，镁合金熔剂夹渣产生的原因，主要是在熔炼工艺操作及铸件工艺两方面存在问题。

（1）熔炼工艺操作方面。

①在熔炼过程中使用未经充分干燥脱水的熔剂，会大幅度降低熔剂的覆盖和精炼效果，致使精炼效果下降，这不仅不能净化合金，反而使合金液中存在大量的熔剂，从而产生铸件熔剂夹渣。

②合金精炼后应有足够的静置时间，若浇注前静置时间不足，悬浮在合金液中的夹杂物没有足够的时间上浮或下沉，浇注时会被带入型腔中，形成熔剂夹渣缺陷。

③在洗涤用于浇注和熔炼的工具上的脏物时，熔剂坩埚内的洗涤熔剂温度不能低于750℃，因为750℃时洗涤熔剂的黏度小，便于洗涤熔剂工具。否则，浇包和熔炼工具上的脏物不仅不能洗掉，洗涤熔剂会黏附在浇包和熔炼工具上被带入合金中。另外，洗涤熔剂使用脱水光卤石，其在700℃时密度为1.598g/cm3，纯镁为1.54g/cm3，ZM5合金为1.61g/cm3。熔剂与镁合金液的密度差小，不易分离，从而产生熔剂夹渣。

④含锆镁合金在高温下进行配制，必须使用大量熔剂进行保护。原材料锆氟酸钾与熔剂反应生成以氯化钾为主要成分的夹渣，降低熔剂的黏度和密度，增强流动性，从而使合金中存在许多在精炼时也不能完全去除干净的熔剂夹渣，浇注时被带入型腔。

⑤熔炼稀土镁合金，稀土元素较易与熔剂发生反应，产生RECl3，在合金液中被带入型腔内形成熔剂夹渣缺陷。

（2）铸造工艺方面。

①浇冒系统设计不合理，容易造成熔剂夹渣缺陷。冒口开设小，浮渣不充分，铸件死角、厚大部位以及排渣冒口都较易产生熔剂夹渣。镁合金浇注方案应尽量采用底注，开放式，平稳充型和顺序凝固。

②通常利用过滤网、钢丝绒来挡渣。由于过滤网插放不当或钢丝绒太松，效果不好，产生熔剂夹渣缺陷。

③浇注温度过低，合金液中的熔剂夹杂物来不及排出铸件就已经凝固，从而熔剂夹杂物停留在铸件内。

解决措施

①合金液精炼结束至浇注前，应进行时间不少于15min的静置，静置完后清除液面熔渣，此时至浇注完毕应使用硫磺与硼酸混合物进行保护，禁止使用熔剂，避免熔剂被带入铸型而产生夹渣。

②熔剂坩埚内的液态洗涤熔剂温度不低于750℃，并洗净所有熔炼工具与浇包，浇包洗净后包底应朝上、嘴朝下，滴净包内所有熔剂方可浇注。

③针对不同牌号镁合金，配制适用的合格熔剂，如含锆镁合金不能使用ZM5合金用的精炼熔剂。含锆镁合金采用加大密度，增加熔剂黏度的专用熔剂（熔剂黏度增加，熔剂和合金液易分离，密度加大，夹渣物下沉快）。因为含锆镁合金产生夹渣的机会及杂质含量均比ZM5合金多，而镁合金精炼采取的是“下部熔剂法”，即用搅拌勺插入合金液2/3深处上下搅拌，使镁液上下循环流动，把经充分脱水的熔剂撒在液面上，使其随着上下翻动的液流和镁液充分接触，多次循环把悬浮在镁液中夹杂物沉淀到坩埚底部。含锆镁合金所用的精炼熔剂是在ZM5合金所用熔剂基础上增加CaF2和BaCl2，目的就是使含锆镁合金液中悬浮的夹杂物与合金液容易分离沉淀，但BaCl2含量不宜大幅度增加，否则熔剂下降太快，使熔剂覆盖性能降低。熔剂在使用前需经充分脱水处理后才能使用。

④铸造工艺设计时，应尽量采用底注式顺序凝固方案，开放式缓慢充型；同时设计合理的冒口来排渣和补缩，在铸型中正确插放过滤网和钢丝绒，注意浇注温度不能过低。

案例6　磨床导轨面夹渣缺陷预防措施

生产条件及存在问题　2M9120A多用磨床床身，图纸要求：铸件外形尺寸准确，表面光滑，棱角清晰，导轨面不允许有砂眼、气孔等缺陷，且要求硬度HB198；该铸件重145 kg，选用HT200浇注。该件沿用黏土砂、分开模、两箱造型，干型、干芯，铸件大部分在下箱、导轨面朝侧放置，上箱设有5个出气冒口；其铸造工艺简图如图8-5所示。采用中频感应电炉熔化铁液、水玻璃砂造型铸造了一批床身铸件，其表面质量尚好，并在4m龙门刨粗加工，人工时效后，没有暴露出质量问题，但在精加工过程中发现在V形导轨面出现氧化渣孔等铸造缺陷，废品率高达40%以上。

解决措施　电炉熔化铁料，浇注温度过高；浇注过程中挡渣不好，致使铸件产生氧化夹渣。回炉铁中夹杂球墨铸铁浇冒口，其中残留的镁和稀土元素，且型、芯出气不畅，致使铸件产生皮下气孔缺陷。浇注速度过快，卷入气体或浮渣。

（1）采取了以下改进措施。

①不再加球墨铸铁回炉料。

②外浇口设挡渣板，浇注时严格挡渣并及时引气。

③浇注时采用高温出炉、低温浇注，浇注温度不超过1390℃。

④浇注时开始慢浇，中间快浇，快浇满时慢浇。但浇注了12个床身，粗加工、精加工后，V形导轨面铸造缺陷问题虽有改观，但仍未得到彻底解决，废品率仍高达25%。

（2）为此，我们又从造型材料和制型、芯工艺等方面查找原因并采取相应措施。

①选用高模数的水玻璃和大粒度原砂造型材料，减少型砂中残余水分，提高砂型的透气性。

②把造好的砂型、砂芯，经CO2硬化并经自然干燥一段时间后，在型腔表面涂刷一遍快干涂料，将砂芯进烘窑进行烘干，以减少砂型表面及砂芯中的水分。

③对铸造工艺作了相应调整，在直浇口与铸型之间增设直径100mm的冒口；下芯、合箱、锁箱后，将放置浇口的型箱一端抬高约150mm倾斜浇注。这样铁液由直浇口流入横浇道、内浇口进入铸型过程中平稳流动，气体便于从出气冒口排出；铁液中的杂质最后集中在冒口顶部，并利用冒口对导轨面最后凝固的部分进行补缩。经过上述改进，废品率控制在5%以内。

图8-5　2M9120A多用磨床床身铸造工艺简图

案例7　球墨铸铁冷却壁上表面夹渣的防止

生产条件及存在问题　某厂用7t/h冷风冲天炉生产铸态QT400-20高炉冷却壁1000t，冷却壁本体性能稳定，满足技术指标要求，心部伸长率达到15%。生产中存在的主要问题是厚大冷却壁上表面不同程度夹渣。

缺陷产生机理分析　上表面夹渣较为严重的冷却壁质量2.5～4t，壁厚300～400mm。冷却壁浇注后，冷却壁内部的冷却水管和微孔铝碳砖吸收热量，起到一定的冷却作用。但由于冷却壁厚大，冷却速度缓慢，液态时间较长。

夹渣形成的原因：①球化处理时产生的氧化物及硫化物等杂质在浇注之前未清理干净，随铁液流入铸型所致；②浇注过程中以及铁液凝固前的一段时间内产生的渣。夹渣颜色以黑色、暗灰色为主，还有少量灰白色渣。初步断定，渣子是由漂浮石墨、硫化物以及镁和稀土的氧化物组成。

经过分析认为影响夹渣缺陷的因素：碳当量、浇注温度和滞留时间、出铁方式、镁和稀土含量。

（1）碳当量。当球墨铸铁原铁液含碳量越高，碳当量过共晶度越大，在一定处理温度下，处理后减碳越多，减碳造成铁液表面混浊膜越厚，越难将液面扒净，随金属液流入型内。而且，当碳当量高时，冷却壁浇注后，铁液在较高温度析出石墨，由于石墨的密度比铁液小，在镁蒸汽的带动下，使石墨漂浮到冷却壁的上表面。冷却壁越大，同样的碳当量、石墨漂浮越严重。

（2）浇注温度和滞留时间。一般情况下，对于厚大冷却壁，浇注温度越高滞留时间越长，出现石墨漂浮的倾向越大，因为铸件长时间处于液态，有利于石墨的析出上浮。铁液长时间在型腔内与冷却水管、砖、型壁作用，会形成更多的熔渣出现，最终大部分浮到冷却壁上面。

（3）出铁方式

采用“二次出铁”作球化处理时，即先出2/3左右铁液，球化反应平静后再冲入1/3高温铁液。此种惯用工艺的问题为：第二次从冲天炉出来的铁液含硫、氧及杂质多，重新与镁、稀土反应。此时，铁液已失去镁蒸汽的搅拌翻腾作用，新生成的夹渣微粒也失去很快上浮的有利条件，保留在铁液中，造成后来的夹渣。相反，“一次出铁”球化处理效果较好。

（4）稀土和镁含量。近年来，研究认为，夹渣主要是由于镁、稀土等元素氧化而致，因此，残镁和稀土不应太高。

解决措施

（1）控制铁液化学成分。

对于厚大冷却壁的生产，碳当量控制在4.2%～4.3%为宜，其中碳3.4%～3.6%，硅2.2%～2.5%。铁液处理后，减碳量最好小于0.1%。尽量降低原铁液含硅量，达到终硅量较低时，加大炉前孕育量，增加孕育效果。

（2）采用“一次出铁”球化处理工艺。具体做法：处理包一次接够铁液，待球化剂反应完毕，扒净包内反应渣后，倒入浇注包内孕育处理（包内提前放好孕育剂）。

（3）防止稀土、镁的氧化。对于厚大冷却壁，Mg残的w为0.03～0.05%，RE残的w为0.02%～0.04%。具体做法：处理5t铁液，球化剂粒度选择10～20mm，用8～10mm钢板覆盖，出铁时间30～40s球化剂开始起爆，反应时间150～180s。

（4）严格控制温度。用钇基重稀土球化剂生产冷却壁时，通常要求球化处理温度1410～1430℃，1270～1290℃进行浇注。同时铁液出炉到浇注之间的滞留时间控制在15min之内。

案例8　树脂自硬砂铸造“气渣坑”、“气渣隔”缺陷防止

生产条件及存在问题　“气渣坑”和“气渣隔”是树脂自硬砂特有的铸造缺陷，“气渣坑”曾称之为“渣斑”。这些缺陷常出现在铸件表面，严重影响铸件表面品质，若其深度超过加工余量范围时将导致铸件报废。

缺陷形成机理“气渣坑”和“气渣隔”缺陷常常出现在厚大截面、浇注高度较小的、浇注位置向上的大平面，有时侧面也出现，大平面向下浇注时，铸件的上部也出现过。轻微的“气渣坑”面积100～600mm2，深度0.1～1.0mm。铸件落砂后涂料层随同砂块剥落即可明显看出；涂料层未剥落的，凡鼓出部分，去掉涂料层即显黄色渣斑。严重的“气渣坑”深度可达20～30mm，面积也很大，与厚大截面铸件的“缩沉”缺陷相类似，很易混淆。仔细观察，看不到“缩”的迹象，解剖后断口组织致密。坑的表面大部分伴有黄色渣层，有时在坑的周围还能看到未充分燃烧的炭黑烟层。个别铸件在加工后可以看到“气渣隔”。严重的在落砂时即能看到“气渣隔”为铁液充填、类似“冷隔”，但中间为渣层分开。所以称其为“气渣坑”，是因为其生成的主要原因是“气”。

由于树脂自硬砂发气量大，但其透气性好，因此产生气孔的几率并不比其他砂种铸造时高。浇注时，当铸件的结构形状易于在某些部位形成“气袋”而铸型的透气率又不足时，“气袋”的压力又足以阻止铁液进入该部位型腔，如厚大截面铸件的大平面向上浇注时，因为树脂自硬砂铸造要求快浇，铁液上升速度很快，虽然在大平面上设有多个出气溢流冒口，但因被很快上升的铁液充填而失去排气能力，此时整个型腔并没有被铁液真正充满，尤其是在气体集积的“气袋”处，铸型表面为涂料层覆盖因而大大降低透气能力，由于“气袋”占据了型腔的一定位置，铸件表面就出现了与“气袋”形状一样的凹坑。经过一定时间后“气袋”内的气体溢出，压力降低，较铁液凝固温度低的熔渣流向“气袋”凹坑，这样就在凹坑内形成一层黄色熔渣。浇注后期一般要进行补浇，补浇的铁液进到被熔渣覆盖的凹坑，就形成了中间为熔渣隔开的“气渣隔”。

解决措施

（1）减小型砂发气量，增大型砂透气性。

①降低树脂加入量，尤其是采用再生砂时，树脂加入量不宜超过1.5%。

②提高再生处理脱膜率，灼减量不应超过3.5%。

③严格控制粉尘含量，厚大截面铸件宜采用较粗原砂。

④加强铸型人工通气，填砂后扎出通气孔，孔径φ3～φ5mm，孔距60～80mm。

（2）加强浇注时，型腔气体的排出能力和排出速度。

①分型面设置出气溢流冒口，溢流部分的截面积必须大于内浇口截面积。

②合理封箱，使分型面达到既能出气，又不会跑漏铁液。

（3）选择铸件浇注位置时，应尽量避免浇注时在某些部位产生“气袋”。如将铸件大平面放在浇注位置的下方，当上型为曲折高低形状，浇注时气体有溢出的地方而不易产生较集中的“气袋”。

案例9　消除高锰钢辙叉铸件表面夹杂物缺陷的对策

生产条件及存在问题　某厂高锰钢辙叉铸件表面常产生大量的夹杂物缺陷，且主要集中在辙叉跟端部的立壁和底板上。辙叉表面夹杂物缺陷的存在不仅造成大量的焊点，影响辙叉的表面质量，且破坏了基体的连续性，降低辙叉的强度，每年因此产生的废品平均在100件以上，造成的经济损失达100多万元。

解决措施　从辙叉本体上取下的夹杂物做化学成分分析，化验结果为：SiO2含量为18%（质量分数）、CaO含量微量。由此可以断定，夹杂物来源于电炉冶炼的炉渣及钢液包内的耐火材料，而不是造型使用的型砂（因为只有在冶炼炉渣及钢液包内的耐火材料中含有SiO2，而造型使用的白云砂受热分解的产物主要是CaO）。

夹杂物的形成方式在确定夹杂物的来源后，我们又根据夹杂物的形状、颜色及组成，分析判断夹杂物主要有三种形成方式：a.耐火土和镁砂；b.炉渣；c.包壁砖脱落物。根据观察，辙叉铸件表面上附着的夹杂物主要是a、b两类，c类夹杂物的数量及出现几率很小，因此我们的分析研究方向也主要是针对如何消除a、b两类夹杂物。以往砌筑钢液包包底的材料为黏土制耐火包底砖，为防止出钢时钢液直接冲击包底砖，以延长包底砖的使用寿命，每次出钢前修整钢包时，在包底砖的上部铺一层3～5mm厚的颗粒状耐火材料，组成为镁砂+耐火土+卤水。但我们发现这些颗粒状耐火材料在出钢过程中，经高温钢液的剧烈冲刷，很容易从包底浮起并混入钢液，当炉渣中氧化镁含量高时会使其黏度增加，流动性变差，所以这些粒状耐火材料很难从钢液中上浮，它们会黏附在钢液中，浇注时随钢液一起进入铸件，从而形成辙叉铸件表面夹杂物缺陷。为消除此类夹杂物缺陷，我们采取了新的钢液包砌筑工艺，即应用新型铝-镁-碳复合材料的包底砖代替原有黏土材料的包底砖，出钢时钢液直接冲在包底砖上。采用新工艺后，从根本上清除了此类夹杂物的来源，彻底消除了因包底铺的耐火材料经钢液剧烈冲刷而进入钢液形成的夹杂物缺陷。

在制定消除由于钢—渣混出造成夹杂物缺陷的对策时，我们首先研究试验的是出钢时的炉渣是白渣还是电石渣。因为从理论上讲，白渣出钢时白渣易与钢液分离而上浮，较少玷污钢液；而如果电石渣出钢时，电石渣易黏附在钢液上，不易分离上浮。我们连续考察出钢时的渣况，出钢时炉渣全为白渣，炉渣冷却后呈白色粉末状，但在观察辙叉铸件表面质量时，发现表面夹杂物缺陷并没有明显减少，因此可认为此类夹杂物缺陷与是否白渣无关。我们转而分析冶炼过程中渣况的流动性对辙叉铸件表面夹杂物缺陷的影响。结果发现，当钢液出钢时炉渣的黏度较高，流动性不好（表现在出钢后钢包内的炉渣迅速板结），则相应的此炉钢液浇注辙叉表面的夹杂物较多；反之，当钢液出钢时炉渣的黏度不高，流动性较好，则辙叉表面的夹杂物较少。炉渣的黏度和流动性是钢液的重要性质之一，它不仅会影响炼钢过程的反应速度，而且黏度的大小对钢液中非金属夹杂物的上浮、气体的排除也有重大影响。理论表明，为得到黏度适中、流动性好的炉渣，必须使炉渣的熔点降低。而要获得低熔点炉渣，主要有两种方式：a.任何酸性氧化物加入碱性炉渣中，或碱性氧化物加入酸性炉渣中，都能使炉渣的熔点大大降低，流动性变好；b.无论酸性炉渣还是碱性炉渣，加入氟化钙、氧化锰和氧化铁都能使其流动性改善。

我们现在的冶炼工艺是采用白渣出钢，但白渣中氧化锰和氧化铁对流动性的改善几乎不起作用。而当用氟石调渣时，炉渣较稀并易吸气，且从现场来看对钢液流动性的改善效果也不明显。经大量的试验表明，在向炉中分批加入适量的耐火砖块和石英砂作为造渣材料，加入量分别是火砖块20～30kg、石英砂10～20kg，反应后可得到疏松的小泡沫渣。在这种渣况下保持还原气氛15～20min，出钢后钢液包中炉渣的流动性明显增强。经近半年对高锰钢辙叉的观察，在这种炉渣下出钢浇注的辙叉铸件表面的炉渣状夹杂物缺陷基本得到消除，经对同炉试件的金相试验，夹杂物等级均为A级。

案例10　消失模球墨铸铁轮毂的碳夹杂缺陷解决措施

生产条件及存在问题　球铁轮毂是某厂叉车上的重要安全部件，材质为QT450-10。多年来使用传统的黏土砂造型生产。为解决疏松缺陷，采用放置冷铁、压边冒口补缩的铸造工艺。引进消失模生产工艺技术后，提高了产品的表面质量及尺寸精度，对该类产品中产量较大的3个品种逐步由传统铸造工艺向消失模铸造工艺转化。熔炼设备为2.5t中频电炉，铁水处理温度为1500℃，用稀土镁铁合金进行球化处理，处理后浇注温度保证在1440℃。用75硅铁进行孕育处理，采用二次强化孕育，孕育剂用量为铁水质量的0.15%～0.20%，浇注时真空度为-0.04MPa。

对铸件解剖后发现，在齿爪与本体连接的断面上有明显大面积黑色夹杂物，分布靠近上表面，有团块状聚集，产品加工后表面有大面积夹杂缺陷。特别在每包铁水浇注后期的铸件上表现尤为明显。经在此横断面上取样进行扫描电镜分析观察，同时对它进行能谱分析发现，夹杂集中的黑色区域，碳含量很高，含有少量的镁和氧（很低）。根据其成分可以判定夹杂物是以碳为主的碳夹杂缺陷。形成原因为：a.泡沫模密度过高或用胶量过大，发气量过大，但不能及时全部排出；b.涂料及干砂透气性差；c.浇注系统配置不合理，金属液充型不平稳；d.浇注操作不当，断流、吸气过多也影响泡沫模热解产物从型腔内排出；e.浇注温度过低，泡沫模热解产物以气体形式排出最快，如不能充分汽化，影响排出效果；f.真空度低，也影响泡沫模热解产物排出速度。

解决措施　先后在以下几个方面调整工艺参数。

（1）球墨铸铁处理温度控制在1510～1520℃，浇注温度确保在1440～1470℃之间，特别是后期浇注温度确保不低于1440℃。

（2）调整浇注系统的内浇道的最小截面，将铸件上的加工余量加大到4mm，使铸件中即使出现少量的表面碳夹杂缺陷也能被加工去除。

（3）控制泡沫模发泡预发珠粒密度为22～24g/L，同时改用整体冒口，减少两冒口粘接用胶量。

（4）采用高真空浇注，浇注过程中真空度控制在-0.06MPa以上，从而有利于加快热解产物排放速度。

通过以上几个方面工艺参数调整后，现场对铸件进行解剖后发现，轮毂齿爪与本体连接的断面上的黑色夹杂物缺陷基本消除。有个别齿爪的上表层断续呈暗黑色，但深度均在3mm以下。铸件经过加工后，加工面上未见夹杂缺陷。先后几次小批量铸件加工，情况良好。碳夹杂缺陷由试制初期的70%降到10%以内，且表现为个别齿爪表面少量的显微暗纹，完全消除了团块状聚集的碳夹杂缺陷。

案例11　骨架铸件夹杂针孔的排除

生产条件及存在问题　ZL205A合金是一种高强度优质铸造铝合金，在航空、航天、船舶、兵器及机械工业中已得到较多应用。骨架铸件是某产品的承力结构件，除了有严格化学成分、力学性能和尺寸要求外，内部品质都要求经X射线检查，对气孔、夹杂、缩松、针孔都有严格的限制。该铸件从1998年试制以来，一直受夹杂、针孔的困扰，合格率很低。骨架为长扁形中空零件，外廓尺寸为1988mm×646mm×144mm，一般壁厚为16mm，上下为大平面，中间为空腔并分布着复杂交错的加强筋（图8-6），化学成分、力学性能应符合HB962-1986，铸件本体切取力学性能试样，抗拉强度≥400MPa，伸长率啄≥5%。

解决措施　对内浇道与铸件搭接处进行的更改（图8-7），使金属液不再喷溅，而是平稳充填。经验证，上面所述优化内浇道的方法效果较好，但在铸件尾部的斜面上，却仍有较严重的夹杂、针孔。

从结构上分析，尾部大多为实心厚大壁厚，即使空心部位壁厚也较大（25～40mm），此处的金属液内浇道进入型腔时没有流动不平稳的现象，为什么还普遍存在夹杂、针孔呢？又经过多次的分析试验，把可能的多种原因都排除了，只有一点儿当时不具备条件没有试验，改C2Cl6精炼为氩气旋转喷吹精炼提高合金液精炼净化水平。购置新的旋转喷吹精炼机和铝熔体检测设备，对合金液进行处理和检测，相继生产了392件该类铸件，夹杂缺陷完全排除，针孔由过去超标提高到2级或1级，完全符合标准要求。

图8-6　零件简图

图8-7　改进前后内浇口的搭接情况

案例12　熔模铸件表面麻点缺陷对策

生产条件及存在问题　某厂熔模铸造生产实践中，有时发现成批铸件表面出现麻点，呈规则的半球形小坑，凹坑直径0.3～0.8mm，深0.3～0.5mm，未清理前凹坑内有黑色熔渣物质（一般气孔内壁光滑，且外形不规则），麻点呈密集状分布，大件及大平面铸件尤为严重。该缺陷虽不影响铸件使用性能，但无法修整，严重影响了铸件的表面质量，导致铸件成批报废。

解决麻点缺陷的措施　导致该缺陷产生的原因有面层型壳材料、钢液中的夹杂物、浇注温度及脱氧工艺等。

（1）选用合理面层材料，做不锈钢铸件时，一般选中性耐火材料，如锆砂或刚玉粉。锆砂的ZrSiO4的含量要高，并应控制钾、钠、钙、镁氧化物的含量。一般的铸造厂家不具备检测锆砂的能力，为保证铸件质量的稳定，应固定选择一至二家锆砂供应商，并定期对所供锆砂委托相应研究机构检测，具体要求应按照航空工业部标准HB5349-1986。

（2）严格控制炉料，炉料必须清理干净不能有锈污，严格按照操作规程进行。

（3）充分焙烧型壳，降低型壳和金属液的温度，加快铸件的冷却速度，加入适量的脱氧剂脱氧，必要时在浇注完毕的型壳周围人为地造成还原性气氛，如向刚浇注完毕的型壳撒木屑、废蜡后立即用铁箱罩住。

案例13　熔模铸件表面麻点的消除

生产条件及存在的问题　熔模铸件表面麻点是常见缺陷之一，这种缺陷散布于铸件局部表面，呈内凹的圆点状凹坑，小的像针眼，大的直径有1mm左右，一般麻点内表面比较光滑，铸件经抛丸清理后可明显地观察到这类缺陷。

解决麻点的措施

（1）改善铸件散热条件，降低铸型和金属液的温度，加快铸件的冷却速度，减少铸件在高温下持续的时间。

（2）在铸型周围人为地制造还原性气氛，减少空气中氧气的含量。

（3）合理选用耐火材料和黏结剂，降低型壳的透气性，减少铸件周围的空气对流。

（4）型壳充分焙烧，尽量减少型壳中残留的钠盐。

（5）用隔绝氧气的方法，尽量减少和杜绝铸件表面的高温氧化反应。

另外，合理选用耐火材料和黏结剂，型壳充分焙烧也可以减轻或消除表面麻点缺陷。

通过试验和实际生产验证，结果表明用箱罩隔氧的方法消除铸件表面麻点缺陷不仅实用，而且容易推广应用。用箱罩隔氧的方法不但解决了麻点问题，还有以下几个优点：a.铸件表面光洁，只有轻微氧化；b.铸件组清砂方便，粘砂现象大为减轻；c.由于没有冷热空气的对流，厚薄不均的铸件不易产生裂纹；d.消除了浇注后车间的烟尘。

案例14　铸件渣气孔的防止

生产条件及存在的问题　渣气孔通常出现在铸件浇注位置的上表面，也可出现在型芯的底部（图8-8）。多数渣气孔为球形，偶尔也不规则，孔洞表面多呈灰色或蓝灰色，偶见孔洞内含有铸件凝固时渗入的金属铁豆。孔洞直径大小不一，一般不超过10mm，成群、密集分布。在初加工时即可暴露无遗，绝大多数铸件只得报废，无法挽回，经济损失严重。渣气孔极易与常见的气孔混淆，误认为是“浮砂”、“铸型未烘干”、“铁水氧化”等原因所致，致使渣气孔常见、多发。原材料供应差（土铁、土焦）、浇注温度低及工艺粗放时尤其严重。

解决渣气孔的措施

（1）采用较高的浇注温度（≥1300℃），防止低温铁液进入型腔。

（2）避免铁液长距离运输及长时间停留。

（3）使用干净浇包，选用茶壶式浇包，浇注前应聚渣、撇渣和挡渣。

（4）浇包使用完毕后应倒空，不能向尚有残余低温铁液的浇包内再加铁液，即使最终浇注温度满足要求也是不宜的。

（5）强化浇注系统的撇渣功能。

（6）硫、锰含量一般应满足下式：wMn%=1.7×wS%+0.3%。当硫量较高，不宜提高锰量来中和，可适当提高浇注温度30～50℃。硫、锰含量不应过高，宜取下限。

图8-8　渣气孔出现的部位

案例15　消除碳素钢精密铸件表面渣气孔的措施

生产条件及存在的问题　某公司在生产图8-9所示固定架铸件时，采用组树方案生产，材质为碳素钢A4。图8-9中B处存在密集性渣、气孔，产生的主要原因是铸件厚大，钢水注入型壳过程中，当钢水平面到达铸件的最上平面，产生的渣、气正要浮出铸件时，而钢水还在继续注入，压住了内浇道，致型壳内的渣、气不能通过内浇道浮出，而聚集在图8-9中B处。

解决渣气孔的措施　经过在原浇口杯口内增加一个杯口进行浇注试验（图8-10），钢水从新增杯口直接注入型壳的最下端，达到钢水在型壳内由下至上平稳上升，产生的渣气能顺利浮出内浇道，结果完全解决渣气孔。通过增加杯口，解决组树方案中铸件上表面的渣气孔，但增加的杯口被夹在模头内无法清除，给模头清砂增加一定的困难，通过改变组树方案，引入砂模铸造工艺，外加一个直浇道（图8-11），钢水通过外加的直浇道注入型壳，既避免了渣气孔，又避免模头清砂难的问题。

图8-9　固定架铸件简图

图8-10　改进前组树方案示意图

1.模头；2.浇道；3.铸件

图8-11　改进后的组树方案示意图

1.模头；2.浇道；3.铸件；4.外加直浇道

案例16　用过滤网解决夹渣和砂眼缺陷

生产条件及存在的问题　某厂生产的KTZ650-02凸轮轴，是为摩托车配套的产品，要求有较高的耐磨性和减震性。化学成分、石墨形态和机械性能都要求比较高，石墨形状不低于2级，珠光体含量必须大于90%，渗碳体含量不大于2%。可锻铸铁铁水由于碳硅含量低，流动性差，制造工艺复杂，生产周期长，成本高，因此，除生产薄壁管件外，国内很少生产这种铸铁材质的凸轮轴，生产高牌号可锻铸铁的厂家就更少。铸造难度大，废品率高，铸件出现了大量的夹渣、砂眼缺陷，铸件成品率仅58%。传统工艺，很难避免熔渣进入铸型。也采用过封闭式浇注系统，横浇口加长，加集渣包，去掉珍珠岩等工艺措施，但都没有防止两种缺陷。

解决夹渣和砂眼的措施　后来在工艺变动较小的情况下，采用在浇注系统中安放纤维过滤网的方法，彻底解决了夹渣、砂眼缺陷。铸件成品率稳定提高到92%，采用过滤网应注意如下几点。

（1）过滤网要根据铸铁类型、浇注温度、铁水所需的净化程度合理选用。网孔尺寸大小，要足以流过所需的铁水流量，不会在浇注结束前被铁水中的熔渣堵塞。网孔越小过滤效果越好，但铁水通过的阻力较大，充型慢，易堵塞；网孔过大，小渣粒易穿过，起不到挡渣作用。我们采用2mm×2mm规格的过滤网。

（2）为了尽可能达到未加过滤网前的铁水流速，放过滤网处浇注系统应适当加大，但一般浇注系统实际已足够大，也可不加大。

（3）过滤网安放于横浇道搭接处，最好是与内浇道搭接处的分型面上。安放在横浇道与直浇道的搭接处。

（4）为了使过滤网安放牢固，其压住部分的宽度要根据横浇道的大小来决定，一般最小10mm以上。

案例17　LD31合金水平连铸夹杂缺陷的对策

生产条件及存在的问题　某公司生产的LD31合金铸棒，采用水平连续铸造法。熔炼炉与静置炉均为火焰反射炉。生产过程中，合金铸棒常常产生夹杂缺陷，影响产品质量。

解决夹杂的措施　铸棒的夹杂主要是非金属夹渣，如金属氧化物Al2O3、MgO等，熔体净化时产生的氯化物（如MgCl2），还有一些耐火材料的颗粒，脱落的流糟和工具上所带入杂物。这些夹杂分布极不均匀，大小、形态各异。产品的夹杂贯穿于生产的整个过程，主要来源是铝合金熔炼所需原料不干净，带油污、泥沙和其他金属及非金属杂物，这些是造成产品夹杂的首要原因；没有及时清炉或未扒干净炉膛内的结渣，炉底破损或操作工具不干净，而在操作时带入熔体；铸造时，合金熔体翻滚，表面氧化膜破损被卷入熔体；精炼不彻底，精炼温度、静置温度及时间不合理；对熔体净化处理所采用的精炼剂及覆盖剂效果不佳。

采取的解决措施如下。

（1）合金炉料入炉之前，必须经过严格检查，达到干净、无腐蚀，不带泥沙、水、油污等任何杂物，这是控制产品夹杂的第一关，必须认真做到。

（2）炉膛内的渣必须扒干净，每班要求小清炉一次，每一倒班（三个班）要求大清炉一次，清炉做到干净彻底。

（3）投固体料时必须注意，避免投料造成炉底破损。

（4）精炼、打渣时，操作工具必须保持干燥、清洁。

（5）铸造时尽量减少熔体翻滚和落差，采用同水平热顶铸造，可以把此种夹杂降低到最低限度。

（6）消除夹杂最关键的措施仍是熔体的精炼。把熔体的精炼温度控制在730～745℃，静置时间15～25min，注意提高精炼的彻底性，对消除和降低夹杂有明显效果，这一点已在工艺改革中得到肯定。

（7）采用泡沫陶瓷过滤法或其他过滤方法进行精细滤渣。

（8）使用优质的精炼剂或采用先进的精炼工艺技术进行精炼。

通过以上几方面的努力，LD31合金的夹杂已得到有效的控制。

案例18　半连续铸造铝青铜铸锭夹渣缺陷的预防措施

生产条件及存在的问题　铝青铜具有高的强度、耐磨性、高温耐蚀性及抗氧化性，特别是在大气、海水中也有很好的耐蚀性，广泛应用于制造高强度的机械零件，例如：齿轮、飞轮、滑动轴承、导向摇臂衬套等。铝青铜在熔炼时吸气性较强，易氧化生渣。

解决夹渣的措施　铝青铜锭表面及内部的渣是铝与氧结合的产物即氧化铝造成的。因浇注前氧化渣未清干净而流入结晶器内，或流入结晶器里的熔体与空气中的氧反应产生氧化渣，这些渣由于其密度小而浮在结晶器熔体表面，当拉锭的速度忽快忽慢时，这些氧化渣会被卷入熔体内部或铸锭表面，形成内部夹渣或表面夹渣。

要防止这些铸造缺陷，就得保证结晶器内的熔体不许有渣存在或熔体与渣分开，当结晶器液面上有渣时，让渣浮在熔体表面，而不让渣卷入熔体内部和铸造表面，这就要求铸造时拉锭速度要慢而稳。浇注铝青铜锭时，在结晶器的液面上会形成一层氧化铝薄膜，这种氧化膜对熔体起保护作用，因此浇注时不需要再对熔体保护，即敞开铸造。带炉头的有芯炉和不带炉头的无芯炉浇注铝青铜时分别采用不同的方法进行浇注。采用有芯炉熔炼浇注时，把漏斗插入液面中，如图8-12所示，液面完全依靠熔体形成的氧化铝薄膜来保护，拉锭的速度要稳，不破坏熔体表面形成的氧化膜，可避免铝青铜内部夹渣和表面夹渣。

如果采用无芯炉浇注，因无芯炉没有炉头，浇注漏斗无法插入液面，可在结晶器液面上面放一个石墨坩锅（石墨坩锅形状如圆台，底部有一圆孔），其大端尺寸与结晶器内腔断面尺寸相匹配。铸造时石墨坩锅底部埋入液面10～15mm，石墨坩锅下部外缘与结晶器内壁之间留有如20～30mm的液体金属敞露面，此液面上不加任何覆盖物，完全依靠自然形成的氧化铝薄膜来保护，如图8-13所示。

图8-12　有炉头铸造示意图

8-13无炉头铸造示意图

案例19　铁铝青铜件渣气孔的消除

生产条件及存在的问题　含铁铝青铜是种具有优秀综合性能的合金。所生产的铸件其强度、塑性均好，且表面光洁又耐磨。被广泛用来制造军民用产品如大型齿轮、蜗轮、螺母、分烟器、铜套等。由于含铁铝青铜含铝量高达8%～11%，铝极易氧化形成氧化渣，同时吸气严重。控制不当时，会发生气孔、夹渣缺陷，严重时造成铸件报废。

解决措施

（1）严格控制合金的熔炼。

①采用快速熔炼，减少合金的氧化吸气：首先预热坩埚，同时，把金属炉料铁丝、紫铜块、铝锭、熔炼工具要烤干，去除炉料油污水分。其次配料成分选择准确。

熔炼时，当坩埚预热至暗红色，加铁丝烧红后加预热过的紫铜块，开大风口油门，以强中性火焰进行熔炼，紫铜边熔化边加料，并留1/4的紫铜块在炉外进行降温用。当铁丝熔化至坩埚内有残余铁丝时，停风加预热过的铝锭，强搅拌。使铝熔化所放出的热量来加速铁丝的熔化。随后加降温铜块，避免合金液在高温下时间过长，减少合金液吸气，同时也相应减少金属的氧化。

②采用熔剂精炼、排除合金液内氧化渣：固态氧化夹杂物去除一般可采用静置澄清法，虽然氧化铝夹渣的密度小于合金液的密度，但因氧化铝粒子较小其形状又不规则，此静置法过程缓慢，氧化夹渣物很难排除尽。对于铁铝青铜来讲，排渣最适合方法是采用熔剂精炼法。

（2）确定合理的铸造工艺。

①设计撇渣能力强的浇注系统：必须采用底注开放式浇口，使合金液平稳流入型腔。浇注系统各组元的截面积之比为，F直∶F横∶F内=1∶1.2∶（4～8）

②采用干型浇注：严格控制型砂的水分和铸型的烘烤温度。型砂水分控制在6%～7%，烘烤温度在350～450℃，烘烤时间8～16h。

案例20　用纤维过滤网防止砂眼缺陷

生产条件及存在的问题　某公司的KTZ650-02凸轮轴，是为摩托车厂生产的配套产品。要求石墨形状不低于2级，珠光体含量必须大于90%，渗碳体含量小于等于2%。可锻铸铁由于碳、硅含量低，流动性差，轴类属厚大件，不容易保证白口，由于可锻铸铁化学成分中碳、硅较低，铁液冷却快，又是厚大件，收缩量大，工艺上需加大浇冒口尺寸，才能保证铸件有良好的补缩性能。因此我们采用了开放式浇注系统，以加快浇注速度，提高补缩能力，但是在生产中出现了大量的夹渣、砂眼缺陷，成品率仅为58%，造成了很大的浪费，生产也受到了限制。

解决的措施　传统的工艺很难避免熔渣进入铸型。某公司也采用过封闭式浇注系统，横浇道加长以及加集渣包和去掉珍珠岩等工艺措施，但都没能解决上述两种缺陷，只有采用了在浇注系统中加入过滤网后，才彻底解决了夹渣、砂眼缺陷，铸件成品率稳定在92%左右。

为造型方便，应将过滤网设置在直浇道与横浇道搭接处的分型面上，最好放在横浇道与内浇道的搭接处。选用过滤网要注意如下几点。

（1）要根据铸铁类型、浇注温度及铁液所需的净化程度合理选用。网孔尺寸大小要满足流过所需的铁液量，又不会在浇注结束前被铁液中的渣滓堵塞。网孔越小过滤效果越好，但铁液通过的阻力较大，充型慢，易堵塞；网孔过大，小渣粒易穿过，起不到挡渣作用。

（2）为了尽可能达到未加过滤网前的铁液流速，放过滤网处的浇注系统应加大，但一般浇注系统已足够大，生产中可视实际情况而定。

（3）为了使过滤网安放牢固，其压住部分的宽度要根据横浇道的大小来决定，一般在10mm以上。

案例21　铝合金右箱体铸件渣气孔缺陷的防止

生产条件及存在的问题　DN12051100右箱体是ZJ17卷接机组上最复杂的关键件，外形尺寸1099mm×1066mm×616mm，材质ZL107，铸件质量260kg，浇注质量400kg。3个侧面及底面壁厚24mm，顶面厚29mm，其余15～18mm。模具采用一级木模，芯头间隙不超过1mm；采用3箱造型，设4个缝隙浇道从两侧面引注，2个浇口杯浇注。由于行车距离限制，使2个浇包相距约3m，浇口杯通过850mm长的过桥与直浇道相连；冷硬树脂砂制芯，砂芯18个，以形成油箱的砂芯为基准进行组芯。铸造工艺简图见图8-14。生产中，一直有蜂窝状渣气孔存在，有时有单个大气孔出现。一般发生在顶面，偶尔也出现在砂芯下部，经粗加工即暴露。铸件一般要经过焊补或用环氧树脂修补。

解决措施　对于大气孔问题，规定冷铁使用前必须无油、无锈，刷涂料时随涂料一起烘干，并用喷灯烤透。针对一次非金属夹杂物，从提高铝液的洁净度着手，严格按熔炼操作规程办。

（1）所有熔炼工具预热至200℃，上涂料烤干，浇包清理干净，用木柴烧透。

（2）炉料表面必须干净，如有油污、粘砂、脏物需经喷砂除去，预热至400℃左右使用。回炉料比例≤30%，铁质过滤网需去掉。

（3）铝液熔化后，用C2Cl6精炼2次，用三元变质剂变质精炼与变质处理。精炼后取一个宏观含气试样检查，若不合格则重新精炼。变质处理后取样检查断口，合格即可出炉浇注。

（4）为减少铝液吸气，整个熔炼过程温度不要超过750℃，时间控制在4h以内。

垂直缝隙浇口和过滤网可以防止二次氧化夹杂。浇注前对型腔充氩气，充气压力0.02～0.03MPa，流量20～25L/min，充气时间7min。

炉内铝液温度为740～750℃，浇注前将液面浮渣扒干净，浇注温度（715±10）℃，浇注时间约80s。注意保持两个浇口杯浇注的同步性。

按上述措施生产，并采取不从冒口而从4个缝隙集渣筒补充铝液的办法，生产出的铸件完全消除了渣气孔缺陷。

图8-14　右箱体铸造工艺简图