混流式水轮机焊接转轮上冠、下环铸件

肖章玉、吕友清。

二重集团（德阳）重型装备股份有限公司、中国第一重型机械股份公司。

铸件有多种分类方法：按其所用金属材料的不同，分为铸钢件、铸铁件、铸铜件、铸铝件、铸镁件、铸锌件、铸钛件等。而每类铸件又可按其化学成分或金相组织进一步分成不同的种类。如铸铁件可分为灰铸铁件、球墨铸铁件、蠕墨铸铁件、可锻铸铁件、合金铸铁件等；按铸型成型方法的不同，可以把铸件分为普通砂型铸件、金属型铸件、压铸件、离心铸件、连续浇注件、熔模铸件、陶瓷型铸件、电渣重熔铸件、双金属铸件等。其中以普通砂型铸件应用最多，约占全部铸件产量的80%。而铝、镁、锌等有色金属铸件，多是压铸件。

用铸造方法获得的金属物件，即把熔炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其他方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理（见铸件清理）和后处理（见铸件后处理），所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。

铸件应用历史悠久。古代人们用铸件作钱币、祭器、兵器、工具和一些生活用具。近代，铸件主要用作机器零部件的毛坯，有些精密铸件，也可直接用作机器的零部件。铸件在机械产品中占有很大的比重，如拖拉机中，铸件重量约占整机重量的50～70%，农业机械中占40～70%，机床、内燃机等中达70～90%。各类铸件中，以机械用的铸件品种最多，形状最复杂，用量也最大，约占铸件总产量的60%。其次是冶金用的钢锭模和工程用的管道。

铸件也与日常生活有密切关系。例如经常使用的门把、门锁、暖气片、上下水管道、铁锅、煤气炉架、熨斗等，都是铸件。

主要包括外观质量、内在质量和使用质量。外观质量指铸件表面粗糙度、表面缺陷、尺寸偏差、形状偏差、重量偏差；内在质量主要指铸件的化学成分、物理性能、机械性能、金相组织以及存在于铸件内部的孔洞、裂纹、夹杂、偏析等情况；使用质量指铸件在不同条件下的工作耐久能力，包括耐磨、耐腐蚀、耐激冷激热、疲劳、吸震等性能以及被切削性、可焊性等工艺性能。

铸件质量对机械产品的性能有很大影响。例如，机床铸件的耐磨性和尺寸稳定性，直接影响机床的精度保持寿命；各类泵的叶轮、壳体以及液压件内腔的尺寸、型线的准确性和表面粗糙度，直接影响泵和液压系统的工作效率，能量消耗和气蚀的发展等；内燃机缸体、缸盖、缸套、活塞环、排气管等铸件的强度和耐激冷激热性，直接影响发动机的工作寿命。

影响铸件质量的因素很多，第一是铸件的设计工艺性。进行设计时，除了要根据工作条件和金属材料性能来确定铸件几何形状、尺寸大小外，还必须从铸造合金和铸造工艺特性的角度来考虑设计的合理性，即明显的尺寸效应和凝固、收缩、应力等问题，以避免或减少铸件的成分偏析、变形、开裂等缺陷的产生。第二要有合理的铸造工艺。即根据铸件结构、重量和尺寸大小，铸造合金特性和生产条件，选择合适的分型面和造型、造芯方法，合理设置铸造筋、冷铁、冒口和浇注系统等。以保证获得优质铸件。第三是铸造用原材料的质量。金属炉料、耐火材料、燃料、熔剂、变质剂以及铸造砂、型砂粘结剂、涂料等材料的质量不合标准，会使铸件产生气孔、针孔、夹渣、粘砂等缺陷，影响铸件外观质量和内部质量，严重时会使铸件报废。第四是工艺操作，要制定合理的工艺操作规程，提高工人的技术水平，使工艺规程得到正确实施。

铸造生产中，要对铸件的质量进行控制与检验。首先要制定从原材料、辅助材料到每种具体产品的控制和检验的工艺守则与技术条件。对每道工序都严格按工艺守则和技术条件进行控制和检验。最后对成品铸件作质量检验。要配备合理的检测方法和合适的检测人员。一般对铸件的外观质量，可用比较样块来判断铸件表面粗糙度；表面的细微裂纹可用着色法、磁粉法检查。对铸件的内部质量，可用音频、超声、涡流、X射线和γ射线等方法来检查和判断。

砂型铸造铸件缺陷有：冷隔、浇不足、气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂等。

1）冷隔和浇不足 液态金属充型能力不足，或充型条件较差，在型腔被填满之前，金属液便停止流动，将使铸件产生浇不足或冷隔缺陷。浇不足时，会使铸件不能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全融合的接缝，铸件的力学性能严重受损。

防止浇不足和冷隔：提高浇注温度与浇注速度。

2）气孔 气体在金属液结壳之前未及时逸出，在铸件内生成的孔洞类缺陷。气孔的内壁光滑，明亮或带有轻微的氧化色。铸件中产生气孔后，将会减小其有效承载面积，且在气孔周围会引起应力集中而降低铸件的抗冲击性和抗疲劳性。气孔还会降低铸件的致密性，致使某些要求承受水压试验的铸件报废。另外，气孔对铸件的耐腐蚀性和耐热性也有不良的影响。

防止气孔的产生：降低金属液中的含气量，增大砂型的透气性，以及在型腔的最高处增设出气冒口等。

3）粘砂 铸件表面上粘附有一层难以清除的砂粒称为粘砂。粘砂既影响铸件外观，又增加铸件清理和切削加工的工作量，甚至会影响机器的寿命。例如铸齿表面有粘砂时容易损坏，泵或发动机等机器零件中若有粘砂，则将影响燃料油、气体、润滑油和冷却水等流体的流动，并会玷污和磨损整个机器。

防止粘砂：在型砂中加入煤粉，以及在铸型表面涂刷防粘砂涂料等。

4）夹砂 在铸件表面形成的沟槽和疤痕缺陷，在用湿型铸造厚大平板类铸件时极易产生。

铸件中产生夹砂的部位大多是与砂型上表面相接触的地方，型腔上表面受金属液辐射热的作用，容易拱起和翘曲，当翘起的砂层受金属液流不断冲刷时可能断裂破碎，留在原处或被带入其它部位。铸件的上表面越大，型砂体积膨胀越大，形成夹砂的倾向性也越大。

5）砂眼 在铸件内部或表面充塞着型砂的孔洞类缺陷。

6）胀砂 浇注时在金属液的压力作用下，铸型型壁移动，铸件局部胀大形成的缺陷。 为了防止胀砂，应提高砂型强度、砂箱刚度、加大合箱时的压箱力或紧固力，并适当降低浇注温度，使金属液的表面提早结壳，以降低金属液对铸型的压力。

质量检测

铸件的检测主要包括尺寸检查、外观和表面的目视检查、化学成分分析和力学性能试验，对于要求比较重要或铸造工艺上容易产生问题的铸件，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。

一、铸件表面及近表面缺陷的检测

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。

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。

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。

二、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。

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，需要采取特殊措施和计算才能确定。国际铸业网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，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）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。因而冷焊机适用于精密铸件的表面缺陷修补。冷焊的焊补范围为Φ1.5-Φ1.2mm焊补点反复熔化堆积的过程，在大面积缺陷修补过程中，修复效率是制约其广泛推广应用的唯一因素。对于大缺陷，推荐传统焊补工艺与铸造缺陷修补机的复合应用。可有时我们的缺陷没有很多，就不必要投入较大的成本，我们用一些修补剂就可以修补好的，方便简单，例如铁质材料的，我们可以用（劲素成）JS902修补一下就可以了，用不完可以放到以后再用，这样可以为我们的厂家节省成本啊，让我们的铸造厂家把更多的资金投入到提高产品本身质量上，让使用者创造更多的财富。

三、铸件质量检验结果

铸件质量检验结果通常分为三类：合格品、返修品、废品。

1）合格品指外观质量和内在质量都符合有关标准或交货验收技术条件的铸件；

2）返修品指外观质量和内在质量不完全符合标准和验收条件，但允许返修，返修后能达到标准和铸件交货验收技术条件要求的铸件；

3）废品指外观质量和内在质量都不合格，不允许返修或返修后仍达不到标准和铸造交货验收技术条件要求的铸件。废品又分为内废和外废两种。内废指在铸造厂内或铸造车间内发现的废品铸件；外废指铸件在交付后发现的废品，其所造成的经济损失远比内废大。

影响铸件凝固方式的因素

铸件的凝固方法有很多种。铸件在凝固的过程中，其断面上一般分为三个区：1—固相区2—凝固区3—液相区对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄，依此划分凝固方式。第一，中间凝固：大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间。第二，逐层凝固：纯金属，共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区，断面液，固两相由一条界限清楚分开，随温度下降，固相层不断增加，液相层不断减少，直达中心。第三，糊状凝固：合金结晶温度范围很宽，在凝固某段时间内，铸件表面不存在固体层，凝固区贯穿整个断面，先糊状，后固化。相关专家表示，影响铸件凝固方式的因素总结：第一，铸件的温度梯度。合金结晶温度范围一定时，凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度。温度梯度愈小，凝固区愈宽。（内外温差大，冷却快，凝固区窄）。第二，合金的结晶温度范围。范围小：凝固区窄，愈倾向于逐层凝固。如：砂型铸造，低碳钢逐层凝固，高碳钢糊状凝固。

铸造缺陷修补剂是双组分、胶泥状、室温固化高分子树脂胶 ，以金属及合金为强化填充剂的聚合金属复合型冷焊修补材料。与金属具有较高的结合强度，并基本可保存颜色一致，具有耐磨抗蚀与耐老化的特性。固化后的材料具有较高的强度，无收缩，可进行各类机械加工。具有抗磨损、耐油、防水、耐各种化学腐蚀等优异性能，同时可耐高温120℃。

用途

铸造缺陷修补剂是由多种合金材料和改性增韧耐热树脂进行复合得到的高性能聚合金属材料，适用于各种金属铸件的修补及缺陷大于2mm的各种铸件气孔、砂眼、麻坑、裂纹、磨损、腐蚀的修复与粘接。通用于对颜色要求不太严格的各种铸造缺陷的修复，具有较高的强度，并可与基材一起进行各类机械加工。

如何检测

铸件本身的属性直接影响加工的品质，其中硬度值是决定铸件加工的一项重要指标。

1）布氏硬度：主要用来测定铸件、锻件、有色金属制件、热轧坯料及退火件的硬度,测定范围≯HB450。

2）洛氏硬度：HRA主要用于高硬度试件,测定硬度高于HRC67以上的材料和表面硬度,如硬质合金、氮化钢等，测定范围HRA>70。HRC主要用于钢制件（如碳钢、工具钢、合金钢等）淬火或回火后的硬度测定,测定范围HRC20~67。

3）维氏硬度：用来测定薄件和钢板制件的硬度,也可用来测定渗碳、氰化、氮化等表面硬化制件的硬度。