1、机械设计基础,主讲：宋绍华,有色金属熔炼与铸锭（铸锭常见凝固缺陷）,本章内容要点,铸锭偏析 缩孔与缩松 铸锭裂纹 铸锭冷隔 铸锭气孔 非金属夹渣,铸锭常见凝固缺陷,铸锭质量直接影响到其后被加工成各种材料（板、带、管、棒、型、线、锻件等）的质量。据统计轻合金材料生产中，有6070%的废品是因铸锭质量不良造成的。可以说，铸锭的各种缺陷往往造成了加工车间各种不合格制品的“先天不足”，而某些缺陷（如裂纹），显然在进入压力加工前就成了废品。因此，如何识别、分析铸锭缺陷的产生原因，找出防止或消除这些缺陷的措施，对提高铸锭和半制品的质量，提高整个生产过程的成品率，意义十分重大。,铸锭常见凝固缺陷,铸锭常见凝
2、固缺陷,铸锭生产中常见的缺陷很多，如裂纹、气孔、疏松、夹渣、偏析等等。产生这些缺陷的原因很多，归根结底主要是由合金的本性，金属液体的纯洁度和浇铸工艺条件诸因素造成的。从本质上讲，缺陷是铸造过程中由于温度变化而引起的相变、体积变化和溶解度变化的直接和间接结果。在生产实际中，某种缺陷的出现，其情况往往比较复杂，必须抓住主要的方面进行分析，找出缺陷的成因及防止措施。,1.铸锭偏析铸锭中化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析是合金凝固过程中，溶质的再分配及晶体长大速度大于溶质扩散速度，使先析出的固相与液相的浓度不同所致。 偏析,宏观偏析,微观偏析,晶内偏析,晶界偏析,比重偏析,正偏析,反偏析,A,B,液相
3、线,固相线,C0,a1,a2,a3,L1,L2,L3,固溶体不平衡结晶示意图,a1,a3,a2,铸锭常见凝固缺陷,1.铸锭偏析,（1） 晶内偏析,铸锭常见凝固缺陷,晶内偏析的影响因素：a）冷却速度；b）偏析元素的扩散能力；c）液固相线间隔。,由于铸锭冷凝较快，固液两相中溶质来不及扩散均匀，晶粒内部先后结晶部分的成分不同。,是溶质元素在晶界堆积的结果，主要原因是：a）液固相溶质分配系数的不同；b）形成化合物。,晶界偏析形成过程示意图,1.铸锭偏析,（2） 晶界偏析,铸锭常见凝固缺陷,其形成原因是：a）液相分层；b）固相与液相比重不同。,其形成原因是：a）溶质分配系数k的不同， k1时，后结晶的固
4、相溶质含量低，出现正偏析；c）同时，与粗大的枝状晶有关。,1.铸锭偏析,（3） 比重偏析,铸锭常见凝固缺陷,（4） 正偏析与反偏析,是一种严重的反偏析现象，通常在铸锭的表面出现偏析瘤。,锡青铜中偏析瘤的形成过程,(a) 形成枝晶,(b) 出现间隙,(c) 富锡熔体外溢,锡偏析瘤,枝晶,出现间隙,铸模,铸模,铸模,1.铸锭偏析,（5） 偏析瘤,铸锭常见凝固缺陷,晶内偏析一般通过加工和热处理可以消除，但在枝晶臂间距较大时则不能消除，会给制品造成电化学性能不均匀。晶界偏析是低熔点物质聚集于晶界，使铸锭热裂倾向增大，并使制品易发生晶界腐蚀。宏观偏析会使铸锭及加工产品的组织和性能很不均匀。宏观偏析不能靠
5、均匀化退火予以消除或减轻，所以在铸锭生产中要特别防止这类偏析。,1.铸锭偏析,（6） 防止偏析的方法,铸锭常见凝固缺陷,偏析是凝固过程中溶质再分布的结果。因此，一切能使成分均匀化和晶粒细化的方法，均有利于防止或减少偏析。基本措施有：增大冷却强度，搅拌，变质处理，采用短结晶器，降低浇注温度，加强二次水冷，使液穴浅平等。,1.铸锭偏析,（6） 防止偏析的方法,铸锭常见凝固缺陷,在铸锭中部、头部、晶界及枝晶间等地方，常常有一些宏观和显微的收缩孔洞，通称为缩孔。细小而分散的缩孔称为分散缩孔或缩松。,2.缩孔与缩松,（1） 概念,铸锭常见凝固缺陷,缩孔或缩松都会减小铸锭受力的有效面积，并在缩孔和缩松处产
6、生应力集中，因而显著降低铸锭的力学性能。,（2）危害,2.缩孔与缩松,铸锭常见凝固缺陷,产生缩孔和缩松的最直接原因，是金属凝固时发生的凝固体收缩。,（3）形成原因,（4）缩孔和缩松的形成,收缩的分类：包括凝固前的液态收缩、由液态变为固态的凝固收缩及凝固后的固态收缩。,液态收缩率为12%、凝固收缩率为27%、固态收缩率为59%,2.缩孔与缩松,铸锭常见凝固缺陷,（4）缩孔和缩松的形成,凝固收缩的开始温度,当温度下降至液相线下的点划线时。枝晶数量增多彼此相连构成连续的骨架，此时铸锭中已有5570的固相，使开始凝固收缩。,2.缩孔与缩松,铸锭常见凝固缺陷,（4）缩孔和缩松的形成,缩孔形成示意图,缩孔
7、形成原因：在顺序凝固条件下，因金属液态和凝固收缩造成的孔洞得不到金属液的补缩而产生的。缩孔多出现在铸锭的中部和头部，或铸件的厚壁处。,2.缩孔与缩松,铸锭常见凝固缺陷,（4）缩孔和缩松的形成,缩松形成示意图,缩松形成原因：是在同时凝固的条件下。最后凝固的地方因收缩造成的孔洞得不到金属的补缩而产生的。缩松分布面广，铸锭轴线附近尤为严重。,a）金属性质,缩孔区,疏松区,液相线,成分,温度,固相线,2.缩孔与缩松,铸锭常见凝固缺陷,（5）影响缩孔和缩松的因素,当温度梯度一定时，合金的结晶温度范围越小，则凝固区越窄，铸锭形成缩孔的倾向越大；反之，结晶温度范围大，则凝固区宽，等轴晶发达，补缩困难，形成缩
8、松的倾向大。,金属液体和凝固体的平均体收缩系数、结晶温度范围、吸气性等,b）金属浇铸工艺条件,2.缩孔与缩松,铸锭常见凝固缺陷,（5）影响缩孔和缩松的因素,凡是提高铸锭断面温度梯度的措施，如铁模铸锭时，提高浇注温度和浇注速度，均有利于集中缩孔的形成；反之，降低浇注温度和浇注速度，提高模温，则有利于分散缩孔或缩松的形成。,基本途径：根据合金的体收缩特性、结晶温度范围大小及铸锭尺寸等，制定正确的铸锭工艺，在保证铸锭自下而上顺序凝固条件下，尽可能使分散缩孔或缩松转化为铸锭头部的集中缩孔，然后通过人工补缩来消除。,2.缩孔与缩松,铸锭常见凝固缺陷,（6）防止缩孔和缩松的途径,合理设计模壁厚度和锭坯的宽
9、厚比或高径比，采用上大下小的锭模及加补缩冒口；加保温帽加强补缩；提高浇温、降低浇速。连铸易形成缩松的大型铸锭时，先去气去渣精炼，使熔体中含气量和夹渣尽量少，采用短结晶器或低金属液面水平，降低浇速，加强二次水冷，使液穴浅平，使铸锭由下而上进行凝固。,3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,裂纹分类：,根据裂纹的形成阶段分为冷裂纹(凝固后)和热裂纹(凝固过程)。根据裂纹形状和在铸锭中的位置，裂纹又可分为许多种热裂纹可分为表面裂纹、皮下裂纹、晶间裂纹、中心裂纹、环状裂纹、放射状型纹等；冷裂纹可分为顶裂纹、底裂纹、侧裂纹、纵向表面裂纹等。,3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,（1）铸造应力的形成,铸锭在凝固和冷却
10、过程中，收缩受到阻碍而产生的应力称为铸造应力，按其形成的原因，可分为热应力、相变应力和机械应力。,a）热应力是铸锭凝固过程中因温度变化引起的附加应力。,连续铸锭过程中热应力分布情况,3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,（1）铸造应力的形成,b）机械应力是铸锭凝固过程中，因受结晶器机械作用而产生的附加应力。c）相变应力是铸锭凝固过程中，因体变化所产生的附加应力。,3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,（2）热裂纹的形成机理和影响因素,热裂是在线收缩开始温度至非平衡固相线温度范围内形成的。热裂形成机理主要有液膜理论、强度理论及裂纹形成功理论。,a）液膜理论,液膜理论示意图,凝固末期晶间残留的液膜受铸锭收缩影
11、响，液膜在拉应力作用下被拉伸，当拉应力或拉伸量足够大时，液膜就会破裂，形成晶间热裂纹。,3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,（2）热裂纹的形成机理和影响因素,b）强度理论,3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,（2）热裂纹的形成机理和影响因素,有效结晶温度范围越宽，合金的热裂倾向越大,强度理论认为，合金在线收缩开始温度至非平衡固相点间的有效结晶温度范围，强度和塑性极低，故在铸造应力作用下易于热裂。,c）形成功理论,裂纹形成功理论认为，热裂通常要经历裂纹的形核和扩展两个阶段。裂纹形核多发生在晶界上液相汇集处。若偏聚于晶界的低熔点元素和化合物对基体金属润湿性好，则裂纹形成功小，裂纹易形核，铸锭热烈倾向大。,
12、3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,（2）热裂纹的形成机理和影响因素,d）影响热裂纹的因素,3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,（2）热裂纹的形成机理和影响因素,并非铸造过程中金属收缩受阻，产生热应力，就一定会发生热裂。如果金属在有效结晶范围内，具有一定的塑性，就可以通过塑性变形使得应力松弛，而不产生热裂。例如，铝合金在有效结晶范围内的伸长率大于0.3%，就不容易产生热裂纹。,d）影响热裂纹的因素,主要有金属性质、浇注工艺及铸锭结构等。,3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,（2）热裂纹的形成机理和影响因素,合金的有效结晶温度范围宽，线收缩大，则合金的热裂倾向也大,有效结晶温度范围及热裂倾向与成分关系示意图
13、,大多数铝合金都有一个与成分相对应的脆性区，在此温度范围内，合金处于固液状态，强度和塑性都较低，所以脆性区温度范围大，合金热裂倾向大。脆性区温度范围取决于合金的性质，此外与浇注工艺有很大关系。例如，浇注温度和浇注速度过高，会增大脆性区的范围，从而增大铸锭的热裂倾向。,d）影响热裂纹的因素,3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,（2）热裂纹的形成机理和影响因素,浇注温度高，往往提高脆性区上限温度;提高冷却速度，降低脆性区下限温度。,当浇注速度及宽厚比n一定时，随着锭厚增大，热裂倾向增大。 当锭厚一定时，热裂随着浇注速度增大而增大。,裂纹倾向与冷却速度和铸锭壁厚的关系,d）影响热裂纹的因素,3.铸锭裂纹
14、,铸锭常见凝固缺陷,（2）热裂纹的形成机理和影响因素,铸锭结构不同，铸锭中热应力分布状况也不同。大型铸锭比小型铸锭更容易产生热裂。圆锭多中心裂纹、环状和放射状裂纹，扁锭最易产生侧裂纹、底裂纹和浇口裂纹。,（3）冷裂纹的形成机理和影响因素,冷裂是铸锭冷却到温度较低的弹性状态时，因铸锭内外温差大、铸造应力超过合金的强度极限而产生的，并且往往是由热裂扩展而成的。,合金的导热性和塑性直接影响冷裂纹倾向（合金成分），此外，非金属夹杂物、晶粒粗大也会促进冷裂。热裂纹的尖端是应力集中处，在铸锭凝固后的冷却过程中，热应力足够大时，会使热裂纹扩展成冷裂纹。,a） 冷裂的形成机理：,b） 影响因素：,3.铸锭裂纹
15、,铸锭常见凝固缺陷,一切能提高合金在凝固区或脆性区的塑性和强度，减少非平衡共晶或改善其分布状况，细化晶粒，降低温度梯度等因素，皆利于防止铸锭热裂和冷裂。,（4）防止裂纹的途径,3.铸锭裂纹,铸锭常见凝固缺陷,合理控制成分、选择合适的工艺、变质处理。,成分：控制合金成分及杂质含量是解决大型铸锭产生裂纹的有效方法。工艺：采用低的浇注温度、浇注速度和液面水平，有利于防止产生裂纹。变质处理：加入变质剂，细化晶粒，同时细化合金中的粗大第二相，可以降低铸锭产生裂纹的倾向。,（1） 冷隔成因：金属熔体不能均匀地浇注在铸锭上表面时，使新的熔体在已经凝固的金属表面上，由于氧化层等影响润湿的因素以及热烈的因素，使
16、后来的金属不能与下面的金属熔为一体，故出现裂纹。,铸锭,熔池,冷隔,冷隔形态及形成过程,（2） 冷隔的危害：严重破坏铸锭组织的连续性，同时，在冷隔内存在大量的低熔点化合物，易引起应力集中，形成裂纹源，使整个铸锭开裂。,（3） 防止冷隔的措施： a）提高浇注温度，增加金属流动性； b）增大结晶器锥度，使熔体导热性降低，相对提高熔体温度； c）在浇注过程中，对结晶器内的熔体进行搅拌； d）采用热顶铸造方式。,4.铸锭冷隔,铸锭常见凝固缺陷,铸锭的表面缺陷，呈弧线形向铸锭中心延伸的裂纹。,铸件中的气孔对铸件的使用性能影响很大。,对力学性能的影响：气孔减少了铸锭的有效截面，当气孔有尖角时，会引起应力集
17、中。因而，显著降低铸锭的力学性能，如塑性，冲击韧性、疲劳性能等。特别是集中型气孔对合金力学性能的影响最大。对铸造性能的影响：铸锭在铸造过程中产生的气孔会显著增加铸锭的热裂倾向。此外，气孔的出现会阻碍金属液的补缩，造成晶间疏松。,5.铸锭气孔,铸锭常见凝固缺陷,气孔一般是圆形的，表面较光滑，据此可与缩孔及缩松相区别。加工时气孔可被压缩，但难以压合，常常在热加工和热处理过程中产生起皮起泡现象。这是铝及其合余最常见的缺陷之一。,5.铸锭气孔,铸锭常见凝固缺陷,（1）气孔特征,根据气孔在铸锭中出现的位置，可将其分为表面气孔、皮下气孔和内部气孔三类。,铸锭断面气孔分布状况示意图(a) 表面气孔 (b)
18、皮下气孔 (c) 内部满面气孔 (d) 内部缩松气孔,5.铸锭气孔,铸锭常见凝固缺陷,（2）气孔分类,根据气孔的形成方式可分为：析出型气孔和反应型气孔a）析出型气孔：在凝固速度大或有枝晶阻拦时，形成的气泡来不及上浮逸出，便留在铸锭内成为气孔。只有析出气体的压力大于外部总压力时，才可能形成气泡。否则，气体将呈固溶状态存在于铸锭中。,5.铸锭气孔,铸锭常见凝固缺陷,（2）气孔分类,气体能否在铸锭中形成气孔，与许多条件有关：气体浓度大，容易形成气孔；冷却强度大，凝固区窄，不易形成气孔；结晶温度范围宽，凝固区宽，枝晶发达，易于形成枝晶间的缩松气孔。防止析出型气孔的有效方法：搞好精炼去气去渣，浇注时加大
19、冷却强度。,b）反应型气孔：金属凝固过程中，与模壁表面水分、涂料及润滑剂之间或金属液内部发生化学反应，产生的气体形成气泡后，来不及上浮逸出而形成的气孔。高温下金属与水蒸气反应产生的氢气。润滑油燃烧产生的气体。二次冷却水的水蒸气、涂料和润滑油挥发产生的气体。防止方法：注意干燥，供流均匀，适当减小结晶器喷水角以免水气侵入，模壁经常清理。,5.铸锭气孔,铸锭常见凝固缺陷,（2）气孔分类,非金属渣是铸锭的重要缺陷，因其报废的废品量仅次于裂纹。非金属夹渣包括：氧化物、氮化物、碳化物、硫化物、熔渣、熔剂夹渣等。 氧化膜是非金属夹渣的一种，是某些铝合金铸锭所需要检验的一种特有缺陷。它一般是指存在于铸锭中的细
20、微的薄膜状金属氧化物，如氧化铝、氧化镁等。,6.非金属夹渣,铸锭常见凝固缺陷,防止办法：消除铸锭夹渣和减小氧化膜污染的最有效的办法是让金属在进入铸造前进行过滤，如用耐热玻璃丝网，或刚玉砂微孔管，或Al2O3球加惰性气体吹洗法等。一般情况下做到： 选择有效的精炼方法，适当提高精炼温度，彻底精炼。 保证足够的熔体静置时间。 建立良好的转注条件，设法减少液体金属的冲击、翻滚、让液流在氧化膜复盖下平稳地流动。 铸造开头、收尾注意打渣。 使用的原材料和铸造工具要清洁、干燥。,6.非金属夹渣,铸锭常见凝固缺陷,总结：,1.偏析 （1）晶内偏析 （2）晶界偏析 （3）比重偏析 （4）正偏析与反偏析 （5）偏析瘤 （6）防止偏析的方法,4.冷隔 （1） 冷隔的特征 （2） 冷隔的危害 （3） 冷隔的成因 （4） 防止冷隔的途径,铸锭常见凝固缺陷,3.裂纹 （1） 铸造造应力的形成 （2） 热裂纹 （3） 冷裂纹 （4） 防止裂纹的途径,5.气孔 （1） 气孔的特征 （2） 气孔的分类,6.非金属夹渣 防止办法,2.缩孔与疏松 （1）金属的凝固收缩 （2）缩孔与疏松的形成 （3）影响缩孔与疏松的因素 （4） 防止缩孔与疏松的途径,测试题,谢谢!,
