材料成形原理第5章

1、第第5章章 鑄件凝固組織的形成與控制鑄件凝固組織的形成與控制 5-1 5-1 鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機理鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機理 鑄件的宏觀凝固組織鑄件的宏觀凝固組織 三個晶區(qū)三個晶區(qū) ：表面細(xì)晶粒區(qū)表面細(xì)晶粒區(qū)：緊靠型壁的外殼層，由紊亂排列的細(xì)小等軸晶所組成，緊靠型壁的外殼層，由紊亂排列的細(xì)小等軸晶所組成，僅幾個晶粒厚僅幾個晶粒厚柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)：由自外向內(nèi)沿著熱流方向彼此平行排列的柱狀晶所組成由自外向內(nèi)沿著熱流方向彼此平行排列的柱狀晶所組成 內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)：由紊亂排列的粗大等軸晶所組成由紊亂排列的粗大等軸晶所組成 晶區(qū)數(shù)目晶區(qū)數(shù)目以及柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的以及柱狀晶區(qū)

2、和等軸晶區(qū)的相對寬度相對寬度隨隨合金性質(zhì)合金性質(zhì)和具體和具體凝固條件凝固條件而變化，在一定條件下，可獲得完全由柱而變化，在一定條件下，可獲得完全由柱狀晶或等軸晶所組成的宏觀結(jié)晶組織狀晶或等軸晶所組成的宏觀結(jié)晶組織 ：完全柱狀晶完全柱狀晶完全等軸晶完全等軸晶 1.1.表面細(xì)晶粒區(qū)的形成表面細(xì)晶粒區(qū)的形成二、鑄件宏觀凝固組織的形成機理二、鑄件宏觀凝固組織的形成機理 鑄型壁附近熔體受到鑄型壁附近熔體受到強烈的激冷強烈的激冷作用而大量形核，形成無作用而大量形核，形成無方向性的表面細(xì)等軸晶組織，也叫方向性的表面細(xì)等軸晶組織，也叫“激冷晶激冷晶”。 細(xì)化程度取決于細(xì)化程度取決于 型壁散熱條件型壁散熱條件所

3、決定的所決定的過冷度和凝固區(qū)域的寬度過冷度和凝固區(qū)域的寬度。 型壁附近熔體內(nèi)大量的型壁附近熔體內(nèi)大量的非均勻形核非均勻形核 各種形式的各種形式的晶粒游離晶粒游離 前提：抑制鑄件形成前提：抑制鑄件形成穩(wěn)定的凝固殼層穩(wěn)定的凝固殼層 凝固殼層凝固殼層界面處晶粒單向散熱界面處晶粒單向散熱晶粒逆熱流方向擇優(yōu)生晶粒逆熱流方向擇優(yōu)生長而形成柱狀晶長而形成柱狀晶 返回目錄返回目錄 2.柱狀晶區(qū)的形成柱狀晶區(qū)的形成 穩(wěn)定凝固殼層穩(wěn)定凝固殼層產(chǎn)生產(chǎn)生柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)開始開始 內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)形成形成柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)結(jié)束結(jié)束 柱狀晶區(qū)的寬度及存在取決于上述兩個因柱狀晶區(qū)的寬度及存在取決于上述兩個因素素綜合綜

4、合作用結(jié)果。作用結(jié)果。 生長方式：生長方式：擇優(yōu)生長擇優(yōu)生長柱狀晶擇優(yōu)生長柱狀晶擇優(yōu)生長返回目錄返回目錄各枝晶主干方向互不相同，主各枝晶主干方向互不相同，主干與熱流方向相平行的枝晶干與熱流方向相平行的枝晶生長生長迅速迅速，優(yōu)先向內(nèi)伸展并，優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制抑制相鄰相鄰枝晶的生長。逐漸淘汰掉取向不枝晶的生長。逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組織?？棥８偁幪蕴偁幪蕴x開型壁的距離越遠，取向不離開型壁的距離越遠，取向不利的晶體被淘汰得就越多，柱狀利的晶體被淘汰得就越多，柱狀晶的方向就越集中，同時晶粒的晶的方向就越集中，同時晶粒的平均尺寸也就越大。平均尺寸也就越

5、大。3.內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成 熔體內(nèi)部晶核自由生長的結(jié)果熔體內(nèi)部晶核自由生長的結(jié)果 等軸晶晶核來源等軸晶晶核來源（1）過冷熔體直接形核理論：）過冷熔體直接形核理論：溶質(zhì)原子富集而使界面前方成分過冷增大發(fā)生非均溶質(zhì)原子富集而使界面前方成分過冷增大發(fā)生非均勻形核勻形核（2）激冷晶游離理論）激冷晶游離理論 ：澆注期間和凝固初期的激冷晶游離隨著液流漂移到澆注期間和凝固初期的激冷晶游離隨著液流漂移到鑄件心部，通過增殖，長大形成內(nèi)部等軸晶鑄件心部，通過增殖，長大形成內(nèi)部等軸晶（3）型壁晶粒脫落和枝晶熔斷、游離理論：）型壁晶粒脫落和枝晶熔斷、游離理論：（4）“結(jié)晶雨結(jié)晶雨”游離理論游離理論液

6、面晶粒沉降。液面晶粒沉降。（2）激冷晶游離理論）激冷晶游離理論因澆溫低，澆注中形成的激冷游離晶因澆溫低，澆注中形成的激冷游離晶凝固初期形成凝固初期形成的激冷游離晶的激冷游離晶非均質(zhì)形核的激冷游離晶非均質(zhì)形核的激冷游離晶（3）型壁晶粒脫落和枝晶熔斷、游離理論）型壁晶粒脫落和枝晶熔斷、游離理論圖圖 型壁晶粒脫落示意圖型壁晶粒脫落示意圖型壁晶體或柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和型壁晶體或柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖增殖理論基點為溶質(zhì)再分配。理論基點為溶質(zhì)再分配。 圖圖 枝晶分枝枝晶分枝“縮頸縮頸”的形成的形成b) c)為二、三次分枝時縮頸形成過程示意圖。為二、三次分枝時縮頸形成過程示

7、意圖。V為生長方向。為生長方向。d)環(huán)乙烷的枝晶，可見分枝縮頸環(huán)乙烷的枝晶，可見分枝縮頸 溶質(zhì)濃度再分配溶質(zhì)濃度再分配界面前沿液態(tài)金屬凝固點降低界面前沿液態(tài)金屬凝固點降低實際過冷度減小。實際過冷度減小。溶質(zhì)偏析程度越大，實際過冷度就越小，其生長速度就越緩慢。溶質(zhì)偏析程度越大，實際過冷度就越小，其生長速度就越緩慢。晶體晶體根部根部緊靠型壁，溶質(zhì)在液體中擴散均化的條件最差，偏析程度最為嚴(yán)重，緊靠型壁，溶質(zhì)在液體中擴散均化的條件最差，偏析程度最為嚴(yán)重，生長受到強烈抑制。生長受到強烈抑制。遠離根部遠離根部，界面前方的溶質(zhì)易于通過擴散和對流而均勻化，面臨較大的過冷，界面前方的溶質(zhì)易于通過擴散和對流而均勻

8、化，面臨較大的過冷，其生長速度要快得多。其生長速度要快得多。故在晶體生長過程中將產(chǎn)生根部故在晶體生長過程中將產(chǎn)生根部“縮頸縮頸”現(xiàn)象，生成頭大根小的晶?！，F(xiàn)象，生成頭大根小的晶粒。熔點最低而又最脆弱的縮頸極易斷開，晶粒自型壁脫落而導(dǎo)致晶粒游離熔點最低而又最脆弱的縮頸極易斷開，晶粒自型壁脫落而導(dǎo)致晶粒游離 枝干生長枝干生長側(cè)面溶質(zhì)偏析層阻礙側(cè)面的生長，偶然產(chǎn)生的凸出部分突破此層，側(cè)面溶質(zhì)偏析層阻礙側(cè)面的生長，偶然產(chǎn)生的凸出部分突破此層，進入較大的成分過冷區(qū)內(nèi)，長出較粗大的分枝，從而在分枝根部留下縮頸。進入較大的成分過冷區(qū)內(nèi)，長出較粗大的分枝，從而在分枝根部留下縮頸。晶粒增殖晶粒增殖: 處于自由狀

9、態(tài)下的游離晶一般具有樹枝晶結(jié)構(gòu)，在液流中漂移處于自由狀態(tài)下的游離晶一般具有樹枝晶結(jié)構(gòu)，在液流中漂移時不斷通過不同的溫度區(qū)域和濃度區(qū)域，受到溫度波動和濃度波動的沖擊時不斷通過不同的溫度區(qū)域和濃度區(qū)域，受到溫度波動和濃度波動的沖擊表面反復(fù)局部熔化和反復(fù)生長表面反復(fù)局部熔化和反復(fù)生長分枝根部縮頸可能斷開而破碎成幾部分分枝根部縮頸可能斷開而破碎成幾部分在低溫下各自生長為新的游離晶。在低溫下各自生長為新的游離晶。 液態(tài)金屬流動的作用：液態(tài)金屬流動的作用：液態(tài)金屬的流動形式液態(tài)金屬的流動形式澆注過程中的流動澆注過程中的流動 凝固期間的對流凝固期間的對流 自然對流自然對流強迫對流強迫對流鑄型和液面處溫度低、

10、密度大而下沉鑄型和液面處溫度低、密度大而下沉 中心部分溫度較高、密度小而上浮中心部分溫度較高、密度小而上浮 溶質(zhì)再分配引起界面前沿液體成分和密度的變化 游離晶體和液態(tài)金屬之間密度差異 澆注過程中的注入動量澆注過程中的注入動量 、電磁攪拌、機械攪拌電磁攪拌、機械攪拌 液態(tài)金屬流動對鑄件結(jié)晶中晶粒游離過程的作用液態(tài)金屬流動對鑄件結(jié)晶中晶粒游離過程的作用主要是通過影響其主要是通過影響其傳熱和傳質(zhì)傳熱和傳質(zhì)過程而實現(xiàn)的：過程而實現(xiàn)的： （1）傳熱方面：液態(tài)金屬的流動）傳熱方面：液態(tài)金屬的流動加速其過熱熱量的散失加速其過熱熱量的散失，使全部液態(tài)金屬在澆注后的瞬間（小于使全部液態(tài)金屬在澆注后的瞬間（小于3

11、0s）從澆注溫度）從澆注溫度下降到凝固溫度。下降到凝固溫度。 （2）傳質(zhì)方面：液態(tài)金屬流動的最大作用在于導(dǎo)致）傳質(zhì)方面：液態(tài)金屬流動的最大作用在于導(dǎo)致游離游離晶粒的漂移和堆積晶粒的漂移和堆積，并使各種晶粒游離現(xiàn)象得以不斷進行。，并使各種晶粒游離現(xiàn)象得以不斷進行。 同時改變界面前沿的同時改變界面前沿的溶質(zhì)分布狀態(tài)溶質(zhì)分布狀態(tài)，加速流體宏觀成分的，加速流體宏觀成分的均勻化。均勻化。 （4）“結(jié)晶雨結(jié)晶雨”游離理論游離理論 液面處形成的晶粒液面處形成的晶粒+頂部凝固層脫落的分頂部凝固層脫落的分枝枝密度比液體大密度比液體大下沉下沉產(chǎn)生晶粒游離。產(chǎn)生晶粒游離。 多發(fā)生在大型鑄錠的凝固過程中多發(fā)生在大型鑄

12、錠的凝固過程中 鑄件中三晶區(qū)的形成鑄件中三晶區(qū)的形成相互聯(lián)系、彼此制約相互聯(lián)系、彼此制約 穩(wěn)定凝固殼層穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生決定著表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀的產(chǎn)生決定著表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)的過渡，而阻止柱狀晶區(qū)進一步發(fā)展的關(guān)鍵晶區(qū)的過渡，而阻止柱狀晶區(qū)進一步發(fā)展的關(guān)鍵則是則是中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū)的形成。的形成。 晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變是晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變是過冷熔體獨立形核能力過冷熔體獨立形核能力和各和各種形式種形式晶粒游離、漂移與沉積的程度晶粒游離、漂移與沉積的程度這兩個基本這兩個基本條件綜合作用的結(jié)果。決定了鑄件中各晶區(qū)的相條件綜合作用的結(jié)果。決定了鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細(xì)。對大小和晶粒的粗細(xì)。

13、返回目錄返回目錄5-2 5-2 鑄件宏觀凝固組織的控制鑄件宏觀凝固組織的控制 1.鑄件結(jié)晶組織對鑄件質(zhì)量和性能的影響鑄件結(jié)晶組織對鑄件質(zhì)量和性能的影響 表面細(xì)晶粒區(qū)薄，對鑄件的質(zhì)量和性能影響不大。表面細(xì)晶粒區(qū)薄，對鑄件的質(zhì)量和性能影響不大。鑄件的質(zhì)量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的鑄件的質(zhì)量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的比例比例以及以及晶粒的晶粒的大小大小。 （1）柱狀晶：）柱狀晶：生長過程中凝固區(qū)域窄，橫向生長受到相鄰晶體的阻礙，枝晶生長過程中凝固區(qū)域窄，橫向生長受到相鄰晶體的阻礙，枝晶不能充分發(fā)展，不能充分發(fā)展，分枝少分枝少，結(jié)晶后顯微縮松等，結(jié)晶后顯微縮松等晶間雜質(zhì)少晶間雜質(zhì)少

14、，組組織致密織致密。但柱狀晶比較但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，粗大，晶界面積小，排列位向一致，其性能具有排列位向一致，其性能具有明顯的明顯的方向性方向性：縱向好、橫向差。凝固界面前方常匯集有較：縱向好、橫向差。凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質(zhì)氣體多的第二相雜質(zhì)氣體 ，將導(dǎo)致鑄件，將導(dǎo)致鑄件熱裂熱裂。 （2）等軸晶：）等軸晶：晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向也各不相同，故也各不相同，故性能均勻而穩(wěn)定，沒有方向性性能均勻而穩(wěn)定，沒有方向性。枝晶比較發(fā)達，枝晶比較發(fā)達，顯微縮松較多顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。，凝固后組

15、織不夠致密。細(xì)化能使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高細(xì)化能使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項性能。各項性能。晶粒越細(xì)綜合性能越好晶粒越細(xì)綜合性能越好。對塑性較好的有色金屬或奧氏體不銹鋼錠，希望得到較多的對塑性較好的有色金屬或奧氏體不銹鋼錠，希望得到較多的柱狀晶柱狀晶，增加其致密度；，增加其致密度；對一般鋼鐵材料和塑性較差的有色金屬鑄錠，希望獲得較多對一般鋼鐵材料和塑性較差的有色金屬鑄錠，希望獲得較多的甚至是全部的甚至是全部細(xì)小的等軸晶細(xì)小的等軸晶組織；組織；對于高溫下工作的零件，通過對于高溫下工作的零件，通過單向結(jié)晶單向結(jié)晶消除橫向晶界，防止消除橫向晶界，防止晶界降

16、低蠕變抗力。晶界降低蠕變抗力。等軸晶組織的獲得和細(xì)化等軸晶組織的獲得和細(xì)化 強化非均勻形核強化非均勻形核 促進晶粒游離促進晶粒游離 抑制柱狀晶區(qū)抑制柱狀晶區(qū)2、鑄件宏觀組織的控制途徑和措施、鑄件宏觀組織的控制途徑和措施 （1）加入強生核劑）加入強生核劑孕育處理孕育處理孕育孕育向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達到增加晶核數(shù)、細(xì)向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達到增加晶核數(shù)、細(xì)化晶粒、改善組織之目的的一種方法?；Я?、改善組織之目的的一種方法。Inoculation（變質(zhì)（變質(zhì)加入少量物質(zhì)通過元素的選擇性分布而改變晶體加入少量物質(zhì)通過元素的選擇性分布而改變晶體的生長形貌，如球化或細(xì)化。的生長形貌，如球化或細(xì)化

17、。Modification） A.形核劑形核劑 ：a）直接作為外加晶核）直接作為外加晶核 b）通過與液態(tài)金屬的相互作用而產(chǎn)生非均勻晶核）通過與液態(tài)金屬的相互作用而產(chǎn)生非均勻晶核能與液相中某些元素組成較穩(wěn)定的化合物能與液相中某些元素組成較穩(wěn)定的化合物 通過在液相中造成大的微區(qū)富集而使結(jié)晶相提前彌散析出通過在液相中造成大的微區(qū)富集而使結(jié)晶相提前彌散析出B.強成分過冷元素強成分過冷元素：通過在生長界面前沿的富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部通過在生長界面前沿的富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生細(xì)弱縮頸，從而產(chǎn)生細(xì)弱縮頸，從而促進晶粒的游離促進晶粒的游離。強化熔體內(nèi)部的強化熔體內(nèi)部的非均勻形核非均勻形

18、核，孕育劑富集孕育劑富集抑制晶體生長抑制晶體生長 時間效應(yīng)時間效應(yīng) : 孕育期孕育期孕育衰退孕育衰退 （2） 控制澆注條件控制澆注條件 低的低的澆注溫度澆注溫度。熔體的過熱度較小，與澆道內(nèi)。熔體的過熱度較小，與澆道內(nèi)壁接觸就能產(chǎn)生大量的游離晶粒。有助于已形成壁接觸就能產(chǎn)生大量的游離晶粒。有助于已形成的游離晶粒的殘存，這對等軸晶的形成和細(xì)化有的游離晶粒的殘存，這對等軸晶的形成和細(xì)化有利。利。 合適的澆注工藝。合適的澆注工藝。強化液流沖刷強化液流沖刷型壁能擴大并型壁能擴大并細(xì)化等軸晶區(qū)。細(xì)化等軸晶區(qū)。(a)中心頂注法中心頂注法 （b)靠近型壁（靠近型壁（6孔）頂注法孔）頂注法 圖圖 不同澆注工藝鑄

19、錠的宏觀組織不同澆注工藝鑄錠的宏觀組織（3）鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)）鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)薄壁薄壁鑄件：激冷使整個斷面同時產(chǎn)生較大的過冷，容易鑄件：激冷使整個斷面同時產(chǎn)生較大的過冷，容易獲得細(xì)等軸晶。獲得細(xì)等軸晶。型壁較厚型壁較厚或或?qū)嵝暂^差導(dǎo)熱性較差的鑄件，等軸晶區(qū)的形成主要依的鑄件，等軸晶區(qū)的形成主要依靠各種形式的晶粒游離?？扛鞣N形式的晶粒游離。 a.鑄型激冷能力的影響：如金屬型、石墨型鑄型激冷能力的影響：如金屬型、石墨型b.鑄型表面的粗糙度鑄型表面的粗糙度 （4） 動態(tài)晶粒細(xì)化動態(tài)晶粒細(xì)化熔體在凝固過程中存在長時間、激烈的熔體在凝固過程中存在長時間、激烈的對流對流。 （晶粒或枝晶脫落、破碎、游

20、離、增殖）（晶粒或枝晶脫落、破碎、游離、增殖） 振動振動機械振動、電磁振動、音頻或超聲波振動機械振動、電磁振動、音頻或超聲波振動 攪拌攪拌機械、電磁攪拌機械、電磁攪拌 旋轉(zhuǎn)振蕩旋轉(zhuǎn)振蕩 周期性地改變鑄型的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度周期性地改變鑄型的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度 晶粒平均直徑/mm 3 2 10 5 0 1 振幅/(in10-3) 0 15 20 振動對晶粒大小的影響（lin=2.54cm）圖圖 利用旋轉(zhuǎn)磁場控制利用旋轉(zhuǎn)磁場控制晶粒組織晶粒組織柱狀晶區(qū)（未加磁場）柱狀晶區(qū)（未加磁場）細(xì)等軸晶區(qū)（加磁場）細(xì)等軸晶區(qū)（加磁場）返回目錄返回目錄5-3 氣孔與夾雜 1.析出性氣孔析出性氣孔 在冷卻及凝固過

21、程中，在冷卻及凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出氣因氣體溶解度下降，析出氣體，來不及從液面排出而形體，來不及從液面排出而形成氣孔。成氣孔。含含氫氫量量2.反應(yīng)性氣孔反應(yīng)性氣孔金屬液鑄型之間、金屬液金屬液鑄型之間、金屬液內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔氣孔一、氣孔鑄件中氣孔的形成示意圖鑄件中氣孔的形成示意圖溶質(zhì)分布方程：溶質(zhì)分布方程： 01( )1exp()LLkvCxCxkD液相中氣體濃度超過某飽和氣體濃度液相中氣體濃度超過某飽和氣體濃度SL時，才析出氣泡，則產(chǎn)生過飽和濃度區(qū)時，才析出氣泡，則產(chǎn)生過飽和濃度區(qū)X（x=x，CL=SL）：）： 01ln1LLDkxvSkC （2

22、）長大條件： 氣體內(nèi)部各氣體分壓總和外界壓力內(nèi)部壓力 p氣=pH2+pN2+pO2+pH2O外界壓力 pn=pa+pM+p pa 為大氣壓 pM金屬靜壓力H p 表面壓力的附加壓力 p=2/r 即： p氣pa+ H 2/r r p 難長大難長大 異質(zhì)形核異質(zhì)形核 r p 利于長大利于長大（3）上浮上浮條件：條件： 氣泡脫離現(xiàn)成表面而上浮氣泡脫離現(xiàn)成表面而上浮 取決于液、氣、固三者間的表面張力取決于液、氣、固三者間的表面張力 氣泡與現(xiàn)成表面的潤濕角氣泡與現(xiàn)成表面的潤濕角gg, 22, 1, 1cos(a) 90 長大到頸縮后才能脫離長大到頸縮后才能脫離 動力學(xué)動力學(xué)條件：條件： 取決于：取決于：

23、 上浮速度上浮速度ve與凝固速度與凝固速度R 當(dāng)當(dāng)ve pa+ H 2/r2.反應(yīng)性氣孔形成機理反應(yīng)性氣孔形成機理（1）金屬液與鑄型（芯）反應(yīng)性氣孔）金屬液與鑄型（芯）反應(yīng)性氣孔 （皮下氣孔）（皮下氣孔）原因：鑄型水分高、透氣性低；原因：鑄型水分高、透氣性低； 合金中有易氧化成分；熔點較高的合金（鋼、鐵、銅）合金中有易氧化成分；熔點較高的合金（鋼、鐵、銅） 一定中等壁厚范圍內(nèi)。一定中等壁厚范圍內(nèi)。機理：氫氣說機理：氫氣說 氮氣說氮氣說有樹脂粘結(jié)劑時有樹脂粘結(jié)劑時 CO說說1）渣氣孔）渣氣孔例例 鋼中鋼中 CO不溶，但氧或氧化物與碳反應(yīng)形成不溶，但氧或氧化物與碳反應(yīng)形成CO（FeO）+C = C

24、O+Fe（MnO）+C = CO+Mn（SiO2）+2C = 2CO+ Si（Cu2O）+2H = 2Cu+H2O (氣氣)（2）金屬液內(nèi)反應(yīng)性氣孔）金屬液內(nèi)反應(yīng)性氣孔2）金屬液中元素間反應(yīng)性氣孔）金屬液中元素間反應(yīng)性氣孔碳氧反應(yīng)氣孔碳氧反應(yīng)氣孔水蒸氣反應(yīng)氣孔水蒸氣反應(yīng)氣孔碳?xì)浞磻?yīng)氣孔碳?xì)浞磻?yīng)氣孔1、危害、危害 有效工作斷面有效工作斷面 b 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 裂紋裂紋 疏松疏松 氣密性氣密性 耐蝕性耐蝕性2、防止措施、防止措施 針對形成原因針對形成原因 3析出性氣孔的防止析出性氣孔的防止以下主要因素影響析出性氣孔的形成：以下主要因素影響析出性氣孔的形成：金屬液原始含氣量金屬液原始含氣量C C0

25、 0 C0含量愈高，含量愈高，CL、x和和t都將增都將增大，大，C0高時，凝固前沿的液相能較早析出氣泡。高時，凝固前沿的液相能較早析出氣泡。C0不高時，不高時，就依附縮孔較遲析出。就依附縮孔較遲析出。冷卻速度冷卻速度 冷卻速度愈快，凝固區(qū)域就愈小，枝晶不易冷卻速度愈快，凝固區(qū)域就愈小，枝晶不易封閉液相，凝固速度封閉液相，凝固速度v愈大，則愈大，則x和和t愈小，氣體來不及擴愈小，氣體來不及擴散，因而氣孔不易形成。散，因而氣孔不易形成。合金成分合金成分 影響原始含氣量影響原始含氣量C0 ，決定分配系數(shù)決定分配系數(shù)k和擴散和擴散系數(shù)系數(shù)DL以及合金收縮大小及凝固區(qū)域。以及合金收縮大小及凝固區(qū)域。氣體

26、性質(zhì)氣體性質(zhì) 氫比氮的擴散速度快氫比氮的擴散速度快 可從以下途徑來防止或減少它的產(chǎn)生?？蓮囊韵峦緩絹矸乐够驕p少它的產(chǎn)生。1減少金屬液的原始含氣量減少金屬液的原始含氣量C0減少金屬液的吸氣量減少金屬液的吸氣量 盡量減少或防止氣體進入金屬內(nèi)。盡量減少或防止氣體進入金屬內(nèi)。對金屬液采取除氣處理對金屬液采取除氣處理 （a a）浮游去氣，即向金屬液中吹入不溶于金屬的氣體，浮游去氣，即向金屬液中吹入不溶于金屬的氣體，使溶解的氣體進入氣泡而排除；使溶解的氣體進入氣泡而排除；（b b）采用真空去氣；采用真空去氣；（c c）氧化去氣，對能溶解氧的金屬液（如銅液），可先氧化去氣，對能溶解氧的金屬液（如銅液），可先

27、吹氧去氫，然后再脫氧；吹氧去氫，然后再脫氧；（d d）冷凝除氣法，即緩慢冷到凝固溫度，然后迅速加熱冷凝除氣法，即緩慢冷到凝固溫度，然后迅速加熱至澆注溫度。至澆注溫度。 2阻止氣體析出阻止氣體析出阻止?jié)踩腓T型內(nèi)的金屬液析出氣體的方法有：阻止?jié)踩腓T型內(nèi)的金屬液析出氣體的方法有：提高鑄件冷卻速度提高鑄件冷卻速度 對易產(chǎn)生析出性氣孔的鋁合金盡量采用金屬型鑄造。對易產(chǎn)生析出性氣孔的鋁合金盡量采用金屬型鑄造。提高鑄件凝固時的外壓提高鑄件凝固時的外壓 這可以有效阻止氣體的析出。如將澆注的鋁合金鑄型放在這可以有效阻止氣體的析出。如將澆注的鋁合金鑄型放在通入通入46大氣壓的壓縮空氣的壓力寶中凝固大氣壓的壓縮空氣

28、的壓力寶中凝固, ,可有效地減少可有效地減少或消除鋁合金鑄件中的氣孔。或消除鋁合金鑄件中的氣孔。 二二 夾雜物夾雜物1、來源：、來源： 內(nèi)生夾雜內(nèi)生夾雜：熔化與凝固過程冶金反應(yīng)產(chǎn)物：熔化與凝固過程冶金反應(yīng)產(chǎn)物 脫脫O P S 產(chǎn)物產(chǎn)物 N2 、 O2 、 P 溶解溶解 偏析偏析 形成第二相形成第二相 外來夾雜外來夾雜： 熔爐耐火材料熔爐耐火材料 、造型材料、造型材料按形成時間先后：初生夾雜物按形成時間先后：初生夾雜物 次生夾雜物次生夾雜物 二次氧化夾雜物二次氧化夾雜物決定于夾雜物的決定于夾雜物的 成分、性能、形狀、大小、數(shù)量、分布成分、性能、形狀、大小、數(shù)量、分布=硬脆硬脆k 球形球形 影響影

29、響；針狀、尖角；針狀、尖角 影響影響（應(yīng)力集中）（應(yīng)力集中）事物的另一方面：事物的另一方面： 高熔點、細(xì)小顆粒高熔點、細(xì)小顆粒 好的作用好的作用 非自發(fā)形核核心非自發(fā)形核核心 細(xì)化細(xì)化 沉淀強化沉淀強化N化物彌散化物彌散 新學(xué)科的產(chǎn)生新學(xué)科的產(chǎn)生 MMC，人為的加入高性能陶瓷相人為的加入高性能陶瓷相2、危害、危害： 連續(xù)性，均勻性破壞連續(xù)性，均勻性破壞力學(xué)性能力學(xué)性能 致密性致密性 耐蝕性能耐蝕性能 紅脆紅脆 熱裂（低熔點相）熱裂（低熔點相） 裂紋源裂紋源鋼中鋼中MnS夾雜物引起的裂紋源及擴張過程夾雜物引起的裂紋源及擴張過程a)原始狀態(tài)原始狀態(tài) b)受力后產(chǎn)生裂紋受力后產(chǎn)生裂紋 c)d)裂紋繼

30、續(xù)擴展裂紋繼續(xù)擴展 澆注前的熔煉及熔體處理中，冶金反應(yīng)產(chǎn)生。澆注前的熔煉及熔體處理中，冶金反應(yīng)產(chǎn)生。 夾雜物容易聚合、長大夾雜物容易聚合、長大 防止措施：防止措施： （1）加溶劑）加溶劑吸收夾雜吸收夾雜 （2）除氣處理時也可將夾雜物攜帶上浮排出）除氣處理時也可將夾雜物攜帶上浮排出 （3）過濾法）過濾法3、初生夾雜物的形成及防止措施、初生夾雜物的形成及防止措施4、二次氧化夾雜物的形成及防止措施、二次氧化夾雜物的形成及防止措施（1）形成）形成澆注及填充鑄型的過程中氧化形成澆注及填充鑄型的過程中氧化形成（2）防止）防止合理的澆注工藝及澆冒口系統(tǒng)，合理的澆注工藝及澆冒口系統(tǒng)，平穩(wěn)充型平穩(wěn)充型 控制金屬

31、液的易氧化元素控制金屬液的易氧化元素 鑄型內(nèi)鑄型內(nèi)造造還原型氣氛還原型氣氛5、次生夾雜物、次生夾雜物凝固過程中，溶質(zhì)再分配，溶質(zhì)富集，偏晶結(jié)晶析出夾雜物凝固過程中，溶質(zhì)再分配，溶質(zhì)富集，偏晶結(jié)晶析出夾雜物例如：例如：Fe中富集中富集Mn和和S時：時：圖圖 夾雜物粘附晶體示意圖夾雜物粘附晶體示意圖 （a)粘附后粘附后 （b)粘附前粘附前粘附發(fā)生的條件：粘附發(fā)生的條件：LcLiic圖圖 偏析夾雜物被粘附陷入晶內(nèi)示意圖偏析夾雜物被粘附陷入晶內(nèi)示意圖夾雜物被排斥推入液相示意圖夾雜物被排斥推入液相示意圖131323231212sinsinsin晶界殘留較多夾雜物時的形狀：晶界殘留較多夾雜物時的形狀：12

32、1122cos132312120132312不同二面角晶間夾雜物的形狀示意圖不同二面角晶間夾雜物的形狀示意圖121122cos5-4 5-4 縮孔與縮松的形成原理縮孔與縮松的形成原理 1、收縮的基本概念、收縮的基本概念 鑄件在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)冷卻過程中發(fā)生的體積鑄件在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)冷卻過程中發(fā)生的體積減少。減少。體收縮體收縮金屬從液態(tài)到常溫（室溫）的體積改變量金屬從液態(tài)到常溫（室溫）的體積改變量 )(1 1001TTVVv線收縮線收縮金屬在固態(tài)時從高溫到常溫（室溫）的線尺金屬在固態(tài)時從高溫到常溫（室溫）的線尺寸改變量寸改變量 )(1 1001TTLLL%100)(%100/ )(1001

33、0TTVVVvv%100)(%100/ )(10010TTLLLLL體收縮率：體收縮率：線收縮率：線收縮率：1、液態(tài)收縮：、液態(tài)收縮：%100)(LTTvv澆液液2、凝固收縮：、凝固收縮：3、固態(tài)收縮：、固態(tài)收縮：%100)(S室固固TTvv%100)(S室TTLL2、鑄鋼的收縮、鑄鋼的收縮圖圖 碳鋼的比容與溫度和含碳量的關(guān)系碳鋼的比容與溫度和含碳量的關(guān)系10.35C；20.25%C；30.8%C（1）液態(tài)）液態(tài)（2）凝固）凝固（3）固態(tài)收縮）固態(tài)收縮a.珠光體轉(zhuǎn)變前收縮珠光體轉(zhuǎn)變前收縮b.共析轉(zhuǎn)變期的膨脹共析轉(zhuǎn)變期的膨脹c.珠光體轉(zhuǎn)變后收縮珠光體轉(zhuǎn)變后收縮珠后珠前固vVvv3、鑄鐵的收縮、鑄

34、鐵的收縮圖圖 鑄鐵的收縮過程曲線鑄鐵的收縮過程曲線1白口鑄鐵；白口鑄鐵；2灰鑄鐵灰鑄鐵610)3090(Cv液(1)液態(tài)收縮液態(tài)收縮（2）凝固收縮：）凝固收縮：狀態(tài)改變溫度降低狀態(tài)改變溫度降低)(L)()(TTSLvSLvv澆凝析出析出1石墨，體積增大石墨，體積增大2凝凝灰鑄鐵灰鑄鐵凝固收縮凝固收縮與碳當(dāng)量的關(guān)系與碳當(dāng)量的關(guān)系（3）鑄鐵的）鑄鐵的固體收縮固體收縮曲線曲線 圖圖 Fe-C合金的自由線收縮曲線合金的自由線收縮曲線1碳鋼；碳鋼；2白口鐵；白口鐵；3灰鑄鐵；灰鑄鐵；4球墨鑄鐵球墨鑄鐵縮孔縮孔：凝固體積收縮，得不到液態(tài)金屬的補充凝固體積收縮，得不到液態(tài)金屬的補充 逐層凝逐層凝固時固時 通

35、過液態(tài)金屬的流動使收縮集中于鑄件最后凝固通過液態(tài)金屬的流動使收縮集中于鑄件最后凝固部位形成部位形成集中集中縮孔?？s孔。縮松縮松：糊狀凝固糊狀凝固糊狀區(qū)、液固共存糊狀區(qū)、液固共存液體流動困難液體流動困難晶間樹枝間得不到補充晶間樹枝間得不到補充 分散的小縮孔分散的小縮孔危害：危害： 機械性能、機械性能、 氣密性、耐蝕性、鍛造裂紋氣密性、耐蝕性、鍛造裂紋鑄件中縮孔的形成示意圖鑄件中縮孔的形成示意圖 Al-4.5%Cu合金中的顯微縮松合金中的顯微縮松a.含氣量高的顯微縮松與球形孔洞；含氣量高的顯微縮松與球形孔洞；b.樹枝間的顯微縮松樹枝間的顯微縮松圖圖 鑄鐵共晶石墨長大特點示意圖鑄鐵共晶石墨長大特點示

36、意圖灰鑄鐵灰鑄鐵“自補縮能力自補縮能力”球墨鑄鐵球墨鑄鐵膨脹力大膨脹力大若鑄型移動若鑄型移動縮松傾向大縮松傾向大 若鑄型剛性大若鑄型剛性大自補縮自補縮圖圖 灰鐵與球鐵在濕砂型中澆注的膨脹曲線灰鐵與球鐵在濕砂型中澆注的膨脹曲線灰鑄鐵灰鑄鐵“自補縮能力自補縮能力”球墨鑄鐵球墨鑄鐵膨脹力大膨脹力大若鑄型移動若鑄型移動縮松傾向大縮松傾向大 若鑄型剛性大若鑄型剛性大自補縮自補縮產(chǎn)生縮孔、縮松產(chǎn)生縮孔、縮松因素與控制：因素與控制：收縮必然性收縮必然性縮孔或縮松縮孔或縮松取決于凝固方式（層、糊）取決于凝固方式（層、糊）影響凝固方式因素：影響凝固方式因素： 成分、溫度梯度成分、溫度梯度影響縮孔和縮松大小的因素

37、：影響縮孔和縮松大小的因素：金屬的性質(zhì)；鑄型條件金屬的性質(zhì)；鑄型條件(激冷能力激冷能力) 澆注條件；鑄件尺寸澆注條件；鑄件尺寸縮孔防止縮孔防止：合理設(shè)計澆冒口系統(tǒng)：合理設(shè)計澆冒口系統(tǒng) 縮孔于澆冒口中?？s孔于澆冒口中?？s松防止縮松防止：無法通過澆冒口消除。：無法通過澆冒口消除。T 枝晶發(fā)達枝晶發(fā)達 縮松縮松 防止措施防止措施成分選擇成分選擇 澆冒口設(shè)計（縮孔）定向凝固和同時凝固澆冒口設(shè)計（縮孔）定向凝固和同時凝固高壓下澆注與凝固（縮松）高壓下澆注與凝固（縮松）急冷急冷減少糊狀（縮松），如冷鐵減少糊狀（縮松），如冷鐵定向凝固方式示意圖定向凝固方式示意圖均勻壁厚鑄件定向凝固過程均勻壁厚鑄件定向凝固過

38、程圖圖 擴展角對補縮困難區(qū)的影響擴展角對補縮困難區(qū)的影響冷鐵對縮孔位置的影響冷鐵對縮孔位置的影響 （順序凝固）（順序凝固）冷鐵造成冷鐵造成同時凝固同時凝固方式示意圖方式示意圖（四）加壓補縮（四）加壓補縮壓力下凝固壓力下凝固 （壓力釜，擠壓鑄造，高壓鑄造）（壓力釜，擠壓鑄造，高壓鑄造） 微觀偏析-短程偏析，是不平衡凝固造的； 微觀偏析-晶粒內(nèi)部或晶界等微區(qū)內(nèi)成分不均勻現(xiàn)象。 1 枝晶偏析 2 晶界偏析1.微觀偏析5-5化學(xué)成分的偏析（1）枝晶偏析a. 機理 結(jié)晶時冷速較大，擴散來不及，先結(jié)晶富高熔點組元，導(dǎo)致樹枝晶內(nèi)部成分不均勻.b. 影響因素 合金相圖的形狀：垂直、水平距離大偏析嚴(yán)重，垂直比水

39、平影響更大（結(jié)晶溫度低擴散慢） 原子的擴散能力：擴散能力差，更易偏析（1）枝晶偏析b. 影響因素 凝固時的冷卻條件：冷速越大，過冷越大，開始結(jié)晶溫度越低，擴散能力越??；冷速很大，液相中的擴散也受到抑制，發(fā)生無擴散結(jié)晶，偏析程度反而減小。 合金元素：C促S、P偏析；焊 接比鑄造偏析程度小，可能與焊接冷速很大，液相中的擴散受到抑制有關(guān).（2）晶界偏析 在樹枝晶體之間（晶粒與晶 粒之間）最后凝固部分（即 晶界區(qū)）積累了更多的低熔 點組元和雜質(zhì)元素 晶界偏析的程度比晶內(nèi)偏析 更為嚴(yán)重，有時在晶界上還 會出現(xiàn)一些不平衡的第二 相，如低熔點共晶體 產(chǎn)生的原因與枝晶偏析相同 塑性和韌性降低、增加熱裂 傾向、降低耐腐蝕性能等 （3）微觀偏析的消除措施 固相線下100200長時間擴散退 火（均勻化） 熱軋或熱鍛也可改善 宏觀偏析為長程偏析，是發(fā)生于區(qū)域