第7章 凝固缺陷及控制

1、12液液態(tài)態(tài)金金屬屬體積體積收縮收縮變形變形縮孔縮孔縮松縮松裂紋裂紋(冷、熱冷、熱)氣體元素氣體元素雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素化合物化合物夾渣夾渣氣泡氣泡氣孔氣孔過飽和析出過飽和析出降溫凝固降溫凝固受受拘拘束束應(yīng)力應(yīng)力滯留滯留成分偏析成分偏析非平衡凝固非平衡凝固低熔點共晶低熔點共晶37.1 7.1 鑄件凝固缺陷及控制鑄件凝固缺陷及控制7.2 7.2 焊縫的凝固缺陷及控制焊縫的凝固缺陷及控制 主要內(nèi)容4n7.1.1 鑄件的縮孔n7.1.2 鑄件變形和裂紋n7.1.3 鑄件的偏析n7.1.4 鑄件的氣孔n7.1.5 鑄件中的夾雜物7.1 7.1 鑄件凝固缺陷及控制鑄件凝固缺陷及控制5鑄造合金從液態(tài)冷卻到室溫

2、的過程中，其體積和尺寸縮減的現(xiàn)象主要包括以下三個階段：(1)液態(tài)收縮 (2) 凝固收縮 (3) 固態(tài)收縮7.1.1 鑄件的收縮6化學成分化學成分 不同成分的合金其收縮率一般也不相同。在常用鑄造合金中鑄鋼的收縮最大，灰鑄鐵最小。 澆注溫度澆注溫度合金澆注溫度越高，過熱度越大，液體收縮越大。 鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)鑄件形狀和尺寸不同，各部分冷卻速度不同，導致收縮不一致；又加之鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，阻力越大，鑄件的實際收縮率越小。 影響液態(tài)金屬收縮的因素7鑄件凝固過程中由于固態(tài)收縮小于液態(tài)收縮和凝固收縮，而在鑄件內(nèi)部形成的孔洞總稱為縮孔。通常對于大而集中的孔洞稱為縮孔，小而分散的

3、孔洞稱為縮松?？s孔和縮松縮孔和縮松 8（1）縮孔的形成縮孔總是出現(xiàn)在鑄件最后凝固的部位，其外形特征是：內(nèi)表面粗糙，形狀不規(guī)則，多近于倒圓錐形?？s孔形成的主要原因是液態(tài)收縮和凝固收縮。9（2）縮松的形成 散熱方向 凝固層 縮松宏觀縮松宏觀縮松多分布在鑄件最后凝固的部位，顯微縮松顯微縮松則是存在于在晶粒之間的微小孔洞，形成縮松的主要原因也是液態(tài)收縮和凝固收縮所致。10縮松形成的微觀圖示11a）采用采用定向凝固的原則定向凝固的原則 所謂定向凝固，是使鑄件按規(guī)定方向從一部分到另一部分逐漸凝固的過程。冒口冒口和冷鐵和冷鐵的合理使用，可造成鑄件的定向凝固，有效地消除縮孔。b）合理確定鑄件的澆注位置合理確定

4、鑄件的澆注位置、內(nèi)澆道位置及澆注工藝 澆注位置的選擇應(yīng)服從定向凝固原則；內(nèi)澆道應(yīng)開設(shè)在鑄件的厚壁處或靠近冒口；要合理選擇澆注溫度和澆注溫度和澆注速度澆注速度，在不增加其它缺陷的前提下，應(yīng)盡量降低澆注溫度和澆注速度。（3）縮孔、縮松的防止措施12定向凝固原則13c）同時凝固原則澆注此外，還可以用加冷鐵、增加壓力補縮、懸浮冷鐵、增加壓力補縮、懸浮澆注、機械振動、電磁場、離心鑄造等澆注、機械振動、電磁場、離心鑄造等消除一般技術(shù)措施難于消除的縮孔和縮松。 14在鑄件的凝固以及以后的冷卻過程中，隨溫度的不斷降低，收縮不斷發(fā)生，如果這種收縮受到阻礙，就會在鑄件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，引起變形或開裂，這種缺陷的產(chǎn)生，將

5、嚴重影響鑄件的質(zhì)量。7.1.2 鑄造應(yīng)力、變形和裂紋15鑄造應(yīng)力按其產(chǎn)生的原因可分為三種：a）熱應(yīng)力熱應(yīng)力 鑄件在凝固和冷卻過程中，不同部位由于不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。b）固態(tài)相變應(yīng)力固態(tài)相變應(yīng)力 鑄件由于固態(tài)相變，各部分體積發(fā)生不均衡變化而引起的應(yīng)力。c）收縮應(yīng)力（機械阻礙應(yīng)力）收縮應(yīng)力（機械阻礙應(yīng)力） 鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋等外力的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。（1） 鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生16a）采用同時凝固的原則 同時凝固是指通過設(shè)置冷鐵、布置澆口位置等工藝措施，使鑄件溫差盡量變小，基本實現(xiàn)鑄件各部分在同一時間凝固。b）提高鑄型溫度 c）改善鑄型和型芯的退讓性 d）進行去應(yīng)力退

6、火 （2）鑄造應(yīng)力的防止和消除措施17（3）鑄件的變形 金屬框架的變形 平板的變形18鑄件的變形包括鑄件凝固后所發(fā)生的變形以及隨后的切削加工變形。防止鑄件變形有以下幾種方法：a) 采用反變形法采用反變形法 可在模樣上做出與鑄件變形量相等而方向相反的預變形量來抵消鑄件的變形，此種方法稱為反變形法。b) 進行去應(yīng)力退火進行去應(yīng)力退火 鑄件機加工之前應(yīng)先進行去應(yīng)力退火，以穩(wěn)定鑄件尺寸，降低切削加工變形程度。c) 設(shè)置工藝肋設(shè)置工藝肋 為了防止鑄件的鑄態(tài)變形，可在容易變形的部位設(shè)置工藝肋。（4）鑄件變形的防止19a) a) 鑄件裂紋的分類及其形貌鑄件裂紋的分類及其形貌鑄件一般有熱裂熱裂和冷裂冷裂兩種開

7、裂方式。當固態(tài)合金的線收縮受到阻礙，產(chǎn)生的應(yīng)力若超過該溫度下合金的強度，即產(chǎn)生熱裂；而冷裂是鑄件處于彈性狀態(tài)時，鑄造應(yīng)力超過合金的強度極限而產(chǎn)生的。熱裂裂紋一般沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展，其外形曲折短小，裂紋縫內(nèi)表面呈氧化色；冷裂裂紋常常是穿晶斷裂，裂紋細小，外形呈連續(xù)直線狀或圓滑曲線狀，裂紋縫內(nèi)干凈，有時呈輕微氧化色。 （5）鑄件的裂紋及防止20板坯縱裂紋21b b）熱裂紋的影響因素）熱裂紋的影響因素 合金元素和雜質(zhì)的影響 碳元素以及硫、磷等雜質(zhì)元素的增加擴大敏感溫度區(qū),使結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生機會增多。 冷卻速度的影響 冷卻速度增大,一是使結(jié)晶偏析加重,二是使結(jié)晶溫度區(qū)間增大,兩者都會增加結(jié)晶裂紋的出現(xiàn)機會

8、。 結(jié)晶應(yīng)力與拘束應(yīng)力的影響 在脆性溫度區(qū)內(nèi),金屬的強度極低,焊接應(yīng)力又使這部分金屬受拉,當拉應(yīng)力達到一定程度時,就會出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。22c）鑄件裂紋的防止）鑄件裂紋的防止 為有效地防止鑄件裂紋的發(fā)生，應(yīng)盡可能采取措施減小鑄造應(yīng)力；同時金屬在熔煉過程中，應(yīng)嚴格控制有可能擴大金屬凝固溫度范圍元素的加入量及鋼鐵中的硫、磷含量。23偏析偏析鑄件中出現(xiàn)化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。偏析分為宏觀偏析宏觀偏析和微觀偏析微觀偏析兩大類。前者又稱短程偏析，是指微小范圍內(nèi)的化學成分不均勻現(xiàn)象；后者又稱長程偏析或區(qū)域偏析，表現(xiàn)為鑄件各部位之間化學成分的差異。 7.1.3 鑄件的偏析24（1）微觀偏析微觀偏析（a）枝

9、晶偏析）枝晶偏析，又稱晶內(nèi)偏析，是指晶粒內(nèi)各部分化學成分不均勻的現(xiàn)象，這種偏析出現(xiàn)在具有一定凝固溫度范圍的合金鑄件中。為防止和減少枝晶偏析的產(chǎn)生，在生產(chǎn)中常為防止和減少枝晶偏析的產(chǎn)生，在生產(chǎn)中常采取緩慢冷卻或孕育處理的方法，也可以采采取緩慢冷卻或孕育處理的方法，也可以采用均勻化退火的方法消除。用均勻化退火的方法消除。25（a）晶粒平行于生長方向 （b）晶粒相碰（b）晶界偏析26灰鑄鐵中共晶團中心硅偏析灰鑄鐵中共晶團中心硅偏析 a)共晶團心部含硅高(淺色處) b)心部形成鐵素體(深色處)27避免微觀偏析應(yīng)采取的措施避免微觀偏析應(yīng)采取的措施(1) 快速凝固快速凝固，或采取工藝措施造成鑄件斷面較低的

10、溫度梯度，使表層和中心部分接近同時凝固。(2) 攪拌攪拌（機械、電磁攪拌）(3) 孕育處理孕育處理，對于比重偏析可以通過加入孕育劑和形核劑，在鑄件中先形成形成一定的枝晶網(wǎng)阻止晶體的下沉或上浮。(4) 均勻化退火均勻化退火。28鑄件截面的整體上化學成分和組織的不均勻，又稱區(qū)域偏析。宏觀偏析產(chǎn)生的途徑：（a）鑄件凝固早期，固相或液相的沉浮；（b）固液兩相區(qū)內(nèi)液體沿枝晶間的流動。分為正常偏析、逆偏析、比重偏析、V型偏析和倒V型偏析。（2）宏觀偏析29鑄錠內(nèi)部宏觀偏析示意圖30避免宏觀偏析應(yīng)采取的措施避免宏觀偏析應(yīng)采取的措施(1) 快速凝固快速凝固，或采取工藝措施造成鑄件斷面較低的溫度梯度，使表層和中

11、心部分接近同時凝固。(2) 攪拌攪拌（機械、電磁攪拌）(3) 孕育處理孕育處理，對于比重偏析可以通過加入孕育劑和形核劑，在鑄件中先形成形成一定的枝晶網(wǎng)阻止晶體的下沉或上浮。宏觀偏析產(chǎn)生后用均勻化退火的方法無法消除。31氣體進入金屬液，增加金屬中氣體的含量，就構(gòu)成了金屬的吸氣性。如氫，其次是氮和氧。金屬吸氣能夠產(chǎn)生析出性氣孔、反應(yīng)性氣孔和侵入性氣孔 ，其中以析出性氣孔為主。7.1.4 鑄件的氣孔ZG270-500,小型薄壁鑄件，水玻璃砂型鑄造， 氣孔圖片32穩(wěn)定生長階段界面氣體溶質(zhì)分布金屬凝固時存在溶質(zhì)再分配，在某時刻，凝固過程中固固液界面處液界面處液相中所富集的氣體溶質(zhì)濃度將大于過飽和濃度，而

12、析出氣體，形成析出性氣孔。 析出性氣孔33反應(yīng)性氣孔和侵入性氣孔反應(yīng)性氣孔和侵入性氣孔金屬液與鑄型、熔渣相互作用或金屬液內(nèi)部某些組元發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生的氣體所形成的氣孔，則稱為反應(yīng)性氣孔反應(yīng)性氣孔。如果鑄型透氣率低或排氣通道不暢，尤其砂型中受熱的發(fā)氣性物質(zhì)會產(chǎn)生氣體，當氣體壓力在界面上超過一定臨界值時，氣體就會侵入金屬液而未上浮逸出，產(chǎn)生侵入性氣孔侵入性氣孔。 34影響析出性氣孔產(chǎn)生的主要因素(1)合金液原始含氣量C0。(2)合金成分。(3)氣體的性質(zhì)。(4)外界壓力P0(5)鑄件的凝固方式。35防止產(chǎn)生氣孔的主要途徑1 減少金屬液的原始含氣量C0。 (1)減少各種氣體的來源。如爐料應(yīng)烘干，避免

13、有機物污染 (2)控制熔煉溫度，在金屬液表面加覆蓋劑。 (3)采用真空熔煉。2 對金屬液進行除氣處理3 保證鑄型的透氣性4 合理的鑄件結(jié)構(gòu)和鑄造工藝367.1.5 鑄件中的夾雜物n在鑄件內(nèi)部或表面存在著化學成分、物理性能不同于基體金屬的組成物，這種組成物稱為夾雜。例如鑄鐵基體金屬的組織中，除石墨、珠光體、鐵素體、滲碳體和磷共晶以外的組成物，都可稱為夾雜。鑄件中的氣孔，從夾雜角度說，則是一種氣體夾雜物。37ZG34CrMoA鋼錠（帶夾雜物） -4%硝酸酒精浸蝕圖片38非金屬夾雜物的分類（1）氧化物氧化物氧化物包括簡單氧化物如FeO,CuO,Al2O3,SiO2等，復雜氧化物如尖晶石、硅酸鹽。（2

14、）硫化物硫化物FeS,MnS（3）氮化物氮化物VN,TiN,AlN39減少和排除夾雜物的途徑n正確選擇合金成分，控制易氧化元素的含量。n金屬液表面加溶劑，吸收上浮的夾雜物。n采用復合脫氧劑。n采用真空或保護氣氛下的熔煉和澆注，減少氧化氣氛，并平穩(wěn)充型。n過濾法。407.2 焊縫的凝固缺陷及控制n7.2.1 焊接應(yīng)力與變形n7.2.2 焊接缺陷及其防治41（a） 焊接加熱時（b） 焊接冷卻后7.2.1 焊接應(yīng)力與變形421.焊接變形的基本形式（1）收縮變形收縮變形，它是由于焊縫及近焊縫區(qū)縱向和橫向收縮引起，具體表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)長度、寬度縮短（2）彎曲變形彎曲變形，若焊縫分布在鋼板一側(cè)，則引起鋼板彎曲。

15、（3）撓曲、角變形撓曲、角變形，當焊縫在鋼板厚度方向分布不均勻或上下焊縫不是同時焊接時，都會引起撓曲或角變形。432.常見焊件變形的類型（a）縮短變形（c）彎曲變形（b）角變形（d）扭曲變形（e）波浪變形44（1）選擇正確的焊接程序（a）收縮量大的焊縫應(yīng)該先焊。如：一個結(jié)構(gòu)中，既有對接焊縫，又有角接焊縫，則應(yīng)先焊對接焊縫，后焊角焊縫。（b）采用對稱焊接程序，有效減少焊縫變形。3 3 預防和減少焊接應(yīng)力和變形的措施預防和減少焊接應(yīng)力和變形的措施45（2）反變形法（3）預熱法、焊后熱處理預熱目的是使焊接區(qū)的溫度和結(jié)構(gòu)溫度差減少，以降低焊接變形和抗力。對鋼焊件，預熱溫度一般為100350。對于重要結(jié)

16、構(gòu)和精密構(gòu)件，消除應(yīng)力退火是消除焊接應(yīng)力的有效方法。 （a）焊前反變形 （b）焊后467.2.2 焊接缺陷及其防治1. 焊縫金屬化學成分的不均勻焊縫金屬化學成分的不均勻熔池結(jié)晶過程中合金元素分布不均勻，出現(xiàn)偏析；熔合區(qū)偏析更明顯。偏析會導致性能的不均勻，增加了焊縫和熔合區(qū)裂紋出現(xiàn)幾率。（1）焊縫中化學成分不均勻（2）熔合區(qū)化學成分不均勻消除焊縫偏析的措施，例如熔池孕育處理、熔池攪拌等。472、氣孔和夾渣A、氣孔 氣孔是指焊接時,熔池中的氣體未在金屬凝固前逸出,殘存于焊縫之中所形成的空穴。其氣體可能是熔池從外界吸收的,也可能是焊接冶金過程中反應(yīng)生成的。(1)氣孔的分類氣孔的分類 氣孔從其形狀上分

17、,有球狀、條蟲狀; 按氣孔內(nèi)氣體成分分類,有氫氣孔、氮氣孔、二氧（一氧）化碳氣孔、氧氣孔等。熔焊氣孔多為氫氣孔和一氧化碳氣孔。 48(2)氣孔產(chǎn)生的主要原因母材或填充金屬表面有銹、油污等,焊條及焊劑未烘干會增加氣孔量。焊接線能量過小,熔池冷卻速度大,不利于氣體逸出。焊縫金屬脫氧不足也會增加氣孔。49a.清除焊絲,工作坡口及其附近表面的油污、鐵銹、水分和雜物。b.采用堿性焊條、焊劑,并徹底烘干。c.焊前預熱,減緩冷卻速度。d.用偏強的規(guī)范施焊。 (3)防止氣孔的措施50B、夾渣 夾渣是指焊后溶渣殘存在焊縫中的現(xiàn)象。(2)夾渣的分類a.金屬夾渣:指鎢、銅等金屬顆粒殘留在焊縫之中,習慣上稱為夾鎢、夾

18、銅。b.非金屬夾渣:指未熔的焊條藥皮或焊劑、硫化物、氧化物、氮化物殘留于焊縫之中。冶金反應(yīng)不完全,脫渣性不好。 513、裂紋 A、裂紋的分類、裂紋的分類 (1)熱裂紋:一般是焊接完畢即出現(xiàn),又稱結(jié)晶裂紋。主要發(fā)生在晶界,裂紋面上有氧化。 (2)冷裂紋:指在焊畢冷至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度M3點以下產(chǎn)生的裂紋,一般是在焊后一段時間(幾小時,幾天甚至更長)才出現(xiàn),又稱延遲裂紋。 52 a.減小硫、磷等有害元素的含量,用含碳量較低的材料焊接。b.加入一定的合金元素,減小柱狀晶和偏析。c.合理選用焊接規(guī)范,并采用預熱和后熱,減小冷卻速度。d.采用合理的裝配次序,減小焊接應(yīng)力。 熱（結(jié)晶）裂紋的防止措施53(3)防止冷裂紋的措施a. 嚴格烘干焊接材料（焊條、焊絲、焊劑）,在100150下保存,隨取隨用