金屬熔煉與鑄錠 第十一講 鑄錠常見缺陷分析

第十一講鑄錠常見缺陷分析11.1偏析11.2縮孔與縮松11.3裂紋11.4氣孔11.5非金屬夾雜物1編輯課件11.1偏析鑄錠中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。顯微偏析：一個晶粒范圍內(nèi)的偏析，主要指枝晶偏析。宏觀偏析：較大區(qū)域內(nèi)的偏析，故又稱為區(qū)域偏析。2編輯課件枝晶偏析一般通過加工和熱處理可以消除，但在枝晶臂間距較大時則不能消除，會給制品造成電化學(xué)性能不均勻。晶界偏析是低熔點物質(zhì)聚集于晶界，使鑄錠熱裂傾向增大，并使制品易發(fā)生晶界腐蝕。宏觀偏析會使鑄錠及加工產(chǎn)品的組織和性能很不均勻。宏觀偏析不能靠均勻化退火予以消除或減輕，所以在鑄錠生產(chǎn)中要特別防止這類偏析。11.1偏析3編輯課件11.1.1顯微偏析由于鑄錠冷凝較快，固液兩相中溶質(zhì)來不及擴(kuò)散均勻，枝晶內(nèi)部先后結(jié)晶部分的成分不同，這就是枝晶偏析，或稱為晶內(nèi)偏析。枝晶偏析Ni-Cr-W-Co-Al-Ta-Hf合金鑄錠50m4編輯課件影響枝晶偏析的因素有：合金原始成分，溶質(zhì)分配系數(shù)k，擴(kuò)散系數(shù)D及凝固速度R等。其他因素一定時，合金的液相線和固相線之間的水平距離越大、合金越易產(chǎn)生枝晶偏析。合金一定時，影響枝晶偏析的主要因素是R。R大，溶質(zhì)難于擴(kuò)散均勻，故偏析大。隨著冷卻速度增大，R也增大，晶粒變細(xì)。枝晶偏析度反而降低。11.1.1顯微偏析5編輯課件k＜1的合金凝固時，溶質(zhì)會不斷自固相向液相排出，導(dǎo)致最后凝固的晶界含有較多的溶質(zhì)和雜質(zhì)，形成晶界偏析。當(dāng)固溶體合金鑄錠定向凝固得到胞狀晶時，k＜l的溶質(zhì)也會在胞狀晶晶界偏析，形成胞狀偏析。11.1.1顯微偏析晶界偏析6編輯課件11.1.2宏觀偏析溶質(zhì)k＜1的合金，固/液界面處液相中的溶質(zhì)含量會越來越高，因此愈是后結(jié)晶的固相，溶質(zhì)含量也就愈高；k＞1的合金愈是后結(jié)晶的固相，溶質(zhì)含量愈低。正偏析這意味著，k＜1的合金鑄錠，其表面和底部的溶質(zhì)量低于合金的平均成分，中心和頭部的溶質(zhì)量高于合金的平均成分。7編輯課件反偏析與正偏析相反。k＜1的合金鑄錠發(fā)生反偏析時，鑄錠表面的溶質(zhì)高于合金的平均成分，中心的溶質(zhì)低于合金的平均成分。11.1.2宏觀偏析反偏析Al-Cu合金連鑄圓錠的反偏析8編輯課件11.1.2宏觀偏析鑄錠中的正偏析分布狀況與鑄錠組織的形成過程有關(guān)與鑄錠的凝固特性有關(guān)，通過控制凝固過程，擴(kuò)大等軸晶區(qū)，細(xì)化晶粒，有利于降低偏析度9編輯課件11.1.2宏觀偏析帶狀偏析金屬液中溶質(zhì)的擴(kuò)散速度小于凝固速度時，會在固液界面前沿出現(xiàn)偏析層，使界面處過冷度降低，界面生長受到抑制，偏析度較小的地方，晶體將優(yōu)先生長穿過偏析層長出分枝，富溶質(zhì)的液體被封閉在枝晶間。帶狀偏析的形成與固液界面的溶質(zhì)偏析引起的成分過冷有關(guān)。加強(qiáng)對流、細(xì)化晶粒、降低易于偏析的溶質(zhì)量，可減少帶狀偏析。10編輯課件當(dāng)互不相溶的兩液相或固液兩相的比重不同而產(chǎn)生的偏析，稱為重力偏析。合金常產(chǎn)生重力偏析。Cu-Pb合金在液態(tài)就易產(chǎn)生偏析，凝固后鑄錠上部富Cu，下部富Pb，使合金的熱加工性能、切削及耐磨性能降低。Sn-Sb合金最先析出的晶體是富Sb的β相，比重較小而上浮，可加入少量Cu生成熔點較高的CuSb化合物，阻止上浮。8.911.37.35.711.1.2宏觀偏析重力偏析11編輯課件11.1.3防止偏析的主要途徑

各類偏析都是凝固過程中溶質(zhì)再分布的必然結(jié)果。能使成分均勻化和晶粒細(xì)化的方法，均有利于防止或減少偏析?；敬胧┯校涸龃罄鋮s強(qiáng)度，攪拌，變質(zhì)處理，采用短結(jié)晶器，降低澆溫，加強(qiáng)二次水冷，使液穴淺平等。12編輯課件11.2縮孔與縮松在鑄錠中部、頭部、晶界及枝晶間等地方，常常有一些宏觀和顯微的收縮孔洞，通稱為縮孔。容積大而集中的縮孔稱為集中縮孔；細(xì)小而分散的縮孔稱為縮松，其中出現(xiàn)在晶界或枝晶間的縮松又稱為顯微縮松?？s孔和縮松的形狀不規(guī)則，表面不光滑，故易與較圓滑的氣孔相區(qū)別。但鑄錠中有些縮孔常為析出的氣體所充填，孔壁表面變得較平滑，此時既是縮孔也是氣孔。13編輯課件11.2.1金屬的凝固收縮

凝固過程中金屬的收縮包括凝固前的液態(tài)收縮、由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的凝固收縮及凝固后的固態(tài)收縮。液態(tài)及凝固收縮常以體積的變化率來表示，稱為體收縮率和線收縮率：11.2縮孔與縮松14編輯課件11.2.1金屬的凝固收縮總的體收縮率為：合金線收縮開始溫度及線收縮率與成分的關(guān)系15編輯課件

集中縮孔(簡稱為縮孔)是鑄錠在順序凝固的條件下，由金屬的體收縮引起的。金屬澆入錠模后，凝固主要是由底向上和由外向里逐層地進(jìn)行，經(jīng)過一段時間后便形成一層凝殼，由于液態(tài)和凝固收縮，因而液面下降。以后隨著溫度的繼續(xù)降低，凝殼一層一層地加厚，液面不斷降低，直至凝固完成為止。在鑄錠最后凝固的中上部，形成一個倒錐形縮孔。11.2.2縮孔與縮松的形成16編輯課件縮孔容積為：集中縮孔是在順序凝固條件下，因金屬液態(tài)和凝固體收縮造成的孔洞得不到金屬液的補(bǔ)縮而產(chǎn)生的?？s孔多出現(xiàn)在鑄錠的中部和頭部，或鑄件的厚壁處。11.2.2縮孔與縮松的形成17編輯課件縮松是在同時凝固的條件下．最后凝固的地方因收縮造成的孔洞得不到金屬的補(bǔ)縮而產(chǎn)生的。縮松分布面廣，鑄錠軸線附近尤為嚴(yán)重。11.2.2縮孔與縮松的形成晶界縮松形成過程示意圖18編輯課件(1)金屬性質(zhì)：金屬液體和凝固體的平均體收縮系數(shù)、結(jié)晶溫度范圍、吸氣性等。11.2.2影響縮孔及縮松的因素Al-8%Si合金圓錠中的等孔隙度曲線氫含量(a)為0.3ml/110gAl；(b)為0.45ml/100gAl19編輯課件(2)工藝及鑄錠結(jié)構(gòu)：凡是提高鑄錠斷面溫度梯度的措施，如鐵模鑄錠時，提高澆溫和澆速，均有利于縮孔的形成降低澆溫和澆速，提高模溫，則可以減少縮松的形成鑄錠尺寸越大，形成縮松的傾向也越大。對于大型鑄錠，不管合金的導(dǎo)熱性和結(jié)晶溫度范圍如何，均容易促使鑄錠中部的縮松增多澆注時供流集中、結(jié)晶器高、液穴深，不利于補(bǔ)縮，也易于形成縮松。11.2.3影響縮孔及縮松的因素20編輯課件

在保證鑄錠自下而上順序凝固的條件下，盡可能使縮松轉(zhuǎn)化為鑄錠頭部的縮孔，然后通過人工補(bǔ)縮來消除。錠模鑄錠，合理設(shè)計模壁厚度和錠坯的寬厚比或高徑比，采用上大下小的錠模及加補(bǔ)縮冒口；加保溫帽加強(qiáng)補(bǔ)縮；提高澆溫、降低澆速。連鑄易形成縮松的大型鑄錠時，先去氣去渣精煉，使熔體中含氣量和夾渣盡量少，采用短結(jié)晶器或低金屬液面水平，降低澆速，加強(qiáng)二次水冷，使液穴淺平，使鑄錠由下而上進(jìn)行凝固。11.2.4防止縮孔及縮松的途徑21編輯課件11.3裂紋在凝固過程中產(chǎn)生的裂紋稱為熱裂紋。凝固后冷卻過程中產(chǎn)生的裂紋稱為冷裂紋。根據(jù)裂紋形狀和在鑄錠中的位置，裂紋又可分為多種，如熱裂紋可分為表面裂紋、皮下裂紋、晶間微裂紋等。22編輯課件11.3.1鑄造應(yīng)力的形成鑄錠在凝固和冷卻過程中，收縮受到阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為鑄造應(yīng)力，按其形成的原因，可分為熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。連鑄圓錠中溫度和應(yīng)力分布23編輯課件11.3.1鑄造應(yīng)力的形成E為彈性模量，T1-T2為鑄錠斷面兩點之間的溫度差。熱應(yīng)力大小一般可用下式表示，即金屬性質(zhì)和鑄造條件是影響熱應(yīng)力σ熱大小的兩個主要因素。金屬的彈性模量和線收縮（膨脹）系數(shù)大，鑄錠的σ熱大。鑄錠斷面的溫度梯度大，則σ熱大。防治措施：控制澆注溫度和澆注速度，選擇合理的鑄造模具以及設(shè)計合理鑄錠尺寸。24編輯課件熱裂是在線收縮開始溫度至非平衡固相線溫度范圍內(nèi)形成的。熱裂形成機(jī)理主要有液膜理論、強(qiáng)度理論及裂紋形成功理論。11.3.2熱裂形成機(jī)理及影響因素液膜理論認(rèn)為，鑄錠的熱裂與凝固末期晶間殘留的液膜性質(zhì)及厚度有關(guān)。強(qiáng)度理論認(rèn)為，合金在線收縮開始溫度至非平衡固相點間的有效結(jié)晶范圍，強(qiáng)度和塑性極低，故在鑄造應(yīng)力作用下易于熱裂。裂紋形成功理論認(rèn)為，熱裂通常要經(jīng)歷裂紋的形核和擴(kuò)展兩個階段。25編輯課件11.3.2熱裂形成機(jī)理及影響因素晶間有液膜時熱裂形成示意圖（a）形成液膜；（b）形成晶間裂紋液膜理論26編輯課件11.3.2熱裂形成機(jī)理及影響因素強(qiáng)度理論有效結(jié)晶溫度范圍越寬，合金的熱裂傾向越大27編輯課件11.3.2熱裂形成機(jī)理及影響因素并非鑄造過程中金屬收縮受阻，產(chǎn)生熱應(yīng)力，就一定會發(fā)生熱裂。如果金屬在有效結(jié)晶范圍內(nèi)，具有一定的塑性，就可以通過塑性變形使得應(yīng)力松弛，而不產(chǎn)生熱裂。例如，鋁合金在有效結(jié)晶范圍內(nèi)的伸長率大于0.3%，就不容易產(chǎn)生熱裂紋。28編輯課件影響因素主要包括：金屬性質(zhì)、澆注工藝及鑄錠結(jié)構(gòu)等。11.3.2熱裂形成機(jī)理及影響因素金屬性質(zhì)的影響合金的有效結(jié)晶溫度范圍寬，線收縮率大，則合金的熱裂傾向大。結(jié)晶溫度范圍寬結(jié)晶溫度范圍窄29編輯課件11.3.2熱裂形成機(jī)理及影響因素大多數(shù)鋁合金都有一個與成分相對應(yīng)的脆性區(qū)，在此溫度范圍內(nèi)，合金處于固液狀態(tài)，強(qiáng)度和塑性都較低，所以脆性區(qū)溫度范圍大，合金熱裂傾向大。脆性區(qū)溫度范圍取決于合金的性質(zhì)，此外與澆注工藝有很大關(guān)系。例如，澆注溫度和澆注速度過高，會增大脆性區(qū)的范圍，從而增大鑄錠的熱裂傾向。

30編輯課件11.3.2熱裂形成機(jī)理及影響因素鑄錠結(jié)構(gòu)不同，鑄錠中熱應(yīng)力分布狀況也不同。大型鑄錠比小型鑄錠更容易產(chǎn)生熱裂。圓錠多中心裂紋、環(huán)狀和放射狀裂紋，扁錠最易產(chǎn)生側(cè)裂紋、底裂紋和澆口裂紋。扁錠產(chǎn)生裂紋的傾向與錠厚、寬厚比及澆速的關(guān)系31編輯課件11.3.3冷裂的形成及影響因素

冷裂一般是鑄錠冷卻到溫度較低的彈性狀態(tài)時，因鑄錠內(nèi)外溫差大、鑄造應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的，并且往往是由熱裂紋擴(kuò)展而成的。鑄錠是否產(chǎn)生冷裂，主要取決于合金的導(dǎo)熱性和低溫時的塑性。合金的導(dǎo)熱性好，凝固后塑性較高，就不容易產(chǎn)生冷裂。

32編輯課件11.3.3冷裂的形成及影響因素

防止裂紋的途徑：合理控制成分、選擇合適的工藝、變質(zhì)處理。成分：控制合金成分及雜質(zhì)含量是解決大型鑄錠產(chǎn)生裂紋的有效方法。例如，在Al合金中，F(xiàn)e含量過多會形成粗大的化合物，降低流動性和塑性，增大鑄錠開裂傾向。工藝：采用低的澆注溫度、澆注速度和液面水平，有利于防止產(chǎn)生裂紋。變質(zhì)處理：加入變質(zhì)劑，細(xì)化晶粒，同時細(xì)化合金中的粗大第二相，可以降低鑄錠產(chǎn)生裂紋的傾向。33編輯課件11.4氣孔鑄件中的氣孔對鑄件的使用性能影響很大。對力學(xué)性能的影響：氣孔減少了鑄錠的有效截面，當(dāng)氣孔有尖角時，會引起應(yīng)力集中。因而，顯著降低鑄錠的力學(xué)性能，如塑性，沖擊韌性、疲勞性能等。特別是集中型氣孔對合金力學(xué)性能的影響最大。對鑄造性能的影響：鑄錠在鑄造過程中產(chǎn)生的氣孔會顯著增加鑄錠的熱裂傾向。此外，氣孔的出現(xiàn)會阻礙金屬液的補(bǔ)縮，造成晶間疏松。34編輯課件11.4氣孔氣孔一般是圓形的，表面較光滑，據(jù)此可與縮孔及縮松相區(qū)別。加工時氣孔可被壓縮，但難以壓合，常常在熱加工和熱處理過程中產(chǎn)生起皮起泡現(xiàn)象。這是鋁及其合余最常見的缺陷之一。根據(jù)氣孔在鑄錠中出現(xiàn)的位置，可將其分為表面氣孔、皮下氣孔和內(nèi)部氣孔三類。35編輯課件根據(jù)氣孔的形成方式可分為：析出型氣孔：在凝固速度大或有枝晶阻攔時，形成的氣泡來不及上浮逸出，便留在鑄錠內(nèi)稱為氣孔。只有析出氣體的壓力大于外部總壓力時，才可能形成氣泡。否則，氣體將呈固溶狀態(tài)存在于鑄錠中。11.4氣孔36編輯課件37氣體能否在鑄錠中形成氣孔，與許多條件有關(guān)：氣體濃度大，容易形成氣孔；冷卻強(qiáng)度大，凝固區(qū)窄，不易形成氣孔；結(jié)晶溫度范圍寬，凝固區(qū)寬