有色金屬合金鑄錠缺陷

1、有色金屬合金錠坯缺陷(nonferrous metal and alloy ingotdefects)有色金屬合金錠坯的缺陷包括偏析、裂紋、氣孔、夾雜、縮孔與疏松、冷隔等。偏析 固態(tài)合金中化學(xué)成分(包括雜質(zhì)元素)分布的不均勻性。偏析的具體分類見表。 枝晶偏析 凝固時(shí)，溶質(zhì)原子的重新分配和非平衡結(jié)晶引起的微觀偏析。如圖a所示，成分為x的液溶體，當(dāng)溫度由丁1降至T2時(shí)開始結(jié)晶出成分為S2的固溶體。冷至T3時(shí)固相成分為S3，但由于鑄錠時(shí)，結(jié)晶速度通常遠(yuǎn)大于溶質(zhì)原子在固相中的擴(kuò)散速度，固相成分來(lái)不及均勻化，因而在T3時(shí)固相的平均成分處于S2和S3之間的S3。如此繼續(xù)，在結(jié)晶過(guò)程中，固相成分的變化便偏離

2、了固相線，沿著S2S3S4S5變化。結(jié)晶后在晶粒內(nèi)部便出現(xiàn)了成分的不均勻性，如圖b所示。由此可見，合金相圖中，液相線與固相線間水平間距越大，合金組元的擴(kuò)散系數(shù)越小，晶內(nèi)偏析就越嚴(yán)重。在其他條件相同時(shí)，冷卻速度越大，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。但過(guò)大的冷卻速度，使溶質(zhì)重新分配的擴(kuò)散來(lái)不及進(jìn)行反而會(huì)使枝晶偏析減輕。 胞狀偏析 在胞狀結(jié)構(gòu)邊界的溝槽處發(fā)生的溶質(zhì)原子的富集或貧化。此種偏析是由于凝固時(shí)界面前沿液體中的實(shí)際溫度低于由于溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度，即是由于成分過(guò)冷造成的。胞狀結(jié)構(gòu)邊界發(fā)生的低熔點(diǎn)組元的富集，將對(duì)合金的性能產(chǎn)生不利的影響。晶界偏析 溶質(zhì)原子在晶界處的富集。形成機(jī)制有兩種：(1)平行晶體生長(zhǎng)方

3、向的晶界偏析。由于界面能的作用，在齊頭并進(jìn)的晶粒間界與液、固界面處相交形成溝槽。溝槽處有利于溶質(zhì)及雜質(zhì)原子的偏聚，形成晶界偏析；(2)相向生長(zhǎng)的晶粒相碰，形成垂直方向的晶界偏析。此種偏析在濃度上和尺寸范圍上都較大。金屬間化合物一次晶偏析 金屬間化合物一次晶的過(guò)分長(zhǎng)大或富集而造成的鑄錠化學(xué)成分的不均勻性。在連續(xù)或半連續(xù)鑄造時(shí)，在流槽或液穴中往往形成一定數(shù)量的金屬問(wèn)化合物一次品的核心，并在液穴中繼續(xù)形成和長(zhǎng)大。當(dāng)大部分溶體結(jié)晶溫度遠(yuǎn)低于一次品化合物生成和長(zhǎng)大溫度時(shí)，一次晶化合物得以充分長(zhǎng)大，并由于自重和振動(dòng)等因素的影響，飄落在結(jié)晶面上，成為分散的一次晶化合物偏析。若飄落后發(fā)生聚集，則成為大塊的一次

4、晶化合物偏析。嚴(yán)格控制合金元素及雜質(zhì)含量、適當(dāng)提高澆鑄溫度、加入適量變質(zhì)劑可減少或消除此種偏析。上述微觀偏析與不平衡結(jié)晶密切相關(guān)，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，可通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫加熱(見有色金屬合金錠坯均勻化)來(lái)減輕或消除。正偏析 后結(jié)晶部位的溶質(zhì)或雜質(zhì)濃度高于合金中的平均濃度的偏析。在正溫度梯度下，當(dāng)K01時(shí)，凝固界面前的液相中將有一部分溶質(zhì)被排出。隨著界面向中心推移，溶質(zhì)濃度將逐漸增加，造成鑄錠邊部溶質(zhì)濃度較低，越接近心部溶質(zhì)濃度越高，形成正偏析。增加冷卻速度，加快合金結(jié)晶，使液相溶質(zhì)來(lái)不及擴(kuò)散和重新調(diào)整，可減輕正偏析的程度。反偏析 K01時(shí)，后結(jié)晶部位的溶質(zhì)或雜質(zhì)的濃度低于合金中平均濃度。在凝固

5、時(shí)，在模壁上首先形核結(jié)晶，將部分溶質(zhì)排除在界面前沿，造成了成分過(guò)冷的液體存在于枝晶間。當(dāng)晶體繼續(xù)長(zhǎng)大時(shí)，由于凝固引起體積收縮造成毛細(xì)孔隙。在靜壓力下，高濃度液相通過(guò)柱狀晶間的孔隙壓到鑄錠表面，形成反偏析，甚至形成所謂反偏析瘤?？刂茲茶T和結(jié)晶條件得到等軸晶組織，減少表面層殘存過(guò)冷液體量，可減少反偏析。帶狀偏析 平行于結(jié)晶晶體生長(zhǎng)界面形成的偏析。一般出現(xiàn)在定向結(jié)晶的情況下。若溶質(zhì)原子在液相中的擴(kuò)散速度小于晶體生長(zhǎng)速度，在界面前沿的液相中便會(huì)發(fā)生溶質(zhì)富集，造成成分過(guò)冷，發(fā)生晶體非定向生長(zhǎng)，將高濃度液相部分封閉起來(lái)。被封閉部分繼續(xù)長(zhǎng)大又重復(fù)上述情況，這樣便形成了帶狀偏析。減小成分過(guò)冷，采用連續(xù)攪拌或振

6、動(dòng)會(huì)減少或消除帶狀偏析。密度偏析由密度差引起的區(qū)域偏析。液固兩相或液相間，由于密度差別較大，輕相上浮，重相下沉而引起的偏析。通過(guò)攪拌、加速冷卻，提高液溶體稠度或加入添加劑細(xì)化晶粒，皆可使密度偏析減少。上述幾種宏觀偏析在固態(tài)下很難用錠坯均勻化的方法加以消除，若殘存在塑性加工制品中會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生不良影響。裂紋 破壞鑄錠組織連續(xù)性的開裂現(xiàn)象。根據(jù)裂紋形成溫度可分熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋在鑄錠凝固過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋。形成機(jī)理有3種：(1)強(qiáng)度理論。合金在固相線附近的溫度范圍內(nèi)，塑性極低呈脆性；此時(shí)，當(dāng)鑄錠內(nèi)應(yīng)力超過(guò)金屬的強(qiáng)度時(shí)即發(fā)生熱裂。(2)液膜理論。由于非平衡結(jié)晶和偏析，有少量低熔點(diǎn)液膜分布在晶?；蛑?/p>

7、間，削弱了晶界強(qiáng)度，在足夠大的內(nèi)應(yīng)力作用下，液膜就會(huì)沿晶間開裂。(3)形核功理論。裂紋形核易在液、固兩相匯集部位發(fā)生。當(dāng)液相匯集部位的雙邊角為，固相界面表面張力為ss時(shí)，單位面積裂紋形核功為：A=ss（1-1/cos(/2)-1）。當(dāng)外功大于形核功時(shí)，即會(huì)引起熱裂發(fā)生。熱裂紋常表現(xiàn)為沿晶斷裂，裂紋曲折而不規(guī)則。冷裂紋 在金屬完全凝固后產(chǎn)生的裂紋。此裂紋多表現(xiàn)為穿晶斷裂，斷口不發(fā)生氧化，裂紋較規(guī)則。由于冷卻不均而產(chǎn)生的鑄錠內(nèi)應(yīng)力超過(guò)了金屬的強(qiáng)度或塑性極限而造成的。此種裂紋也稱應(yīng)力裂紋。在實(shí)際生產(chǎn)中，出現(xiàn)了熱裂紋的鑄錠，若凝固后仍處于較大的內(nèi)應(yīng)力下，裂紋還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展形成冷裂紋。這種既有熱裂又有冷裂

8、的裂紋稱為綜合裂紋。通過(guò)調(diào)整合金成分限制雜質(zhì)含量避免熱脆性；添加變質(zhì)劑細(xì)化晶粒或使低熔點(diǎn)相變?yōu)楦呷埸c(diǎn)化合物；采用合理的鑄造工藝、鑄模和結(jié)晶器，盡可能使冷卻均勻，減少鑄錠內(nèi)應(yīng)力，都可防止裂紋的產(chǎn)生。氣孔 由殘存在鑄錠中的氣體形成的圓滑的孔洞。氣孔按生成機(jī)理可分兩種：(1)析出性氣孔，即在金屬凝固時(shí)氣體的溶解度大大降低，所析出的氣體來(lái)不及排除，而產(chǎn)生的氣孔；(2)反應(yīng)性氣孔，即在液態(tài)金屬內(nèi)部因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成的氣孔(見金屬中的氣體)。為了減少和防止氣泡的產(chǎn)生，除爐料、熔劑覆蓋劑和工具干燥無(wú)油污外，還應(yīng)控制適宜的鑄造工藝，采用合理的結(jié)晶器。在工業(yè)上，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)試驗(yàn)總結(jié)出許多的效果良好的除氣

9、方法。如惰性氣體除氣法(見熔體氮?dú)鈨艋?、活性氣體除氣法(見熔體氯氣凈化)、混合氣體除氣法(見熔體混合氣體凈化)、熔劑除氣法(見熔體熔劑凈化)、真空除氣法(見熔體真空凈化)，等等。夾雜 見非金屬夾雜。除去金屬中夾雜物的有效方法是精煉凈化(見熔體爐內(nèi)凈化和熔體爐外凈化)?？s孔與疏松 金屬在凝固過(guò)程中，由液態(tài)收縮和凝固收縮引起的孔洞。尺寸較大且集中的孑L洞稱為縮孔；尺寸較小而分散的孔洞稱為疏松。用肉眼可以觀察到的稱宏觀疏松；肉眼分辨不清的稱顯微疏松?？s孔 金屬?gòu)蔫T造溫度冷至室溫，要經(jīng)歷液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)3種收縮。縮孔的大小主要由液態(tài)和凝固時(shí)的體積收縮來(lái)決定，其相對(duì)體積可由下式表示： 式中a v.y

10、e為液體金屬的體積收縮系數(shù)，/；t1為鑄造溫度，；t2為液相點(diǎn)溫度，；v.ni為凝固時(shí)的體積收縮率，；a v.gu為固態(tài)金屬的體積收縮系數(shù)，/；t3為室溫，。由此可見，a v.ge和v.ni越大，形成縮孔的相對(duì)體積也越大。疏松 由凝固收縮造成的微小孔洞稱收縮疏松；由金屬所含氣體在凝固時(shí)放出所形成的微小孔洞稱為氣眼疏松。形成機(jī)理，前者同縮孔，后者同氣孑L。疏松易于在結(jié)晶溫度范圍較寬的合金中生成。此時(shí)，晶體以枝晶狀生長(zhǎng)，當(dāng)枝晶較多相互搭接形成骨架后，剩余液體逐漸被分割和封閉起來(lái)。此部分液體在凝固收縮時(shí)若得不到補(bǔ)充，便形成疏松。在保證順利凝固的條件下，適當(dāng)提高鑄造溫度、降低澆鑄速度、及時(shí)補(bǔ)縮和減少熔

11、體吸氣都可減少和防止縮孔和疏松。(見熱頂鑄錠、振動(dòng)鑄錠)冷隔 金屬液澆鑄在已凝固的金屬硬殼上，冷凝后形成的不合層。若結(jié)晶器傳熱較快和澆鑄速度較慢時(shí)，進(jìn)入結(jié)晶槽中的液態(tài)金屬不能順利地流向四周，并從邊部的液面上開始凝固，形成了連續(xù)的致密硬殼層，阻止液態(tài)金屬繼續(xù)向前流動(dòng)。當(dāng)液態(tài)金屬源源不斷地流入結(jié)晶槽時(shí)，液面將不斷增高，當(dāng)它足以克服液面表面張力，并破壞了表面氧化膜時(shí)，熔液就沿著已凝固的硬殼層表面流向結(jié)晶槽壁，使已凝固的硬殼層重新加熱。若殼層未能被覆蓋的熔體所熔化，則凝固后將形成明顯的上下層，其間存在一道裂縫；若殼層能被重新熔化，則熔化區(qū)將有大量偏析物析出；若殼層僅在邊部未被熔化，則邊部呈現(xiàn)裂縫，中部出現(xiàn)偏析物。冷隔嚴(yán)重地破壞了鑄錠組織的連續(xù)性，易使鑄錠及加工制品開裂，應(yīng)極力避免。冷隔的防止措施如下：(1)提高澆注速度；(2)提高鑄造溫度；(3)加大結(jié)晶器錐度和高度；(4)采用結(jié)晶槽上部保溫一熱頂法；(5)對(duì)結(jié)晶槽熔體進(jìn)行攪拌。過(guò)燒組織 (burnt structure) 錠坯加熱不當(dāng)造成的鋼材內(nèi)部缺陷之一。因加熱溫度很高、時(shí)間很長(zhǎng)、