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。                    &#

2、160;                      枝晶偏析           凝固時，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時開始結(jié)晶出成分為S2的固溶體。冷至T3時固相成分為S3，但由于鑄錠時，結(jié)晶速度通常遠大于溶質(zhì)原子在固相

3、中的擴散速度，固相成分來不及均勻化，因而在T3時固相的平均成分處于S2和S3之間的S3。如此繼續(xù)，在結(jié)晶過程中，固相成分的變化便偏離了固相線，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，合金組元的擴散系數(shù)越小，晶內(nèi)偏析就越嚴重。在其他條件相同時，冷卻速度越大，晶內(nèi)偏析越嚴重。但過大的冷卻速度，使溶質(zhì)重新分配的擴散來不及進行反而會使枝晶偏析減輕。              

4、                                                  

5、     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界面前沿液體中的實際溫度低于由于溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度，即是由于成分過冷造成的。胞狀結(jié)構(gòu)邊界發(fā)生的低熔點組元的富集，將對合金的性能產(chǎn)生不利的影響。晶界偏析          &

6、#160; 溶質(zhì)原子在晶界處的富集。形成機制有兩種：(1)平行晶體生長方向的晶界偏析。由于界面能的作用，在齊頭并進的晶粒間界與液、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分長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，在流槽或液穴中往往形成一定數(shù)量的金屬問化合物一次品的核心，并在液穴中繼

7、續(xù)形成和長大。當(dāng)大部分溶體結(jié)晶溫度遠低于一次品化合物生成和長大溫度時，一次晶化合物得以充分長大，并由于自重和振動等因素的影響，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，則成為大塊的一次晶化合物偏析。嚴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，可通過長時間的高溫加熱(見有色金屬合金錠坯均勻化)來減輕或消除。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

8、均濃度的偏析。在正溫度梯度下，當(dāng)K0<1時，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)來不及擴散和重新調(diào)整，可減輕正偏析的程度。反偏析              K0<1時，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。在凝固時，在模壁上首先形核結(jié)晶，將部分溶質(zhì)排除在界面前沿，造成了成分過冷的液體存在于枝晶間。當(dāng)晶體

9、繼續(xù)長大時，由于凝固引起體積收縮造成毛細孔隙。在靜壓力下，高濃度液相通過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，減少表面層殘存過冷液體量，可減少反偏析。帶狀偏析              平行于結(jié)晶晶體生長界面形成的偏析。一般出現(xiàn)在定向結(jié)晶的情況下。若溶質(zhì)原子在液相中的擴散速度小于晶體生長速度，在界面前沿的液相中便會發(fā)生溶質(zhì)富集，造成成分過冷，發(fā)生晶體非定向生長，將高濃度液相部分封閉起來。被封閉部分繼續(xù)長大又重

10、復(fù)上述情況，這樣便形成了帶狀偏析。減小成分過冷，采用連續(xù)攪拌或振動會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。通過攪拌、加速冷卻，提高液溶體稠度或加入添加劑細化晶粒，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對性能產(chǎn)生不良影響。裂紋      &#

11、160;         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          在鑄錠凝固過程中產(chǎn)生的裂紋。形成機理有3種：(1)強度理論。合金在固相線附近的溫度范圍內(nèi)，塑性極低呈脆性；此時，當(dāng)鑄錠內(nèi)應(yīng)力超過金屬的強度時即發(fā)生熱裂。(2)液膜理論。由于非平衡結(jié)晶和偏析，有少量低熔點液膜分布在晶?；蛑чg，削弱了晶界強度，在足夠大的內(nèi)應(yīng)力作用下，液膜就會沿晶間開裂。(3)形核功理論。裂紋形核

12、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，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，即會引起熱裂發(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)力超過了金屬的強度或塑性極限而造成的。此種裂紋也稱應(yīng)力裂紋。在實際生產(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

13、會繼續(xù)擴展形成冷裂紋。這種既有熱裂又有冷裂的裂紋稱為綜合裂紋。通過調(diào)整合金成分限制雜質(zhì)含量避免熱脆性；添加變質(zhì)劑細化晶?；蚴沟腿埸c相變?yōu)楦呷埸c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。氣孔按生成機理可分兩種：(1)析出性氣孔，即在金屬凝固時氣體的溶解度大大降低，所析出的氣體來不及排除，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

14、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，通過生產(chǎn)實踐和科學(xué)試驗總結(jié)出許多的效果良好的除氣方法。如惰性氣體除氣法(見熔體氮氣凈化)、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   &

15、#160;   金屬在凝固過程中，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         金屬從鑄造溫度冷至室溫，要經(jīng)歷液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)3種收縮?？s孔的大小主要由液態(tài)和凝固時的體積收縮來決定，其相對體積可由下式表示：              

16、;     式中a v.ye為液體金屬的體積收縮系數(shù)，/；t1為鑄造溫度，；t2為液相點溫度，；v.ni為凝固時的體積收縮率，；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放出所形成的微小孔洞稱為氣眼疏松。形成機理，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，晶體以枝晶狀生長，當(dāng)枝晶較多相互搭接形成骨架后，剩余液體逐漸

17、被分割和封閉起來。此部分液體在凝固收縮時若得不到補充，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、及時補縮和減少熔體吸氣都可減少和防止縮孔和疏松。(見熱頂鑄錠、振動鑄錠)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，進入結(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。當(dāng)液態(tài)金屬源源不斷地流入結(jié)晶槽時，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，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)