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金屬熔煉與鑄錠第十一講鑄錠常見缺陷分析1第一頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.1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(gè)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第二頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二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(shí)則不能消除,會(huì)給制品造成電化學(xué)性能不均勻。晶界偏析是低熔點(diǎn)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(huì)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第三頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.1.1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第四頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二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(shí),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(shí),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第五頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二k<1的合金凝固時(shí),溶質(zhì)會(huì)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(shí),k<l的溶質(zhì)也會(huì)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第六頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.1.2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(huì)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第七頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二反偏析與正偏析相反。k<1的合金鑄錠發(fā)生反偏析時(shí),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第八頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.1.2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第九頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.1.2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(shí),會(huì)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(duì)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第十頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二當(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(diǎn)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第十一頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.1.3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。基本措施有:增大冷卻強(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第十二頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.2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(shí)既是縮孔也是氣孔。13第十三頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.2.1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第十四頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.2.1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第十五頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二
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(shí)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(gè)倒錐形縮孔。11.2.2縮孔與縮松的形成16第十六頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二縮孔容積為: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第十七頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二縮松是在同時(shí)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第十八頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二(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第十九頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二(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(shí),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(duì)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(shí)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第二十頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二
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(jì)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(shí),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第二十一頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.3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第二十二頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.3.1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第二十三頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.3.1鑄造應(yīng)力的形成E為彈性模量,T1-T2為鑄錠斷面兩點(diǎn)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(gè)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(jì)合理鑄錠尺寸。24第二十四頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二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(diǎn)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(gè)階段。25第二十五頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.3.2熱裂形成機(jī)理及影響因素晶間有液膜時(shí)熱裂形成示意圖(a)形成液膜;(b)形成晶間裂紋液膜理論26第二十六頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.3.2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第二十七頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.3.2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(huì)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第二十八頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二影響因素主要包括: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第二十九頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.3.2熱裂形成機(jī)理及影響因素大多數(shù)鋁合金都有一個(gè)與成分相對(duì)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(huì)增大脆性區(qū)的范圍,從而增大鑄錠的熱裂傾向。
30第三十頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.3.2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第三十一頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.3.3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(shí),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(shí)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第三十二頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.3.3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(huì)形成粗大的化合物,降低流動(dòng)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(shí)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第三十三頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.4氣孔鑄件中的氣孔對(duì)鑄件的使用性能影響很大。對(duì)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(shí),會(huì)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(duì)合金力學(xué)性能的影響最大。對(duì)鑄造性能的影響:鑄錠在鑄造過程中產(chǎn)生的氣孔會(huì)顯著增加鑄錠的熱裂傾向。此外,氣孔的出現(xiàn)會(huì)阻礙金屬液的補(bǔ)縮,造成晶間疏松。34第三十四頁,共三十六頁,編輯于2023年,星期二11.4氣孔氣孔一般是
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