金属熔炼与铸锭 第十一讲 铸锭常见缺陷分析

第十一讲铸锭常见缺陷分析11.1偏析11.2缩孔与缩松11.3裂纹11.4气孔11.5非金属夹杂物211.1偏析铸锭中化学成分不均匀的现象称为偏析。显微偏析：一个晶粒范围内的偏析，主要指枝晶偏析。宏观偏析：较大区域内的偏析，故又称为区域偏析。3枝晶偏析一般通过加工和热处理可以消除，但在枝晶臂间距较大时则不能消除，会给制品造成电化学性能不均匀。晶界偏析是低熔点物质聚集于晶界，使铸锭热裂倾向增大，并使制品易发生晶界腐蚀。宏观偏析会使铸锭及加工产品的组织和性能很不均匀。宏观偏析不能靠均匀化退火予以消除或减轻，所以在铸锭生产中要特别防止这类偏析。11.1偏析411.1.1显微偏析由于铸锭冷凝较快，固液两相中溶质来不及扩散均匀，枝晶内部先后结晶部分的成分不同，这就是枝晶偏析，或称为晶内偏析。枝晶偏析Ni-Cr-W-Co-Al-Ta-Hf合金铸锭50m5影响枝晶偏析的因素有：合金原始成分，溶质分配系数k，扩散系数D及凝固速度R等。其他因素一定时，合金的液相线和固相线之间的水平距离越大、合金越易产生枝晶偏析。合金一定时，影响枝晶偏析的主要因素是R。R大，溶质难于扩散均匀，故偏析大。随着冷却速度增大，R也增大，晶粒变细。枝晶偏析度反而降低。11.1.1显微偏析6k＜1的合金凝固时，溶质会不断自固相向液相排出，导致最后凝固的晶界含有较多的溶质和杂质，形成晶界偏析。当固溶体合金铸锭定向凝固得到胞状晶时，k＜l的溶质也会在胞状晶晶界偏析，形成胞状偏析。11.1.1显微偏析晶界偏析711.1.2宏观偏析溶质k＜1的合金，固/液界面处液相中的溶质含量会越来越高，因此愈是后结晶的固相，溶质含量也就愈高；k＞1的合金愈是后结晶的固相，溶质含量愈低。正偏析这意味着，k＜1的合金铸锭，其表面和底部的溶质量低于合金的平均成分，中心和头部的溶质量高于合金的平均成分。8反偏析与正偏析相反。k＜1的合金铸锭发生反偏析时，铸锭表面的溶质高于合金的平均成分，中心的溶质低于合金的平均成分。11.1.2宏观偏析反偏析Al-Cu合金连铸圆锭的反偏析911.1.2宏观偏析铸锭中的正偏析分布状况与铸锭组织的形成过程有关与铸锭的凝固特性有关，通过控制凝固过程，扩大等轴晶区，细化晶粒，有利于降低偏析度1011.1.2宏观偏析带状偏析金属液中溶质的扩散速度小于凝固速度时，会在固液界面前沿出现偏析层，使界面处过冷度降低，界面生长受到抑制，偏析度较小的地方，晶体将优先生长穿过偏析层长出分枝，富溶质的液体被封闭在枝晶间。带状偏析的形成与固液界面的溶质偏析引起的成分过冷有关。加强对流、细化晶粒、降低易于偏析的溶质量，可减少带状偏析。11当互不相溶的两液相或固液两相的比重不同而产生的偏析，称为重力偏析。合金常产生重力偏析。Cu-Pb合金在液态就易产生偏析，凝固后铸锭上部富Cu，下部富Pb，使合金的热加工性能、切削及耐磨性能降低。Sn-Sb合金最先析出的晶体是富Sb的β相，比重较小而上浮，可加入少量Cu生成熔点较高的CuSb化合物，阻止上浮。8.911.37.35.711.1.2宏观偏析重力偏析1211.1.3防止偏析的主要途径各类偏析都是凝固过程中溶质再分布的必然结果。能使成分均匀化和晶粒细化的方法，均有利于防止或减少偏析。基本措施有：增大冷却强度，搅拌，变质处理，采用短结晶器，降低浇温，加强二次水冷，使液穴浅平等。1311.2缩孔与缩松在铸锭中部、头部、晶界及枝晶间等地方，常常有一些宏观和显微的收缩孔洞，通称为缩孔。容积大而集中的缩孔称为集中缩孔；细小而分散的缩孔称为缩松，其中出现在晶界或枝晶间的缩松又称为显微缩松。缩孔和缩松的形状不规则，表面不光滑，故易与较圆滑的气孔相区别。但铸锭中有些缩孔常为析出的气体所充填，孔壁表面变得较平滑，此时既是缩孔也是气孔。1411.2.1金属的凝固收缩凝固过程中金属的收缩包括凝固前的液态收缩、由液态变为固态的凝固收缩及凝固后的固态收缩。液态及凝固收缩常以体积的变化率来表示，称为体收缩率和线收缩率：11.2缩孔与缩松1212112121100%()100%100%()100%VVLLVVTTVLLTTL1511.2.1金属的凝固收缩总的体收缩率为：VVVV固液凝合金线收缩开始温度及线收缩率与成分的关系16集中缩孔(简称为缩孔)是铸锭在顺序凝固的条件下，由金属的体收缩引起的。金属浇入锭模后，凝固主要是由底向上和由外向里逐层地进行，经过一段时间后便形成一层凝壳，由于液态和凝固收缩，因而液面下降。以后随着温度的继续降低，凝壳一层一层地加厚，液面不断降低，直至凝固完成为止。在铸锭最后凝固的中上部，形成一个倒锥形缩孔。11.2.2缩孔与缩松的形成17缩孔容积为：集中缩孔是在顺序凝固条件下，因金属液态和凝固体收缩造成的孔洞得不到金属液的补缩而产生的。缩孔多出现在铸锭的中部和头部，或铸件的厚壁处。11.2.2缩孔与缩松的形成pVV1T2VVSsf孔固液液液＝V（－T)+－(T-T)18缩松是在同时凝固的条件下．最后凝固的地方因收缩造成的孔洞得不到金属的补缩而产生的。缩松分布面广，铸锭轴线附近尤为严重。11.2.2缩孔与缩松的形成晶界缩松形成过程示意图19(1)金属性质：金属液体和凝固体的平均体收缩系数、结晶温度范围、吸气性等。11.2.2影响缩孔及缩松的因素Al-8%Si合金圆锭中的等孔隙度曲线氢含量(a)为0.3ml/110gAl；(b)为0.45ml/100gAl20(2)工艺及铸锭结构：凡是提高铸锭断面温度梯度的措施，如铁模铸锭时，提高浇温和浇速，均有利于缩孔的形成降低浇温和浇速，提高模温，则可以减少缩松的形成铸锭尺寸越大，形成缩松的倾向也越大。对于大型铸锭，不管合金的导热性和结晶温度范围如何，均容易促使铸锭中部的缩松增多浇注时供流集中、结晶器高、液穴深，不利于补缩，也易于形成缩松。11.2.3影响缩孔及缩松的因素21在保证铸锭自下而上顺序凝固的条件下，尽可能使缩松转化为铸锭头部的缩孔，然后通过人工补缩来消除。锭模铸锭，合理设计模壁厚度和锭坯的宽厚比或高径比，采用上大下小的锭模及加补缩冒口；加保温帽加强补缩；提高浇温、降低浇速。连铸易形成缩松的大型铸锭时，先去气去渣精炼，使熔体中含气量和夹渣尽量少，采用短结晶器或低金属液面水平，降低浇速，加强二次水冷，使液穴浅平，使铸锭由下而上进行凝固。11.2.4防止缩孔及缩松的途径2211.3裂纹在凝固过程中产生的裂纹称为热裂纹。凝固后冷却过程中产生的裂纹称为冷裂纹。根据裂纹形状和在铸锭中的位置，裂纹又可分为多种，如热裂纹可分为表面裂纹、皮下裂纹、晶间微裂纹等。2311.3.1铸造应力的形成铸锭在凝固和冷却过程中，收缩受到阻碍而产生的应力称为铸造应力，按其形成的原因，可分为热应力、相变应力和机械应力。连铸圆锭中温度和应力分布2411.3.1铸造应力的形成12()LLEETT热E为弹性模量，T1-T2为铸锭断面两点之间的温度差。热应力大小一般可用下式表示，即金属性质和铸造条件是影响热应力σ热大小的两个主要因素。金属的弹性模量和线收缩（膨胀）系数大，铸锭的σ热大。铸锭断面的温度梯度大，则σ热大。防治措施：控制浇注温度和浇注速度，选择合理的铸造模具以及设计合理铸锭尺寸。25热裂是在线收缩开始温度至非平衡固相线温度范围内形成的。热裂形成机理主要有液膜理论、强度理论及裂纹形成功理论。11.3.2热裂形成机理及影响因素液膜理论认为，铸锭的热裂与凝固末期晶间残留的液膜性质及厚度有关。强度理论认为，合金在线收缩开始温度至非平衡固相点间的有效结晶范围，强度和塑性极低，故在铸造应力作用下易于热裂。裂纹形成功理论认为，热裂通常要经历裂纹的形核和扩展两个阶段。2611.3.2热裂形成机理及影响因素晶间有液膜时热裂形成示意图（a）形成液膜；（b）形成晶间裂纹液膜理论2711.3.2热裂形成机理及影响因素强度理论有效结晶温度范围越宽，合金的热裂倾向越大2811.3.2热裂形成机理及影响因素并非铸造过程中金属收缩受阻，产生热应力，就一定会发生热裂。如果金属在有效结晶范围内，具有一定的塑性，就可以通过塑性变形使得应力松弛，而不产生热裂。例如，铝合金在有效结晶范围内的伸长率大于0.3%，就不容易产生热裂纹。29影响因素主要包括：金属性质、浇注工艺及铸锭结构等。11.3.2热裂形成机理及影响因素金属性质的影响合金的有效结晶温度范围宽，线收缩率大，则合金的热裂倾向大。结晶温度范围宽结晶温度范围窄3011.3.2热裂形成机理及影响因素大多数铝合金都有一个与成分相对应的脆性区，在此温度范围内，合金处于固液状态，强度和塑性都较低，所以脆性区温度范围大，合金热裂倾向大。脆性区温度范围取决于合金的性质，此外与浇注工艺有很大关系。例如，浇注温度和浇注速度过高，会增大脆性区的范围，从而增大铸锭的热裂倾向。3111.3.2热裂形成机理及影响因素铸锭结构不同，铸锭中热应力分布状况也不同。大型铸锭比小型铸锭更容易产生热裂。圆锭多中心裂纹、环状和放射状裂纹，扁锭最易产生侧裂纹、底裂纹和浇口裂纹。扁锭产生裂纹的倾向与锭厚、宽厚比及浇速的关系3211.3.3冷裂的形成及影响因素冷裂一般是铸锭冷却到温度较低的弹性状态时，因铸锭内外温差大、铸造应力超过合金的强度极限而产生的，并且往往是由热裂纹扩展而成的。铸锭是否产生冷裂，主要取决于合金的导热性和低温时的塑性。合金的导热性好，凝固后塑性较高，就不容易产生冷裂。3311.3.3冷裂的形成及影响因素防止裂纹的途径：合理控制成分、选择合适的工艺、变质处理。成分：控制合金成分及杂质含量是解决大型铸锭产生裂纹的有效方法。例如，在Al合金中，Fe含量过多会形成粗大的化合物，降低流动性和塑性，增大铸锭开裂倾向。工艺：采用低的浇注温度、浇注速度和液面水平，有利于防止产生裂纹。变质处理：加入变质剂，细化晶粒，同时细化合金中的粗大第二相，可以降低铸锭产生裂纹的倾向。3411.4气孔铸件中的气孔对铸件的使用性能影响很大。对力学性能的影响：气孔减少了铸锭的有效截面，当气孔有尖角时，会引起应力集中。因而，显著降低铸锭的力学性能，如塑性，冲击韧性、疲劳性能等。特别是集中型气孔对合金力学性能的影响最大。对铸造性能的影响：铸锭在铸造过程中产生的气孔会显著增加铸锭的热裂倾向。此外，气孔的出现会阻碍金属液的补缩，造成晶间疏松。3511.4气孔气孔一般是圆形的，表面较光滑，据此可与缩孔及缩松相区别。加工时气孔可被压缩，但难以压合，常常在热加工和热处理过程中产生起皮起泡现象。这是铝及其合余最常见的缺陷之一。根据气孔在铸锭中出现的位置，可将其分为表面气孔、皮下气孔和内部气孔三类。36根据气孔的形成方式可分为：析出型气孔：在凝固速度大或有枝晶阻拦时，形成的气泡来不及上浮逸出，便留在铸锭内称为气孔。只有析出气体的压力大于外部总压力时，才可能形成气泡。否则，气体将呈固溶状态存在于铸锭中。11.4气孔37气体能否在铸锭中形成气孔，与许多条件有关：气体浓度大，容易形成气孔；冷却强度大，凝固区窄，不易形成气孔；结晶温度范围宽，凝固区宽，枝晶发达，易于形成枝晶间的缩松气孔。防止析出型气孔的有效方法：搞好精炼去气去渣，浇注时加大冷却强度。11.4气孔38反应型气孔：金属凝固过程中，与模壁表面水分、涂料及润滑剂之间或金属液内部发生化学反应，产生的气体形成气泡后，来不及上浮逸出而形成的气孔。高温下金属与水蒸气反应产生的氢气。润滑油燃烧产生的气体。二次冷却水的水蒸气、涂料和润滑油挥发产生的气体。防止方法：注意干燥，供流均匀，适当减小结晶器喷水角以免水气侵入，模壁经常清理。11.4气孔