铸造-4 凝固缺陷及控制

1,第四章 凝固缺陷及控制,2,教学大纲,教学目的和要求:掌握凝固缺陷偏析，气孔，夹杂物，缩松，缩孔和应力的形成和防止措施。教学内容：1偏析的形成过程和防止措施。2气孔的形成和防止措施。3夹杂物的形成和防止措施。4缩松和缩孔的形成和防止措施。5应力的形成和控制措施。教学重点和难点：重点：偏析，气孔，夹杂物，缩松，缩孔和应力的形成和防止措施。难点：缩松，缩孔和应力的形成和防止措施。,3,第一节 化学成分的不均匀性,合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象称为偏析材料成分偏离平衡状态的现象（必然）。偏析按其范围大小分为两大类：微观偏折和宏观偏析。,4,一、微观偏析,微观偏析，又称短程偏析，是指微小范围内的化学成分不均匀现象。也就是晶粒内部和晶界等微区内由于非平衡凝固造成的。微观偏析按其形式分为枝晶偏析(晶内偏析) 、胞状偏析和晶界偏析，都是合金在结晶过程中溶质再分配的必然结果。,5,1枝晶偏析,较快冷却原子扩散不充分（成分不均）晶轴（先结晶高熔点）与分枝（次晶轴）及枝间区（后结晶低熔点）树枝状晶体内部成分的不均匀。处于一个晶粒（树枝晶）内部又称晶内偏析。,6,影响因素（根据溶质再分配理论）：,7,消除措施：,晶内偏析通常是有害的，严重的晶内偏析造成晶粒内部合金成分不均匀，使其物理和化学性能不均匀，导致铸件的机械性能，特别是韧性、塑性下降。生产上常采用扩散退火或均匀化退火来消除晶内偏析，即将铸件加热到低于固相线100200的温度，进行长时间保温，可达到均匀化的目的。,8,2胞状偏析,胞状结构由一系列平行的棒状晶体所组成，沿凝固方向长大，呈六方断面，由于凝固过程中溶质再分配，当合金的平衡分配系数K01，则胞壁处的溶质会贫化。这种化学成分不均匀性称为胞状偏析。,图4-2 胞状生长时溶质分布示意图,9,3晶界偏析,晶粒之间最后凝固部分（晶界区）积累了更多的低熔点组元与夹杂造成晶界偏析。比晶内偏析更严重，甚至产生新相。,图4-3 晶界偏析形成示意图,影响作用：机械性能特别是与k ；热裂性 ；耐蚀性消除措施：均匀化退火（扩散退火），低温长时间（TS以下100200）,10,二、宏观偏析,宏观偏析指发生在区域之间的成分差异，又称长程偏析或区域偏析，是指较大尺寸范围内的化学成分不均匀现象。分类：正常偏析、逆偏析、V形偏析和逆V形偏析、带状偏析、密度偏析,11,1正（常）偏析,K01:则与此相反，后结晶的固相，溶质浓度降低，把这种符合前述溶质再分配规律而形成的偏析称为正常偏析。,12,2逆偏析（反偏析）,铸件凝固后，常常出现和正偏析相反的溶质分布情况，当K0< 1时，表面或底部含溶质元素多，而中心部分或上部含溶质较少，这种现象称为逆偏析。影响因素：（1）结晶温度范围大; （2）树枝晶尺寸大; （3）冷却速度慢；（4）金属所受压力大。消除措施：采取细化晶粒的措施，减小合金液的含气量，有助于防止或减少逆偏析的产生。,13,3V形偏析和逆V形偏析,V形偏析和逆V形偏析常出现在大型铸锭中，一般为锥形，偏析带中含有较高的碳以及硫和磷杂质。,图4-6 铸锭产生V形和逆V形偏析部位示意图,14,4带状偏析,带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，其特点是带状偏析总是和凝固的液固界面相平行，有时是连续出现，有时则是间断的。消除措施：减少溶质的含量，采取孕育措施细化晶粒，加强固液界面前的对流和搅拌，能够防止或减少带状偏析的形成。,图4-7 带状偏析生成机理示意图,15,5密度偏析（重力偏析）,密度偏析，也称重力偏析（比重偏析），是液体和固体共存或者是相互不混合的液相之间存在着密度差时产生的化学成分不均匀现象，一般形成于金属凝固前或刚刚开始凝固时。防止措施：(1)增加铸件的冷却速度（快速凝固），使初生相来不及上浮或下沉；(2) 加入第三种合金元素，形成熔点较高的、密度与液相接近的树枝状化合物，使其首先结晶并形成树枝状骨架，阻止偏析相的沉浮。(3) 尽量降低合金的浇注温度和浇注速度。,16,第二节 气 孔,一、气孔的种类析出性气孔、反应性气孔 金属液在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及从液面排除而产生的气孔称为析出性气孔。金属液和铸型之间或在金属液内部发生化学反应所产生的气孔，称为反应性气孔。,17,二、气泡的析出,气体是通过：(1) 扩散逸出；(2) 与金属内的某元素形成化合物；(3) 以气泡形式从液态金属中逸出等三种形式从金属中析出的。形成机理：形核长大上浮三阶段,18,（1）形核条件,极纯的液体金属中自发形核（很困难）；实际液体金属中衬底非自发形核（容易）；衬底（高熔点质点、熔渣、枝晶表面）；液体金属“邻晶凹陷处最易”。,19,20,图4-8 气泡形成过程示意图,21,（2）长大条件,气体内部各气体分压总和 > 外界压力内部压力,rP 难长大异质形核 rP 利于长大,22,(3)上浮条件,气泡脱离现成表面而上浮取决于液、气、固三者间的表面张力。,23,图4-9 气泡脱离衬底表面示意图,24,25,三、析出性气孔的形成机理,1凝固时溶质再分配导致气孔形成气体溶解度的变化,26,三、析出性气孔的形成机理,2侵入性气孔的形成,图4-11 气体进入金属液中形成气泡的过程,27,四、反应性气孔的形成机理,1金属-铸型间反应性气孔皮下气孔是典型的金属-铸型间反应性气孔，其形成机理存在以下几种学说：(1)氢气说 (2)氮气说 (3)CO说,28,2金属液内反应性气孔,(1) 渣气孔 液态金属与熔渣相互作用产生的气孔称为渣气孔。(2) 金属液中元素间反应性气孔(a) 碳氧反应气孔(b) 水蒸气反应气孔(c) 碳氢反应气孔,29,五、影响气孔的因素及防止措施,1影响因素(1) 金属液原始含气量(2) 冷却速度 (3) 合金成分 (4) 气体性质,30,2防止或减少析出性气孔的措施,(1) 减少金属液的吸气量，采取烘干、除湿等措施，防止炉料、空气、铸型、浇包等方面的气体进入金属液。（加强保护防止进入 如N）(2) 对金属液进行除气处理，常用的方法有（熔体处理去除 脱O 脱N）(a) 浮游去气，即向金属液中吹入不溶于金属的气体，如惰性气体、氮气及加入氧盐等，使溶解的气体进入气泡而排除。(b) 氧化去气，对能溶解氧的金属液，可先吹氧去氢，然后再脱氧。(3) 阻止金属液中气体析出，提高铸件冷却速度，如金属型铸造等方法；提高铸件凝固时的外压，如密封加压等方法。(4) 型(芯)砂处理 减少砂型(芯)在浇注时的发气量；使浇注时产生的气体容易从砂型(芯)中排出，例如多扎排气孔，使用薄壁或空心和中间填焦炭块的砂芯等方法。,31,3防止皮下气孔产生的措施,(1) 采取烘干、除湿等措施，防止和减少气体进入金属液。(2) 严格控制合金中氧化性较强元素的含量，如球墨铸铁中的镁及稀土元素；铸钢中用于脱氧的铝。(3) 砂型(芯)要严格控制水分，重要铸件可采用干型或表面烘干型，含氮树脂砂要尽量减少尿素含量，控制乌洛托品固化剂的加入量，保证铸型有良好的透气性。(4) 适当提高浇注温度，能够降低凝固速度，有利于气体排除。(5) 工艺方案设计中，尽量保证金属液平稳进入铸型内，减少金属液的氧化。,32,第三节 夹杂物,一、夹杂物的来源及分类1夹杂物的来源(1 )金属在熔炼与铸造过程中，原材料本身所含有的夹杂物。(2) 金属熔炼时，脱氧、脱硫、孕育、球化等处理过程，产生大量的MnO、SiO2、A12O3等夹杂物。(3) 液态金属与炉衬、浇包的耐火材料以及溶渣接触时，会发生相互作用，产生大量MnO、A12O3等夹杂物。(4) 在精炼后转包及浇注过程中，因金属液表面与空气接触，其表面很快地形成一层氧化膜，当其受到紊流、涡流等破坏而卷入金属中，可形成二次氧化夹杂物。(5)金属在凝固过程中，进行的各种物理化学反应所形成的如A12O3、FeO、FeS等内生夹杂物。,33,2夹杂物的分类,(1) 按其来源分为：内在夹杂物和外来夹杂物。内在夹杂物是指在熔炼、成型过程中，金属与其内部非金属发生化学反应而产生的化合物。即：脱氧、脱硫的产物；低熔点共晶化合物（S、O、N溶解度降低，达到过饱和）。外来夹杂物是指金属与外界物质接触发生相互作用所产生的非金属夹杂物。 即：金属与外界物质作用：熔渣等，炉衬和浇包受金属液侵蚀生成的非金属夹杂物；金属液被大气氧化。,34,(2) 按夹杂物的化学组成分：,简单氧化物如FeO、MnO、SiO2、A12O3等；复杂氧化物MnO ·A12O3、FeO·A12O3硫化物如FeS、MnS、Cu2S等；硅酸盐成分较复杂，是一种玻璃体夹杂物，如FeO·SiO2、Fe2SiO4、Mn2SiO4、FeO·A12O3、SiO2、nFeO·mMnO·pSiO2等。氮化物VN、TiN、AlN,35,(3) 夹杂物按其形成的时间可分为：初生和二次氧化夹杂物，以及偏析夹杂物。,初生夹杂物是在金属熔炼及炉前处理过程中产生的，而在浇注过程中因氧化而产生的夹杂物称为二次氧化夹杂物，偏析夹杂物是在金属凝固过程中产生的。,36,3非金属夹杂物对铸件质量的影响,（1）对力学性能降低铸件的塑性、韧性和疲劳性能 ；（2）对铸造性能流动性降低 ；热烈倾向大；微观缩孔倾向大； （3）好的作用硬质点提高耐磨性；微量钙和硫形成球形硫化物，分布于晶内，对机械性能影响不大，却能改善其切削加工性能；细化晶粒 ；沉淀强化N化物弥散。,37,二、初生夹杂物的形成及防止措施,1初生夹杂物的形成 在金属熔炼及炉前处理时，液态金属内会产生大量的初生夹杂物，其形成过程一般经历偏晶析出和聚合长大两个阶段。(1) 夹杂物的偏晶析出 (2) 夹杂物的聚合长大,38,2防止或排除金属液中初生夹杂物的途径,(1) 加熔剂 (2) 过滤法,39,三、二次氧化夹杂物的形成及防止措施,金属液在浇注及填充铸型的过程中，所产生的氧化物称二次氧化夹杂物。1二次氧化夹杂物的形成液态金属与大气接触表面氧化。二次氧化夹杂物常常出现在铸件上表面及型芯下表面及死角部分，是铸件非金属夹杂缺陷的主要来源，占夹渣的4070%。,40,影响因素：,(1) 化学成分 (2) 金属液流,41,2防止和减少二次氧化夹杂物的途径,（1）正确选择合金成分，严格控制易氧化元素的含量。（2）严格控制铸型水分，加入煤粉等碳质材料，或采用涂料，形成还原性气氛。（3）采取合理的浇注工艺及浇冒口系统，保持金属液充型过程平稳流动。对要求高的重要铸件或易氧化的合金铸件，可以采用真空或在保护性气氛下浇注。,42,四、偏析夹杂物,偏析夹杂物是指合金凝固过程中，金属相结晶的同时伴生的非金属夹杂物，其大小属于微观范畴。,图4-12 合金凝固时偏析夹杂物形成示意图,43,第四节 缩松与缩孔,把铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减少现象称为收缩。一、金属的收缩(1) 液态收缩(2) 凝固收缩(3) 固态收缩,44,二、铸件的收缩,图4-16 Fe-C合金的自由线收缩曲线 1碳钢；2白口铸铁；3灰铸铁；4球墨铸铁,45,三、缩孔与缩松的形成机理,缩孔：凝固体积收缩，得不到液态金属的补充逐层凝固时 通过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固部位形成集中缩孔。特征：缩孔的形状不规则，表面不光滑，可以看到发达的树枝晶末梢。缩松：糊状凝固糊状区、液固共存液体流动困难晶间树枝间得不到补充分散的小缩孔。特征：尺寸细小、且分散。危害：机械性能、气密性、耐蚀性、锻造裂纹,46,1缩孔的形成,纯金属共晶成分合金和窄结晶温度范围的合金,铸件中缩孔形成过程示意图,47,2缩松的形成,（1）缩松较宽结晶温度范围的合金,铸件中缩松形成过程示意图,48,2缩松的形成,（2）显微缩松分布：显微缩松是伴随着微观气孔的形成而产生的，大多出现在枝晶间和分枝之间，与微观气孔难以区分，在显微镜下才能观察到。,49,四、灰铸铁和球墨铸铁铸件的缩孔和缩松,1、两种铸铁的凝固过程,图4-18 亚共晶灰铸铁和球墨铸铁的动态凝固曲线,50,石墨化膨胀作用对缩松缩孔性能的影响：,图4-19 灰铸铁和球墨铸铁共晶石墨长大特点示意图,51,图4-20 灰铸铁和球墨铸铁在湿砂型中浇注的膨胀曲线,52,五、影响缩孔与缩松的因素及防止措施,1影响缩孔与缩松的因素(1) 金属的性质 (2) 铸型条件 (3) 浇注条件 (4) 铸件尺寸 (5) 补缩压力,53,五、影响缩孔与缩松的因素及防止措施,2防止铸件产生缩孔和缩松的途径(1) 顺序凝固和同时凝固原则 顺序凝固同时凝固,图4-2l 顺序凝固方式示意图,54,2防止铸件产生缩孔和缩松的途径,(2) 浇注条件(3) 冒口、补贴和冷铁的应用(4) 加压补缩,55,第五节 应 力,铸造应力铸件在凝固及冷却过程中，由于线收缩及固态相变会引起体积的收缩或膨胀，而这种变化往往受到外界的约束或铸件各部分之间的相互制约而不能自由地进行，于是在产生变形地同时还产生应力，这种应力称为铸造应力。按存在的时间：瞬时应力、临时应力、残余应力。按产生的原因分：热应力、相变应力及机械阻碍应力。对铸件质量影响：铸造应力是铸件在生产、存放、加工以及使用过程中产生变形和裂纹的主要原因。,56,一、应力的形成,1热应力铸件在凝固和其后的冷却过程中，由于各部分冷却速度不同，造成同一时刻收缩量的不一致，导致内部彼此制约而产生的应力，称为热应力。,57,图4-22 应力框铸件瞬时应力形成过程示意图,58,热应力的形成 + 表示拉应力 - 表示压应力,59,2相变应力,具有固态相变的合金，若各部分发生相变的时刻及相变的程度不同，其内部就可能产生应力，这种应力称为相变应力。钢在加热和冷却过程中，由于相变产物的比体积不同，发生相变时其体积要变化。,60,3机械阻碍应力,属在冷却过程中因为受到外界阻碍而产生的应力，称为机械阻碍应力。机械阻碍的来源主要有：强度较高、退让性较低的铸型和型芯，砂箱内的箱带和型芯内的芯骨，设置在铸件上的拉杆、防裂肋、分型面上的铸件飞边，浇冒口系统和铸件上的某些凸出部分。机械阻碍作用一般使铸件产生拉伸或剪切应力。,61,二、控制应力的措施,1合理设计铸件结构铸件的壁厚尽量均匀，不同壁厚连接处要圆滑过渡；设置冷铁；合理设计浇冒口，尽量使铸件各部分温度均匀等。,62,二、控制应力的措施,2合理选择工艺采用蓄热系数大的型砂；预热铸型；提高铸型及型芯的退让性；采用面砂或涂料，减小铸型表面的摩擦力；合理控制浇注时间和冷却时间等。,63,二、控制应力的措施,3消除或降低铸件中残余应力人工时效自然时效共振时效等。,64,习题：第1、2、3、5、6、7、12、15题,