有色金属熔炼与铸锭第三节铝合铸锭的质量分析与检测.ppt

第四节铝合铸锭的质量分析与检测,4.1铝合铸锭的质量,铝合金铸锭的质量主要包括以下几个部分1、合金成分2、尺寸偏差3、表面质量4、内部组织5、铸锭内部缺陷,4.1.1合金成分,铸锭的合金成分应该严格控制的一定范围之内，如果超出这个范围后产品的最终性能将受到很大影响。铝合金按其主要的成分不同可以分成若干个系列，美国校准将其分到1-7系列。铝合金的成分可分为：“名义化学成分”，“内控成分”，“铸锭实际成分”。名义化学成分：某种铝合金金的化学成分控制范围。内控成分：工厂内部控制的成分范围铸锭的实际成分：对铸锭进行成分分析后得到的实际成分。,名义化学成分,铝合金合金牌号分类（按成分分）,合金成分表的备注,内控成分与实际成分,企业某些合金牌号中的主元素成分及杂质成分所提出的更严格的控制标准-内控成分制成铸锭后进行化学成分分析为铸锭的真是成分，对应的各元素为真实值,化学成分铸锭的内的分布-宏观偏析,宏观偏析产生的原因,化学成分铸锭的内的分布-微观偏析,图247075典型微观组织内的元素分布；（a）粗大光亮晶组织，(b)正常微观组织,枝晶内部的偏析,Cr,Zn,微观偏析产生的原因,凝固前沿的枝晶生长,4.1.2铝合铸锭的表面质量,铝合金铸锭的表面质量包括铝合金表面形貌和皮下组织。希望得到表面的光洁度高的铸锭，这也是现在铝合金铸造工艺追求的方向之一（热顶、低液位铸造的出现很大程度上都是为了提高铸锭的表面质量），而从铸锭表面形貌上看主要的缺陷有偏析瘤、冷隔、和拉裂。铸锭的皮下组织主要是指铸锭表面向内一定距离内的组织情况，其缺陷主要有偏析层、皮下冷隔、皮下裂纹、皮下气孔等。,拉裂,偏析瘤,冷隔,4.1.2铝合铸锭的表面形貌,较光滑表面,5cm,拉痕,铝合铸锭的表面形貌,偏析瘤的形成过程,在YS6793标准中，要求铝合金锭表面上偏析瘤的高度不能超过1mm。图1.3所示为偏析瘤的形成过程。当铝液接触到结晶器壁(石墨内套)时，在结晶器壁的冷却作用下，铝液在结晶器内表面形成一层凝固壳。由于铝液的凝固收缩，使凝固壳脱离结晶器壁，导致凝固壳与结晶器器壁之间形成气隙，由于空气导热率很低，因此凝固壳在液穴内铝液的作用下产生温度回升，使凝固壳枝晶间的低熔点共晶重新熔化，这些低熔点共晶在液穴内铝液静压力作用下，通过枝晶间隙被挤出铸锭表面而形成偏析瘤。在热顶铸造中，由于热顶（保温帽）内铝液的作用，液穴内的静压力比DC法铸造液穴内的静压力大得多，因此，更容易产生偏析瘤。,拉裂,拉裂是指铸锭表面的横向裂纹，它是因为铸锭顶端的凝固壳与结晶器壁(石墨内套)之间的摩擦力超过了凝固壳的拉抗强度，从而使铸锭被拉裂。当裂纹较大时，有铝液漏出，在铸锭表面形成铝瘤，它将直接使铸锭报废。防止拉裂的措施是首先要选择合适的拉伸速度，如果拉速过快，容易产生拉裂；其次，应该尽量减小凝固壳与结晶器壁之间的摩擦，可以选择润滑油或者润滑脂。这种缺陷一般在传统的直冷铸造和热顶铸造中比较常见。,冷隔的形成过程,冷隔形成过程如图1.4所示：在热顶与结晶器接触处有一直角，在表面张力的作用下，铝液不能完全充填直角，而是在此处形成一个弯曲液面。当铸锭下移时，由于铝液表面张力作用，角部空间逐渐增大，液面逐渐被冷凝，同时铝液对弯月面产生的静压力也在逐渐增大。当其超过表面张力时，弯液面产生移动，向直角填充，于是又回到初始状态。当铸锭继续下降时，便开始又一次循环，这样循环的结果，便在铸锭表面形成一片连续冷隔。结晶器壁的冷却强烈程度和结晶器的高度对冷隔的形成和发展有着重要影响。结晶器内表面积越小，结晶器壁的导热能力越强，则靠近结晶器壁的熔体温度降到固相线温度也就越快，越容易在直角处下沿凝固，这样形成冷隔的几率大大增加。,铝合铸锭的表面皮下组织（宏观）,铝合铸锭的表面皮下组织（微观）,铝合铸锭的表面皮下组织（微观）,铝合铸锭的表面皮下组织（微观）,图铸锭表面偏析扫描照片,图7075铝合金铸锭典型皮下组织的元素分布,铝合铸锭的表面皮下组织（断口）,铝合铸锭皮下组织形成示意,4.1.2铝合铸锭的内部组织,无磁场,差相磁场,宏观组织,Al3004,宏观+偏光,羽毛晶粒,图3.97075铝合金铸态组织,无磁场,差相磁场,无磁场,差相磁场,上部,中部,下部,宏观组织,偏光照片,过渡段,铝合铸锭的内部组织（宏观+偏光）,Al5182,Al7075,铝合铸锭的内部组织（正常微观+偏光）,铝合铸锭的内部组织（正常微观+偏光）,Al2024,铝合铸锭的内部组织（正常微观+偏光）,铝合铸锭的内部组织（正常微观+偏光）,铝合铸锭的内部组织（晶粒内部的相组成）,铸锭中的相,不同形貌不同颜色的相,铝合铸锭的内部组织（晶粒内部的相组成）,相的鉴别,根据XRD+能谱确定相组成，确定以后可以根据经验在光学显微镜下通过颜色和形貌进行判断。个别小尺寸析出物应用透射电镜进行鉴别。,注意：每种检测手段的侧重点不同，分辨率不同，比如一般扫描电镜的光束的枝晶将近1微米，因此用其做能谱分析时，原子比难免有误差，实际操作过程中应考虑这种误差。,晶粒内相的鉴别,晶粒内相的鉴别,晶粒内相的鉴别,Zn,Ti,B,Cr,Al,Zn,均匀化退火对非平衡相的影响,7050铝合金铸锭470不同均匀化时间后微观组织（未腐蚀）,48h,6h,12h,0h,均匀化退火后的残留相,透射电镜照片,4.1.4铝合铸锭组织的缺陷,铝合铸锭组织缺陷主要包括以下几个部分1、偏析2、缩孔3、疏松4、气孔5、非金属夹杂6、金属夹杂7、氧化膜8、白亮点9、白斑10、光亮晶11、羽毛晶12、粗大晶粒,偏析,铝合金铸锭中的偏析分为微观偏析和宏观偏析，前面已经进行了介绍。主要是由固液溶质分配系数不同引起的。,缩孔,缩孔，液体金属凝固时，由于体积收缩而液体金属补缩不足时，凝固后铸锭的尾部中心形成的空腔称之为缩孔。,夹渣,铸锭中单独的可以较大或者细小成群的分金属夹杂物，称为夹渣。通常在检测试样低倍试样时可以发现，对于全铝合金制品，铸锭试片上不得多于两点夹渣，且单个面积小于0.5mm2，否则就要判废。夹渣是导致铝合金铸锭判废的主要原因之一，据统计，因夹渣而报废的铸锭约占废品总质量的10-25%。夹渣通常是在铸造过程中随液体金属一起掉入铸锭中的炉渣，炉衬碎块或块度较大的氧化物所造成的。生产实践中通过以下手段防止夹渣的产生：1）仔细精炼，保证静置时间，并在流盘或漏斗中采用玻璃布过滤。2）尽可能速缩短转注距离，建立良好的转注条件，封闭流槽、流盘、漏斗中的所有敞露落差，防止金属液面波动，在可能的条件下最好采用同水平铸造。3）彻底烘烤转注工具，适当提高铸造温度，铸造过程中精心打渣，铸造结束后再洗清理炉子、流盘和其他工具；4）使用清洁的炉料。,断口,氧化膜,氧化铝形成的非金属夹杂在铸锭中的主要形式是氧化膜。氧化膜很薄与基体金属结合非常紧密，在未变形的铸锭宏观组织中不能被发现，只有按特制的方法，将铸锭变形并淬火后作断口检查时才能发现，其特征为褐色、灰色或浅灰色的片状平台断口两侧平台对称。用显微镜观察，氧化膜特征为黑色线状包留物，黑色为氧化膜，白色为基体，包留物往往为窝纹状。氧化膜形成的机理主要有两个：其一，是在熔炼和铸造过程中，熔体表面始终与空气接触，不断进行高温氧化反应形成氧化膜，并浮盖在熔体表面。当搅拌和熔铸操作不当时，浮在熔体表面的氧化膜被破碎并卷入熔体内，最后留在铸锭中，其二，铝合金熔炼时，除了使用原铝锭，中间合金和纯铝作为炉料外，还加入一定数量的废料，包括工厂本身的几何废料、工艺废料、碎屑、以及外厂废料。碎屑和外厂废料成分复杂，尺寸小、质量差、存在大量的氧化膜夹杂物，在复熔和熔炼过程中由于除渣不净，氧化物杂质进入熔体，成为氧化膜的另一主要来源。预防氧化膜的措施主要有：1）将原辅料的油污、腐蚀物、灰尘、泥沙和水分等清楚干净，2）熔炼过程中尽量少反复补料和冲淡，搅拌方法要正确，防止表面氧化皮成为碎块掉入熔体内，3）熔体转注过程中，熔体要满管流动，落差点要封闭，4）提高精炼温度，除渣除气时间不能太短，静置时间足够，5）使用各种工具要预热好，6）铸造温度不能偏低，要保证熔体的良好流动性。,氧化膜检测标准（断口分析）,疏松,（1）疏松的特征疏松破坏金属的连续性，是在金属熔炼过程中产生的，并能传递给加工制品，对加工工艺和制品的性能有不良影响。疏松的宏观组织特征为在金属表面用肉眼观察到的黑色针孔即为疏松，铸锭中疏松多分布在铸锭的中心和尾部，其试片断口组织粗擦、不致密。,针孔状低倍组织,疏松,气孔,熔体中氢含量高且除氢不彻底时，氢气已气泡状存在，并在金属凝固后被保留下来，在金属内形成球状空腔，该空腔称为气孔。,光亮晶,光亮晶又称浮游晶是铝合金竖直连铸和水平连铸铸锭中常见组织缺陷，是一种贫乏的固溶体的一次晶。在铸锭的宏观组织中，光亮晶呈现光亮色泽，故而得名光亮晶。铸造过程中，这种组织最初是在糊状区的某个位置形成，然后被带到熔体中，在所观察到的位置最终凝固并存在铸锭中，故而又称之为浮游晶。光亮晶就其本质而言，是合金组元贫乏的固溶体。在高倍显微镜下光亮晶呈现的显微组织特征是枝晶网格稀疏粗大，存在大的枝晶壁间距和厚的枝晶壁，图为水平连铸直径100mm的5182铝合金中的光亮晶组织。这种组织与铸锭基本晶粒细而连续的枝晶网格形成了明显对比。作为一种组织缺陷光亮晶破坏了铸锭组织的均一性，使制品的性能受到影响，在光亮晶存在的区域内，硬度、屈服强度、抗张强度都有所降低，在光晶与基体的交接处，由于结合得不够致密，易有细小裂纹存在，所以在含有光亮晶的区域内，铸锭的延伸率也有所下降，因此要尽量避免产生粗大的光亮晶组织。,光亮晶,光亮晶,光亮晶,羽毛晶,在铝合金铸锭中，试样中或中心部位出现一种特殊组织，它既不像柱状晶又不像等轴晶。在光学显微镜下观察，其组织好象服装上的花边或羽毛，因此成为羽毛状晶（花边组织），羽毛晶多成扇形的羽毛状分布，如图所示。与正常晶粒相比，羽毛状晶粒非常大、是正常晶粒大小的几十倍。它是在结晶前沿液体中温度梯度十分陡峭，过冷带极为窄小的情况下产生的。当熔体的过热度很高，铸锭冷却速度极快，向结晶面直接供给热的金属流以及熔体中的有效活性质点极少时容易产生。铸锭经挤压变形后，羽毛晶不能被消除，多数成开放状菊花状，经二次挤压后，羽毛晶不能被消除，其尺寸仍比正常组织大的多。长期以来冶金工作者对羽毛晶存有偏见，认为其是一种组织缺陷。但新近的研究结果表明羽毛晶是柱状晶的变态，既不是夹杂，也不是偏析，和“氧化膜”、“光亮晶”不同。羽毛晶本身的性能不低，虽然对制件耐应力腐蚀性能不利，但对合金的力学性能无明显影响，而且还能提高合金制件抗疲劳性能,粗大晶粒,在宏观组织中出现的均匀或不均匀的大晶粒称为粗大晶粒。粗大晶粒在铸锭试片侵蚀后很容易发现，为了保证质量，对均匀大晶粒按五级标准进行控制，正常情况下铸锭的晶粒都在等于或小于二级以下，即晶粒线性尺寸小于1590微米。当铸造工艺不当时，会出现超过二级晶粒的粗大晶粒，或称柱状或称等轴状，这种晶粒的尺寸比正常值大几倍甚至几十倍，在偏光下，晶粒任然像宏观组织一样，晶粒仍然粗大，只是晶粒位相差更加明显。当结晶核心少，铸造速度慢，过冷度小、成核数量少，晶粒长大速度快则产生均匀大晶粒。当熔体过热、或铸锭规格大也会产生大晶粒。当导入熔体方式不当或导入过热熔体时，由于液穴内温度不均匀，在温度高的地方晶粒长大的块，在铸锭中出现局部大晶粒或大晶区。当细化晶粒的化学元素低时，可能产生均匀大晶粒，也能产生局部大晶粒。,防止粗大晶粒的产生要注意一下几点：1）合金熔体全部或部分不能过热，防止非自发晶核溶解，防止结晶核心减少，2）降低铸造温度，3）增加冷却强度，提高结晶速度，4）合金成分与杂志含量配置适当，增加晶粒细化剂含量。,铸锭的表面缺陷主要有：冷隔、拉裂和拉痕、竖直褶皱、弯曲、偏心、尺寸不符、周期性波纹、竹节、偏析瘤、表面气泡、搭接式表面和汗珠式表面。前面已经进行过介绍。,4.1.5铝合铸锭的表面缺陷,裂纹分类：铸锭裂纹分冷裂纹和热裂纹两种，铸锭冷凝后产生的裂纹叫冷裂纹，冷凝时产生的裂纹叫热裂纹。冷裂纹冷裂纹的宏观组织特征：在铸锭低倍试片上呈平直的裂线，断口比较整齐，颜色新鲜呈亮灰色或浅灰色。冷裂纹的纤维组织特征：裂纹不沿枝晶发展，横穿基体和枝晶网格，裂纹平直清晰。冷裂纹的形成机理：铸造过程中，铸锭内部由于冷却不均匀，产生极不平衡的应力。不平衡应力集中到铸锭的一些薄弱处产生应力集中，当应力超过了金属的强度或者塑性极限时，就在薄弱处产生裂纹。,4.1.6铝合铸锭的裂纹,合铸锭的裂纹热裂纹,热裂纹宏观组织特征：在铸锭低倍试片上裂纹曲折而不平直，有时裂纹有分叉，断口处裂纹呈黄褐色和氧化色，颜色没有冷裂纹断口新鲜，一般在铸锭中心区出现。显微组织特征：沿枝晶裂开并沿枝晶发展，在裂纹处经常有低熔点共晶填充物。热裂纹比冷裂纹细，没有冷裂纹好观察，特别是裂纹处有低熔点共晶填充物时，更要与正常低熔点共晶仔细区分，一般前者比后者尺寸小而且分布致密。热裂纹形成的机理：热裂纹是一种普通有很难完全消失的铸造缺陷，除Al-Si合金外，几乎所有的变形铝合金都能发现。因为在固-液区内的金属塑性低，熔体结晶时体积收缩产生拉应力，当拉应力超过当时金属的强度或收缩率大于伸长率时则产生裂纹。当固液状态下，其伸长率低于0.3%时就可能产生热裂纹。热裂纹主要有表面裂纹，中心裂纹，放射状裂纹和浇口裂纹等。,圆锭的裂纹,扁锭的裂纹-中心裂纹,图显示了中心裂纹。这种裂纹缺陷可能是冷裂纹，也可能是热裂纹。根据前文的应力分析，当铸锭冷到一定时间，铸锭内层冷却速度大于外层冷却速度，则内层的收缩受到外层的阻碍，在铸锭的中心产生拉应力。这种应力从结晶瞬间到铸锭的完全冷却过程中不断增加，在应力作用下，中心部分产生变形，当应力超过合金容许的最大变形量使，中心便被拉开，形成中心裂纹，此时往往伴随有响声。这种属于冷裂纹，这种裂纹一般会沿着大面中心开裂，造成劈裂。,扁锭的