凝固缺陷及控制

第十一章凝固缺陷及控制主要内容：合金中的成分偏析气孔与夹杂的形成机理缩孔缩松的形成与防止凝固收缩、变形与裂纹UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan第十一章凝固缺陷及控制主要内容：UCSDMAE-1Fl1第一节合金中偏析偏析合金在凝固中发生的化学成分不均匀现象叫偏析。分类：微观偏析：合金微小范围内（约一个晶粒范围）的化学成分不均匀性，如晶内偏析和晶界偏析。宏观偏析：合金凝固断面上各部位的化学成分不均匀性，常有正常偏析、逆偏析和重力偏析等正偏析：负偏析：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan第一节合金中偏析偏析UCSDMAE-1FluidDy2一、微观偏析晶内偏析晶内偏析是在一个晶粒内出现的成分不均匀现象。形成机理：1）合金相图上液相线和固相线间隔越大，则先后结晶部分的成分差别越大，晶内偏析越严重。2）偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，晶内偏析倾向越大。3）在其他条件相同时，冷却速度越快，则实际结晶温度越低，原子扩散能力越小，晶内偏析越严重

对性能的影响成分不均匀造成性能下降，特别是塑性和韧性成分不均匀造成合金抗腐蚀性能的下降特点：不稳定，通过扩散退火和均匀化退火可以消除UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan一、微观偏析晶内偏析UCSDMAE-1FluidDyn3晶界偏析晶界偏析晶界与晶内的化学成分不均匀现象；在晶粒与晶粒之间最后凝固部分（即晶界区）积累了更多的低熔点组元和杂质元素。晶界偏析的程度比晶内偏析更为严重，有时在晶界上还会出现一些不平衡的第二相，如低熔点共晶体UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan晶界偏析晶界偏析UCSDMAE-1FluidDynam4晶界偏析形成过程UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan晶界偏析形成过程UCSDMAE-1FluidDynam5Al-0.2%Ce合金的偏析UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAl-0.2%Ce合金的偏析UCSDMAE-1Fluid6二、宏观偏析1正常偏析单向凝固时的溶质分布曲线•铸件外层纯度高、溶质含量低，内部溶质含量高、杂质集中的区域偏析为正常偏析•机理：冷速较慢，低熔点组元充分向内部聚集•危害：铸件性能不均匀；但可借此对金属提纯•防止：扩散退火无效，提高冷速有效，如降低浇注温度、加速铸件凝固UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan二、宏观偏析1正常偏析单向凝固时的溶质分布曲线•铸件外72逆偏析铸件凝固后常出现与正常偏析相反的情况，即k<1时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部位或上部含溶质较少结晶温度范围宽的固溶体合金和粗大的树枝晶易产生逆偏析，缓慢冷却时逆偏析程度增加。Al-4.7Cu合金的逆偏析UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2逆偏析铸件凝固后常出现与正常偏析相反的83、V形偏析和逆V形偏析特征对于大型钢锭，呈锥形，偏析带中存在大量的C、S、P等杂质形成机理溶质富集产生周期性凝固，并且结晶沉淀在钢锭下部形成负偏析，上部形成正偏析晶粒脱落沉淀，收缩后被富溶质液态填充而形成V形偏析UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3、V形偏析和逆V形偏析特征UCSDMAE-1Fluid94带状偏析带状偏析的形成特点是它总是和凝固的固-液界面相平行。防止措施：（1）强化冷却（2）加入组织初晶沉浮的合金元素，如Cu-Sb合金中加入Ni，Sb-Sn合金中加入Cu由于重力作用而出现的化学成分不均匀现象。在凝固初期，由于组员密度差异而产生重力偏析。如Cu-Sb合金，Sn-Sb轴承合金等5重力偏析UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan4带状偏析带状偏析的形成特点是它总是和凝固的固-液界106、区域偏析和层状偏析区域偏析：焊缝熔池凝固时，柱状晶快速长大，是溶质和杂质元素推向焊缝中心，形成中心区域偏析带。易产生裂纹层状偏析：是由于热的周期性作用而引起的意志化学成分不均匀现象原因：结晶潜热和热能的波动，冷却速度慢时偏析较小、冷却快时偏析较严重UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan6、区域偏析和层状偏析区域偏析：UCSDMAE-1Flu11第二节气孔与夹杂一、气孔因气体分子聚集而在金属中产生的空洞叫气孔原因：液态金属中气体溶解度降低而溢出的分子状态的气泡；侵入气体不被金属溶解形成的气泡。分类：按气体来源：析出性气孔、侵入性气孔和反应性气孔按气体种类：氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan第二节气孔与夹杂一、气孔UCSDMAE-1Fluid121、析出性气孔在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出气体，来不及从液面排出而形成气孔。分布：冒口附近和热节形状：含气量少时呈裂纹状；含气量高时呈团球状含氢量一）基本概念

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1、析出性气孔含氢量一）基本概念UCSDMAE-13Al-Si合金中的典型析出性气孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAl-Si合金中的典型析出性气孔UCSDMAE-1Flu14Al-Si合金中的典型析出性气孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAl-Si合金中的典型析出性气孔UCSDMAE-1Flu152、侵入性气孔定义：铸型和型芯在高温金属作用下产生的气体，侵入金属内部形成的气孔特征：数量少、体积大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出现在铸件表面或近表层形状：梨形、椭圆形或圆形组分：水蒸气、CO、CO2、H2、碳氢化合物UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2、侵入性气孔定义：UCSDMAE-1FluidDyn163、反应性气孔定义：金属液－铸型之间、金属液内部发生化学反应所产生的气孔分布：铸件表皮以下1~3mm处，通称皮下气孔形状：球状和梨状组分：CO、N2、H2UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3、反应性气孔定义：UCSDMAE-1FluidDyn17UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanUCSDMAE-1FluidDynamicsFocu18二）

气孔的析出气体析出方式：扩散逸出、与金属元素形成化合物和以气泡形式逸出气泡形成过程气泡的生核、长大和上浮逸出UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan二）气孔的析出气体析出方式：UCSDMAE-1Flui19铸件中气孔的形成示意图UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan铸件中气孔的形成示意图UCSDMAE-1FluidDy20气泡生核生核方式：依附现成表面非均质形核气泡生核能：越高，生核能越小，生核越容易，如枝晶间凹陷部位越大，生核能越小，生核越容易UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan气泡生核生核方式：依附现成表面非均质形核越高，生核能越小，生21气泡的长大气泡的长大:长大的热力学条件：：气泡内各种气体分压的总和：阻碍气泡长大的外界压力总和，包括大气压、金属静压头、和表面张力产生的附加压力UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan气泡的长大气泡的长大:：气泡内各种气体分压的总和：阻碍气泡长22气泡的逸出上浮气泡形核后短暂长大脱离依附表面而上浮UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan气泡的逸出上浮气泡形核后短暂长大脱离依附表面而上浮UCSD23二）

气孔的形成机理凝固界面前沿气体原子聚集——固相无扩散、液相只有扩散：1）、析出性气孔机理：结晶前沿特别是枝晶间气体溶质富集，当气体含量超过其饱和度，析出压力大于外界阻力时，气体依附于晶界溶质偏析和非金属夹杂物生核长大，逸出气泡，且气泡不易排除而留下来成为气孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan二）气孔的形成机理凝固界面前沿气体原子聚集——固相无扩散、24动力学条件：取决于：上浮速度Ve与凝固速度R

当Ve<

R时气泡残留于金属中

Ve=2(ρL-ρg)gr2/9ηR↑气孔↑η↑Ve↓气孔↑△ρ(实际上为ρL)↑Ve↑气孔↓－－轻金属易产生气孔（铝、镁）UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan动力学条件：UCSDMAE-1FluidDynamic252）侵入型气孔的形成机理形成条件：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2）侵入型气孔的形成机理形成条件：UCSDMAE-1Fl263）反应性气孔形成机理（1）金属液与铸型（芯）反应性气孔（皮下气孔）原因：铸型水分高、透气性低；合金中有易氧化成分；熔点较高的合金（钢、铁。铜）一定中等壁厚范围内。机理：氢气说氮气说——有树脂粘结剂时

CO说UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3）反应性气孔形成机理UCSDMAE-1FluidDy271）渣气孔例钢中CO不溶，但氧或氧化物与碳反应形成CO（FeO）+[C]=CO+[Fe]（MnO）+[C]=CO+[Mn]（SiO2）+2[C]=2CO+[Si]（Cu2O）+2[H]=2[Cu]+H2O(气)（2）金属液内反应性气孔2）金属液中元素间反应性气孔＃碳氧反应气孔＃水蒸气反应气孔＃碳氢反应气孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1）渣气孔（2）金属液内反应性气孔2）金属液中元素间反应性气28金属液体中含氢量的检测

1、铝合金含氢量的炉前快速检测仪（AH-1型）

原理：P气>Pa+

H＋2σ/r(a)含气量小(b)含气量大

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan金属液体中含氢量的检测1、铝合金含氢量的炉前29AH-2测氢系统外形图铝液含氢量定量测试仪（AH-2B）测氢系统的组成：

1-坩锅2-热电偶3-玻璃4-微压传感器5-微机数据采集系统6-真空管路7-电阻炉8-真空泵UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAH-2测氢系统外形图铝液含氢量定量测试仪（AH-2B）测氢30式中T—铝液温度，KCH—氢在铝合金熔体中的溶解度，ml/100gAlPH—铝液中氢气分压，PaA和B为与合金成分有关的常数

第一气泡法（Sieverts定律）含氢量检测原理UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan式中T—铝液温度，K第一气泡法（Sieverts定律）含氢31d)含氢量0.065cm3/100gAl

b)含氢量0.183cm3/100gAl

c)含氢量0.128cm3/100gAl

a)含氢量0.237cm3/100gAl

通过铝液含氢量检测及控制，大幅度减少针孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynand)含氢量0.065cm3/100gAlb)含氢量0.18321、危害有效工作断面↓→σb↓δ↓

应力集中→裂纹疏松→δ↓气密性↓耐蚀性↓2、防止措施

1）消除气体来源：炉料洁净、型砂水分、有机粘结剂用量和含氮量、焊条烘干等

2）合理工艺：精炼、除气和气体保护

3）增加气体析出阻力：快速凝固、金属型铸造、密封加压凝固等

三）影响气孔的因素及防止措施UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1、危害三）影响气孔的因素及防止措施UCSDMAE-133二、夹杂物定义：金属内部或表面存在的和基本金属成分不同的物质。来源：原材料本身含有的夹杂物金属熔炼和炉前处理带来的夹杂物，如MnO、SO2、Al2O3等液态金属与耐火材料及熔渣接触产生的与其他接触产生的夹杂物铸造和焊接过程中产生的UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan二、夹杂物定义：UCSDMAE-1FluidDyna34夹杂物的分类1、来源：

内生夹杂：熔化与凝固过程冶金反应产物脱OPS产物

N2、O2、P溶解偏析形成第二相

外来夹杂：熔炉耐火材料、造型材料2、按组成：氧化物、硫化物、硅酸盐3、按形成时间先后：一次夹杂物和二次夹杂物4、按夹杂物的形状：球形、多面体、多角形等等

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan夹杂物的分类UCSDMAE-1FluidDynamic35UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanUCSDMAE-1FluidDynamicsFocu36决定于夹杂物的成分、性能、形状、大小、数量、分布=>硬脆→δαk

球形→影响↓；针状、尖角影响↑↑（应力集中）事物的另一方面：

高熔点、细小颗粒→好的作用非自发形核核心→细化沉淀强化—N化物弥散

新学科的产生→MMC，人为的加入高性能陶瓷相夹杂物的危害：连续性，均匀性破坏＝>机械性能↓致密性↓耐蚀性能红脆—热裂（低熔点相）裂纹源UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan决定于夹杂物的成分、性能、形状、大小、数量、分布夹杂物的危37钢中MnS夹杂物引起的裂纹源及扩张过程a)原始状态b)受力后产生裂纹c)d)裂纹继续扩展UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan钢中MnS夹杂物引起的裂纹源及扩张过程UCSDMAE-138浇注前的熔炼及熔体处理中，冶金反应产生。夹杂物容易聚合、长大防止措施：（1）加溶剂——吸收夹杂（2）除气处理时也可将夹杂物携带上浮排出（3）过滤法3、初生夹杂物的形成及防止措施UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan浇注前的熔炼及熔体处理中，冶金反应产生。3、初生夹杂物的形成394、二次氧化夹杂物的形成及防止措施（1）形成——浇注及填充铸型的过程中氧化形成（2）防止——合理的浇注工艺及浇冒口系统，平稳充型——控制金属液的易氧化元素——铸型内造还原型气氛UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan4、二次氧化夹杂物的形成及防止措施（1）形成——浇注及填充铸405、次生夹杂物凝固过程中，溶质再分配，溶质富集，偏晶结晶析出夹杂物例如：Fe中富集Mn和S时：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan5、次生夹杂物凝固过程中，溶质再分配，溶质富集，偏晶结晶析出41图夹杂物粘附晶体示意图（a)粘附后（b)粘附前粘附发生的条件：图偏析夹杂物被粘附陷入晶内示意图UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图夹杂物粘附晶体示意图（a)粘附后（b)粘附前粘附42夹杂物被排斥推入液相示意图UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan夹杂物被排斥推入液相示意图UCSDMAE-1Fluid43晶界残留较多夹杂物时的形状：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan晶界残留较多夹杂物时的形状：UCSDMAE-1Fluid44不同二面角晶间夹杂物的形状示意图UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan不同二面角晶间夹杂物的形状示意图UCSDMAE-1Flu45Shrinkageholesandshrinkageporosity

第三节缩孔与缩松的形成原理UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanShrinkageholesandshrin46一、金属的收缩1、收缩的基本概念——铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减少。体收缩——金属从液态到常温（室温）的体积改变量

线收缩——金属在固态时从高温到常温（室温）的线尺寸改变量

体收缩率：线收缩率：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan一、金属的收缩1、收缩的基本概念体收缩——金属从液态到常温471、液态收缩：2、凝固收缩：3、固态收缩：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1、液态收缩：2、凝固收缩：3、固态收缩：UCSDMAE-482、铸钢的收缩图碳钢的比容与温度和含碳量的关系1－0.35％C；2－0.25%C；3－0.8%C（1）液态（2）凝固UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2、铸钢的收缩图碳钢的比容与温度和含碳量的关系（1）液态49（3）固态收缩a.珠光体转变前收缩b.共析转变期的膨胀c.珠光体转变后收缩UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）固态收缩UCSDMAE-1FluidDynami503、铸铁的收缩图铸铁的收缩过程曲线1－白口铸铁；2－灰铸铁(1)液态收缩（2）凝固收缩：状态改变＋温度降低析出1％石墨，体积增大2％凝UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3、铸铁的收缩图铸铁的收缩过程曲线(1)液态收缩（2）凝51灰铸铁凝固收缩与碳当量的关系（3）铸铁的固体收缩曲线UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan灰铸铁凝固收缩与碳当量的关系（3）铸铁的固体收缩曲线UCSD52UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanUCSDMAE-1FluidDynamicsFocu53图Fe-C合金的自由线收缩曲线1－碳钢；2－白口铁；3－灰铸铁；4－球墨铸铁UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图Fe-C合金的自由线收缩曲线U54铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞。容积大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松1缩孔（Shrinkagehole）热节：铸件厚壁处、两壁相交处及内浇口附近等凝固较晚或凝固缓慢的部位特征：尺寸较大，形状不规则，表面不光滑，有枝晶脉络状凸起a)明缩孔b)凹角缩孔c)芯面缩孔d)内部缩孔分类：内缩孔和外缩孔二、缩孔与缩松的分类及特征UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收552缩松（Porosity）分类：宏观缩松（简称缩松）和微观缩松（显微缩松）分布：多出现于结晶温度范围较宽的合金中，常分布在铸件壁的轴线区域、缩孔附近或铸件厚壁的中心部位。铸件热节处的缩孔与缩松UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2缩松（Porosity）分类：宏观缩松（简称缩松）和56①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。②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→分散的小缩孔三、缩孔与缩松的形成机理③危害：机械性能、气密性、耐蚀性、锻造裂纹UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan三、缩孔与缩松的形成机理③危害：机械性能、气密性、耐57铸件中缩孔的形成示意图UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan铸件中缩孔的形成示意图UCSDMAE-1FluidDy58Al-4.5%Cu合金中的显微缩松a.含气量高的显微缩松与球形孔洞；b.树枝间的显微缩松UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAl-4.5%Cu合金中的显微缩松UC59图铸铁共晶石墨长大特点示意图灰铸铁——“自补缩能力”球墨铸铁——膨胀力大——若铸型移动——缩松倾向大若铸型刚性大——自补缩UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图铸铁共晶石墨长大特点示意图灰铸铁——“自补缩能力”球墨60图灰铁与球铁在湿砂型中浇注的膨胀曲线灰铸铁——“自补缩能力”球墨铸铁——膨胀力大——若铸型移动——缩松倾向大若铸型刚性大——自补缩UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图灰铁与球铁在湿砂型中浇注的膨胀曲线灰铸铁——“自补缩能力61产生缩孔、缩松因素与控制：收缩必然性→缩孔或缩松→取决于凝固方式（层、糊）影响凝固方式因素：成分、温度梯度影响缩孔和缩松大小的因素：金属的性质；铸型条件(激冷能力)

浇注条件；铸件尺寸缩孔防止：合理设计浇冒口系统→缩孔于浇冒口中。缩松防止：无法通过浇冒口消除。△T↑枝晶发达→缩松↑四、影响缩孔与缩松的因素及防止措施UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan四、影响缩孔与缩松的因素及防止措施UCSDMAE-1F62

防止措施成分选择浇冒口设计（缩孔）－定向凝固和同时凝固高压下浇注与凝固（缩松）急冷—减少糊状（缩松），如冷铁UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan防止措施成分选择浇冒63定向凝固方式示意图均匀壁厚铸件定向凝固过程UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan定向凝固方式示意图均匀壁厚铸件定向凝固过程UCSDMAE-64图扩展角对补缩困难区的影响UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan图扩展角对补缩困难区的影响UCSDMAE-1Flui65冷铁对缩孔位置的影响

（顺序凝固）冷铁造成同时凝固方式示意图UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tyna