《材料成型工艺学 上》教学课件：12 连铸坯的缺陷及控制

1、三、 连铸坯的缺陷及控制,1. 连铸坯的表面缺陷,裂纹 气孔 夹杂 振痕、凹陷 成分偏析,三、 连铸坯的缺陷及控制,1. 连铸坯的表面缺陷,裂纹 气孔 夹杂 振痕、凹陷 成分偏析,三、 连铸坯的缺陷及控制,1. 连铸坯的表面缺陷,裂纹 气孔 夹杂 振痕、凹陷 成分偏析,钢水在结晶器内形成初凝固壳的状态是决定铸坯表面质量的关键,三、 连铸坯的缺陷及控制,提高连铸坯表面质量的工艺措施：,控制结晶器的传热，使初凝固壳均匀； 裂纹、凹陷 控制结晶器的振动； 振痕、横裂纹 使用性能好的保护渣； 气孔、夹杂 优化结晶器结构； 倒锥角度，弧形壁 电磁搅拌； 气孔、夹杂 软接触电磁连铸。 振痕、裂纹,电磁搅拌

2、的部位：,结晶器电磁搅拌：,（1）借助旋转电磁场使连铸机结晶器内的金属液产生平面旋转，去除杂质、气体。,结晶器电磁搅拌：,（2）扩大等轴晶区改善宏观偏析，减少粗大柱状晶区 。,软接触电磁连铸：,软接触电磁连铸：,（1）减轻结晶器振动对弯月面的影响，液态渣膜连续均匀 。,软接触电磁连铸：,（2）减小初凝壳对结晶器的压力和摩擦力 。,三、 连铸坯的缺陷及控制,2. 连铸坯的内部缺陷,裂纹 气孔 夹杂 缩孔、缩松 成分偏析,连铸坯的内部凝固是在出结晶器后进行的，后继的二次水冷、弯曲矫直等直接影响内部质量。,三、 连铸坯的缺陷及控制,提高连铸坯内部质量的工艺措施：,控制二冷段的传热，使铸坯均匀凝固，提

3、高等轴晶率； 偏析、缩孔、缩松 降低浇钢的过热度； 使用性能好的保护渣，防止钢水二次氧化和污染； 控制拉速，保证连铸机正常运行； 电磁搅拌（二冷段和末端区）。 偏析、缩孔、缩松,二冷段和末端区的电磁搅拌可有效抑制枝晶搭桥形成封闭的液窝。,四、 连铸主要工艺参数,拉坯速度及其控制 铸坯的冷却（结晶器冷却、二次冷却）,4.3 金属型成形工艺,金属型成形工艺是 将液态金属（合金）浇注到金属材质的铸型中，并在重力的作用下凝固成形，以获得铸件的一种液态成形方法。,由于铸型是用金属制成，可以反复使用数千次到数万次，所以属于 永久型铸造 方法。,4.3 金属型成形工艺,在液态金属特种成形方法中： 压力铸造

4、低压铸造 真空吸铸 连续铸造 离心铸造 等都要使用金属型。,在技术上和经济的特点,优点： 金属型生产的铸件，其 机械性能比砂型铸件高，抗蚀性能和硬度亦显著提高。 原因是冷却速度快，铸件表层结晶组织细密。 铸件的精度和表面粗糙度等级比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定。 铸件的工艺出品率高，一般可节约金属液153%。 节省造型材料，减轻环境污染，改善劳动条件。 生产效率高，容易实现机械化和自动化。 工序简单，使铸件产生铸造缺陷的原因减少。,在技术上和经济的特点,缺点： 金属型制造复杂，成本高。 金属型不透气，激冷能力强，容易产生铸件浇不足、铸铁件白口等缺陷 。 金属型无退让性，阻碍铸件收缩。 工艺过

5、程需要严格控制。 铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度、铸件在铸型中的凝固时间及使用的涂料等，对铸件质量的影响非常敏感。 铸件结构、重量、尺寸等受到限制。 存在充型能力和模具寿命问题,一 金属型铸件形成过程的特性,金属型与砂型的根本区别在于两者的铸型材料不同： 砂 型由颗粒状的耐火材料组成的松软多空隙的型体 金属型由金属材料制成的坚固密实的型体,显著的区别： 砂 型有良好的透气性和退让性， 较差的导热性和激冷能力。 金属型优良的导热性和很强的激冷能力， 没有透气性和退让性。,1 型腔内气体对金属充填过程的影响,假设金属型在浇注前，型腔内气体的温度为T，体积为V，重量为G，则气体压力P为：

6、P = RTG / V,液态金属在充填铸型的过程中，型腔内的气体（空气、砂芯受热产生的气体）由于受热膨胀和体积压缩而使型腔压力增大，即 P P 压力变化为： P = RG T /V,结果： 造成充型反压力（大小为P） 它成为液体金属充型的阻力,金属液充型速度 铸型排气能力 砂芯数量和大小 气体温度变化,第一种情况：,P 超过临界值 P临 （ 金属液压力和表面张力之和）,呛火不仅破坏了金属液的连续流动，而且还会对某些合金造成强烈氧化。在呛火过程中，如果受到初晶或凝固层的阻拦，气体就会留在金属中形成气孔。,型腔气体就会钻进金属液中，通过浇注系统向外逸出。 这种现象称为呛火。,气阻,第二种情况：,如

7、果： 型腔内局部死角处的气体无法排除，就会形成气阻。,P 小于临界值 P临,气阻型腔中的气体由于受热膨胀和体积压缩而使压力 增大，形成阻碍液体金属进入的区域。,浇不足,所以，在金属型铸造中一定要注意： 型腔的整体排气和型腔死角的排气,2 铸件凝固过程中热交换的特点,金属液一旦进入型腔，就把热量传给金属型壁，金属液的温度不断降低，铸型的温度不断升高。,金属液通过型壁散热，进行凝固并产生收缩 金属型通过型壁吸热，温度升高并产生膨胀,把热量积蓄起来； 把积蓄的热量散发到周围的大气中去。,这时铸型起到两个作用：,在产生气隙前，由于金属液和铸型紧密接触，界面处几乎没有温度差；而在产生气隙后，由于气隙的导

8、热性比较差，所以铸件和铸型之间存在很大的温度差，铸件的散热速度减慢。,在金属型铸造时，铸件与铸型之间要刷一层涂料，在“铸件气隙金属型”系统中，涂料也被认为是“气隙”的一部分。 涂料和空气的导热系数都很小。,可通过改变涂料的 热物理性质和厚度 来控制铸件的凝固速度。,3 金属型对铸件收缩的阻碍,在金属型铸造中，金属型芯及型壁凸起部分在铸件凝固过程中无退让性， 会阻碍铸件收缩。,在固液两相区,在金属液温度进入结晶区间（固液两相区），就开始有凝固收缩，当收缩受到阻碍， 就可能形成热裂缺陷。,由于金属型会阻碍铸件的收缩，所以对于凝固收缩大的合金要特别注意。,随着铸件温度的降低，当低于固相线时，进入弹性

9、变形温度时，由于金属型的阻碍，在铸件内会引起应力，其大小为： =E(-K),在固相区,式中： E铸件材料的弹性模量； 铸件在弹性温度范围内的自由收缩率； K铸型退让系数。,对于金属型或金属芯， K =0（无退让性），则其收缩应力最大，即 =E,铸件在弹性温度范围内的自由收缩率为： =(T弹-T出),式中： 铸件在弹性温度范围内的线收缩系数； T弹铸件材料弹性变形开始温度； T出铸件出型或抽芯温度。,铸件内应力为： = E(T弹-T出),从上式可以看出，由于金属型及金属芯阻碍收缩，如果铸件在型中停留的时间愈长，即出型或抽芯温度愈低，在铸件内部产生的收缩应力就愈大。,当 b时，铸件就可能被拉裂，出

10、现冷裂缺陷。,为避免产生冷裂缺陷，要严格控制工艺： 及时抽芯和出型。,二 金属型形成工艺,制定金属型铸造的工艺规范，除必须根据金属型的特点周密设计外，生产时还须严格遵守工艺，才能保证获得优质铸件和延长金属型的使用寿命。,金属型的铸造工艺规范包括：,金属型的预热 浇注 出型 涂料,1 金属型的预热,冷型浇注：,金属液冷却快，流动性剧烈降低 铸型受到剧烈的热作用，应力倍增,金属型在浇注前一定要预热 （每班的第一次浇注）,常用合金的金属型预热温度,2 金属型的浇注,要控制： 合金的浇注温度、浇注速度和浇注过程,2 金属型的浇注,浇注温度,过高 铸型寿命降低,过低 铸件产生冷隔、气孔、夹杂、浇不足,浇

11、注速度,开始：慢 中间：快 收尾：慢,（防止飞溅） （很好充型） （防止溢出）,浇注过程,保证液流平稳，不断流,常用合金的浇注温度,3 铸件的出型和抽芯时间,铸件在金属型内停留的时间愈长，温度就愈低，其收缩量也就愈大：,由于型腔凸凹部分的阻碍， 使取件难度加大,由于铸件收缩产生的抱紧型芯力的作用， 使抽芯难度加大,3 铸件的出型和抽芯时间,金属型在浇注后 要控制铸件在铸型内的停留时间,金属型的出型和抽芯时间：,铸件结构 铸件壁厚 合金性质 浇注温度,4 金属型的涂料,粉状耐火材料 + 粘结剂 + 溶剂 + 附加物,在金属型铸造中，常需在金属型的工作表面喷刷涂料。,调节铸件的冷却速度 保护金属型，缓冲作用 利用涂料层蓄气排气,涂料的作用,涂料的组成,向预热后的铸型上： 喷 或 刷,涂料的使用,常用合金的金属型涂料,常用合金的金属型涂料,常用合金的金