有色金属合金铸锭缺陷

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1、有色金属合金锭坯缺陷（nonferrous metal and alloy ingotdefects）有色金属合金锭坯的缺陷包括偏析、裂纹、气孔、夹杂、缩孔与疏松、冷隔偏析固态合金中化学成分（包括杂质元素）分布的不均匀性。偏析的具体分类见表。偏析的种类微观偏折宏观偏析咬晶偏析（晶内偏析）正偏析（正常偏析）胞狀偏析;.1反偏折（逆偏析或负偏析）侧界偏祈密度偏析金属间化合物一次晶偏析惜状偏祈BatKe：GQSOSQ：COM枝晶偏析 凝固时，溶质原子的重新分配和非平衡结晶引起的微观偏析。如图a所示，成分为x的液溶体，当温度由丁降至T时开始结晶出成12分为S的固溶体。冷至T时固相成分为S，但由于铸锭时

2、，结晶速度通常远大2 3 3于溶质原子在固相中的扩散速度，固相成分来不及均匀化，因而在 T 时固相的3平均成分处于S和S之间的S。如此继续，在结晶过程中，固相成分的变化2 3 3便偏离了固相线，沿着SS S S变化。结晶后在晶粒内部便出现了成分的 2345不均匀性，如图b所示。由此可见，合金相图中，液相线与固相线间水平间距越 大，合金组元的扩散系数越小，晶内偏析就越严重。在其他条件相同时，冷却速 度越大，晶内偏析越严重。但过大的冷却速度，使溶质重新分配的扩散来不及进 行反而会使枝晶偏析减轻。I 2TTfB枝晶偏析形成过程示意图尬一不平衡结晶示意图&枝晶皿翻訣阴胞状偏析 在胞状结构边界的沟槽处发

3、生的溶质原子的富 集或贫化。此种偏析是由于凝固时界面前沿液体中的实际温度低于由于溶质分布 所决定的凝固温度，即是由于成分过冷造成的。胞状结构边界发生的低熔点组元 的富集，将对合金的性能产生不利的影响。晶界偏析溶质原子在晶界处的富集。形成机制有两种：(1)平行晶体生长方向的晶界偏析。由于界面能的作用，在齐头并进的晶粒间界与液、 固界面处相交形成沟槽。沟槽处有利于溶质及杂质原子的偏聚，形成晶界偏析；(2)相向生长的晶粒相碰，形成垂直方向的晶界偏析。此种偏析在浓度上和尺寸 范围上都较大。金属间化合物一次晶偏析 金属间化合物一次晶的过分长大或 富集而造成的铸锭化学成分的不均匀性。在连续或半连续铸造时，

4、在流槽或液穴 中往往形成一定数量的金属问化合物一次品的核心，并在液穴中继续形成和长 大。当大部分溶体结晶温度远低于一次品化合物生成和长大温度时，一次晶化合 物得以充分长大，并由于自重和振动等因素的影响，飘落在结晶面上，成为分散 的一次晶化合物偏析。若飘落后发生聚集，则成为大块的一次晶化合物偏析。严 格控制合金元素及杂质含量、适当提高浇铸温度、加入适量变质剂可减少或消除 此种偏析。上述微观偏析与不平衡结晶密切相关，在热力学上是不稳定的，可通过长时 间的高温加热(见有色金属合金锭坯均匀化)来减轻或消除。正偏析 后结晶部位的溶质或杂质浓度高于合金中的平均浓度 的偏析。在正温度梯度下，当 K1 时，凝

5、固界面前的液相中将有一部分溶质被0 排出。随着界面向中心推移，溶质浓度将逐渐增加，造成铸锭边部溶质浓度较低， 越接近心部溶质浓度越高，形成正偏析。增加冷却速度，加快合金结晶，使液相 溶质来不及扩散和重新调整，可减轻正偏析的程度。反偏析 K1 时，后结晶部位的溶质或杂质的浓度低于合金中 0 平均浓度。在凝固时，在模壁上首先形核结晶，将部分溶质排除在界面前沿，造 成了成分过冷的液体存在于枝晶间。当晶体继续长大时，由于凝固引起体积收缩 造成毛细孔隙。在静压力下，高浓度液相通过柱状晶间的孔隙压到铸锭表面，形 成反偏析，甚至形成所谓反偏析瘤。控制浇铸和结晶条件得到等轴晶组织，减少 表面层残存过冷液体量，

6、可减少反偏析。带状偏析 平行于结晶晶体生长界面形成的偏析。一般出现在 定向结晶的情况下。若溶质原子在液相中的扩散速度小于晶体生长速度，在界面 前沿的液相中便会发生溶质富集，造成成分过冷，发生晶体非定向生长，将高浓 度液相部分封闭起来。被封闭部分继续长大又重复上述情况，这样便形成了带状 偏析。减小成分过冷，采用连续搅拌或振动会减少或消除带状偏析。密度偏析 由密度差引起的区域偏析。液固两相或液相间，由 于密度差别较大，轻相上浮，重相下沉而引起的偏析。通过搅拌、加速冷却，提 高液溶体稠度或加入添加剂细化晶粒，皆可使密度偏析减少。上述几种宏观偏析在固态下很难用锭坯均匀化的方法加以消除，若残存在塑 性加

7、工制品中会对性能产生不良影响。裂纹 破坏铸锭组织连续性的开裂现象。根据裂纹形成温度 可分热裂纹和冷裂纹。热裂纹在铸锭凝固过程中产生的裂纹。形成机理有 3 种：（1）强度理论。合金在固相线附近的温度范围内，塑性极低呈脆性；此时，当铸锭内应 力超过金属的强度时即发生热裂。（2）液膜理论。由于非平衡结晶和偏析，有少 量低熔点液膜分布在晶粒或枝晶间，削弱了晶界强度，在足够大的内应力作用下， 液膜就会沿晶间开裂。（3）形核功理论。裂纹形核易在液、固两相汇集部位发生。 当液相汇集部位的双边角为e，固相界面表面张力为o时，单位面积裂纹形核 ss功为：A=o （l-l/cos（e /2）-1）。当外功大于形核

8、功时，即会引起热裂发生。ss热裂纹常表现为沿晶断裂，裂纹曲折而不规则。冷裂纹在金属完全凝固后产生的裂纹。此裂纹多表现为穿晶断裂，断口不发生氧化，裂纹较规则。由于冷却不均而产生的铸锭内应力超过了金 属的强度或塑性极限而造成的。此种裂纹也称应力裂纹。在实际生产中，出现了热裂纹的铸锭，若凝固后仍处于较大的内应力下，裂 纹还会继续扩展形成冷裂纹。这种既有热裂又有冷裂的裂纹称为综合裂纹。通过调整合金成分限制杂质含量避免热脆性；添加变质剂细化晶粒或使低熔 点相变为高熔点化合物；采用合理的铸造工艺、铸模和结晶器，尽可能使冷却均 匀，减少铸锭内应力，都可防止裂纹的产生。气孔由残存在铸锭中的气体形成的圆滑的孔洞

9、。气孔按生成机理可分两种： （1）析出性气孔，即在金属凝固时气体的溶解度大大降低，所析出 的气体来不及排除，而产生的气孔；（2）反应性气孔，即在液态金属内部因发生 化学反应而生成的气孔（见金属中的气体）。为了减少和防止气泡的产生，除炉料、熔剂覆盖剂和工具干燥无油污外，还 应控制适宜的铸造工艺，采用合理的结晶器。在工业上，通过生产实践和科学试 验总结出许多的效果良好的除气方法。如惰性气体除气法（见熔体氮气净化）、活 性气体除气法（见熔体氯气净化） 、混合气体除气法（见熔体混合气体净化） 、熔剂 除气法（见熔体熔剂净化）、真空除气法（见熔体真空净化），等等。夹杂见非金属夹杂。除去金属中夹杂物的有效

10、方法是精炼净化（见熔体炉内净化和熔体炉外净化） 。缩孔与疏松金属在凝固过程中，由液态收缩和凝固收缩引起的孔洞。尺寸较大且集中的孑 L 洞称为缩孔；尺寸较小而分散的孔洞称为疏松。用肉眼可 以观察到的称宏观疏松；肉眼分辨不清的称显微疏松。缩孔金属从铸造温度冷至室温，要经历液态、凝固态和固态 3 种收缩。缩孔的大小主要由液态和凝固时的体积收缩来决定，其相对体积可由下式 表示：玲)+ 一 5%.护(心冷)%式中a为液体金属的体积收缩系数，/C； t为铸造温度，C； t为液v.ye 12相点温度，C； 为凝固时的体积收缩率，； a 为固态金属的体积收缩 v.ni v.gu系数，/C； t为室温，。C。由

11、此可见，a 和 越大，形成缩孔的相对体 3 v.ge v.ni积也越大。疏松由凝固收缩造成的微小孔洞称收缩疏松；由金属所含气体在凝固时放出所形成的微小孔洞称为气眼疏松。形成机理，前者同缩孔，后者同气孑 L。疏松易于在结晶温度范围较宽的合金中生成。此时，晶体以枝晶状生长，当 枝晶较多相互搭接形成骨架后，剩余液体逐渐被分割和封闭起来。此部分液体在 凝固收缩时若得不到补充，便形成疏松。在保证顺利凝固的条件下，适当提高铸造温度、降低浇铸速度、及时补缩和 减少熔体吸气都可减少和防止缩孔和疏松。 (见热顶铸锭、振动铸锭)冷隔金属液浇铸在已凝固的金属硬壳上，冷凝后形成的不合层。若结晶器传热较快和浇铸速度较慢

12、时，进入结晶槽中的液态金属不能顺利地流向 四周，并从边部的液面上开始凝固，形成了连续的致密硬壳层，阻止液态金属继 续向前流动。当液态金属源源不断地流入结晶槽时，液面将不断增高，当它足以 克服液面表面张力，并破坏了表面氧化膜时，熔液就沿着已凝固的硬壳层表面流 向结晶槽壁，使已凝固的硬壳层重新加热。若壳层未能被覆盖的熔体所熔化，则 凝固后将形成明显的上下层，其间存在一道裂缝；若壳层能被重新熔化，则熔化 区将有大量偏析物析出；若壳层仅在边部未被熔化，则边部呈现裂缝，中部出现 偏析物。冷隔严重地破坏了铸锭组织的连续性，易使铸锭及加工制品开裂，应极力避 免。冷隔的防止措施如下：(1)提高浇注速度； (2

13、)提高铸造温度； (3)加大结晶 器锥度和高度； (4)采用结晶槽上部保温一热顶法； (5)对结晶槽熔体进行搅拌。 过烧组织 (burnt structure) 锭坯加热不当造成的钢材内部缺陷之一。因加热温度很高、时间很长、锭坯内部 除出现过热组织、晶粒粗大等缺陷外，还发生晶界氧化并在晶界上出现网状分布 的氧化物，使晶间结合力大为降低或完全消失。金属过烧后，塑性加工时会沿晶 界氧化物开裂，甚至破碎，金属的断口无金属的光泽。过烧的表面呈现鸡爪状和 树皮状裂纹，使材料完全报废，无法挽救。含铜钢由于选择性氧化，铜含量富集， 更易形成树皮状表面。防止的办法是合理控制加热温度及炉气成分，避免钢的过 烧。