第五章 铸件凝固组织的形成与控制 第三四五节
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材料成形原理 华科 第五章_铸件凝固组织的形成及控制
各项性能。晶粒越细综合性能越好。 对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的 柱状晶，增加其致密度； 对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多 的甚至是全部细小的等轴晶组织； 对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止 晶界降低蠕变抗力。
2、铸件宏观组织的控制途径和措施
铜合金 镍基高温合金
0.02~0.04
表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况
孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）
孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。 几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现
孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本 在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完
各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综 合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就 是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶 粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将
抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，
并细化等轴晶组织。
一、合理地控制浇注工艺和冷却条件 二、孕育处理
加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的
一种工艺方法。
孕育( Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细
化晶粒；而变质（Modification）则是改变晶体的生长机理， 从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶 形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采 用的则是孕育方法。
促使界面前沿熔体内的非匀质形核 成分过冷，溶质富集会抑制晶体生长速度，使晶粒细化。
合金种类 碳钢及合金钢
孕育剂主要组元 Ti V
加入量wt% 0.1~0.2 0.06~0.30
2、铸件宏观组织的控制途径和措施
铜合金 镍基高温合金
0.02~0.04
表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况
孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）
孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。 几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现
孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本 在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完
各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综 合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就 是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶 粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将
抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，
并细化等轴晶组织。
一、合理地控制浇注工艺和冷却条件 二、孕育处理
加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的
一种工艺方法。
孕育( Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细
化晶粒；而变质（Modification）则是改变晶体的生长机理， 从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶 形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采 用的则是孕育方法。
促使界面前沿熔体内的非匀质形核 成分过冷，溶质富集会抑制晶体生长速度，使晶粒细化。
合金种类 碳钢及合金钢
孕育剂主要组元 Ti V
加入量wt% 0.1~0.2 0.06~0.30
铸造凝固组织及其控制
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 表面激冷层区的形成
一旦型壁附近的晶粒互
相连结而构成稳定的凝固壳
层，凝固将转为柱状晶区由 外向内的生长，表面激冷细 晶粒区将不再发展。因此稳 定的凝固壳层形成得越早，
表面细晶粒区向柱状晶区转
变得也就越快，表面激冷区 也就越窄。
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 柱状晶区的形成
柱状晶区开始于稳定凝固壳层的
4.1铸锭/坯的凝固组织
目前比较统一的看法是内部等轴晶区的
形成很可能是多种途径起作用。在一种情况
下，可能是这种机理起主导作用，在另一种
情况下，可能是另一种机理在起作用，或者
是几种机理的综合作用，而各自作用的大小
当由具体的凝固条件所决定。
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 关于偏析问题 • 显微偏析：发生在一个或几个晶粒范围内。可以分为： • 枝晶偏析 • 晶间偏析 • 晶界偏析 • 胞状偏析 • 宏观偏析：铸坯宏观范围的这一部分和那一部分。可 以分为： • 正常偏析 • 反常偏析 • 比重偏析
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 比重偏析 • 在一个铸件（铸锭/坯）中，经常发现上下部分之间 成分显著差异。 • 原因： • 垂直方向顺序结晶的正常偏析 • 整体凝固均匀时的中间等轴晶带产生 • 后者原因： • 固液相间的成分、比重发生差异，结晶过程出现 了比重差异 • 由于结晶过程浮沉现象造成的成分差异，即比重偏析
• 同时，发生较强的自然 对流。使内部液体比较 迅速的冷却 • 温度梯度变成曲线（2）
铸锭/坯的凝固组织
• 铸锭的冷凝过程（作为了 解铸坯组织的参考） • 此时，四周温度梯度变 缓，中心温度下降至结 晶温度 • 过去的时间内，大量形 核，形成细小等轴晶外 壳 • 随着外壳形成收缩，形 成气隙，传热变慢，枝 晶生长
【精品课件】凝固成形工艺.pptx
二.计算机数值模拟
1.金属充型过程的数值模拟 2.凝固过程数值模拟 3.应力场数值模拟 4.微观组织模拟
• 9、春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一样美丽，日子像桃子一样甜蜜。2 1.2.321.2.3Wednesday, February 03, 2021
•
T H E E N D 17、一个人如果不到最高峰，他就没有片刻的安宁，他也就不会感到生命的恬静和光荣。下午5时59分10秒下午5时59分17:59:1021.2.3
谢谢观看
－操作简单，炉温便于调节控制。
常用“坩埚”加热、及感应电炉。
第四节 凝固成形方法
将液态金属充填道与形状和尺寸相适应 的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得所 需形状的零件毛坯
常用方法： 砂型铸造 金属铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 熔模铸造
4－1 砂型铸造
一种最基本的铸造方法，其工艺过程有 制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干 合箱、熔化几个步骤。
三. 砂型铸造的特点
1. 适用面最广，几乎使用所有零部件 2. 分为手工铸造、和机器铸造，后者精 度高、质量好、可批量生产 3.铸件组织晶粒粗大，易成分偏析 4.表面粗糙度较高
4－2 金属型铸造
将金属液浇注到金属铸型中，待其冷 却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于 金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸 造。
蜡模铸造工艺流程： 蜡模制造 结壳 脱模 焙烧
浇注
脱蜡和造型
4－6 离心铸造
离心铸造是将金属液浇入高速旋转 （250～1500r/min）的铸型中，并在离心 力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型 可以是金属型，也可以是砂型。既适合制 造中空铸件，也能用来生产成形铸件。
1.金属充型过程的数值模拟 2.凝固过程数值模拟 3.应力场数值模拟 4.微观组织模拟
• 9、春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一样美丽，日子像桃子一样甜蜜。2 1.2.321.2.3Wednesday, February 03, 2021
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T H E E N D 17、一个人如果不到最高峰，他就没有片刻的安宁，他也就不会感到生命的恬静和光荣。下午5时59分10秒下午5时59分17:59:1021.2.3
谢谢观看
－操作简单，炉温便于调节控制。
常用“坩埚”加热、及感应电炉。
第四节 凝固成形方法
将液态金属充填道与形状和尺寸相适应 的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得所 需形状的零件毛坯
常用方法： 砂型铸造 金属铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 熔模铸造
4－1 砂型铸造
一种最基本的铸造方法，其工艺过程有 制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干 合箱、熔化几个步骤。
三. 砂型铸造的特点
1. 适用面最广，几乎使用所有零部件 2. 分为手工铸造、和机器铸造，后者精 度高、质量好、可批量生产 3.铸件组织晶粒粗大，易成分偏析 4.表面粗糙度较高
4－2 金属型铸造
将金属液浇注到金属铸型中，待其冷 却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于 金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸 造。
蜡模铸造工艺流程： 蜡模制造 结壳 脱模 焙烧
浇注
脱蜡和造型
4－6 离心铸造
离心铸造是将金属液浇入高速旋转 （250～1500r/min）的铸型中，并在离心 力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型 可以是金属型，也可以是砂型。既适合制 造中空铸件，也能用来生产成形铸件。
第五章铸件组织的形成与控制
可以促进二次间距的细化。
二、柱状晶及单晶的获得
（一）单向凝固的条件 （1）严格的单向散热 （2）不产生成分过冷，及温度梯度与生长速度的比值要大 （3）合金液有足够高的纯度，避免对流、搅拌和振动
（二）单向凝固方法 提高温度梯度途径实现 （1）对已凝固部分强制冷 （2）提高固液界面液相一侧的熔体温度 （3）将界面液相一侧的高温环境与固相一侧的低温环境隔开， 保证温度梯度维持高的水平 （4）侧向绝热，保证固液界面保持在宏观的同一水平高度上 炉外单向凝固 单向凝固方法
晶粒的游离与增殖；溶质在生长前沿富集可降低而抑制晶体生长或改变 晶体的生长形态
（四）用动态结晶获得细小的等轴晶
1.振动结晶
破坏熔液与铸型之间的气膜和氧化膜，使溶液润湿 振动对结晶作用
铸型并密切接触型壁，利于型壁大量形核 触发晶粒从型壁上脱落，促进晶体游离
机械振动
振动动力源 电磁振动 超声振动 振动方式
（2）等轴晶组织对性能的影响
（A）有利方面 晶粒组织各向同性 枝晶杂乱 晶粒间夹杂分散 （B）不利方面 加强方法 枝晶发达 显微缩松多 性能减弱 细化晶粒 除杂 性能比较均匀和稳定
2.微观结构对铸件性能的影响
1.平面生长的柱状晶优于胞状生长的柱状晶，更优于枝状结构的 柱状晶
2.枝晶间距，尤其二次枝晶间距细化，对改善偏析和夹杂物有显 著效果
第五章铸件组织的形成与控制晶区组成表面细晶区柱状晶区中心等轴晶区51铸件典型结晶组织52铸件结晶时的晶粒游离一熔体内部的对流运动熔体的对流作用对溶质分布产生影响对晶粒的游离晶枝的熔断和增殖起促进作用对流分类强制对流自然对流原因原因浇注过程流体动量或凝固时的搅拌熔体各部分之间的温差或者浓度差二晶粒游离的方式1通过过冷熔体中的非均质形核而直接产生的游离晶2由型壁晶粒脱落枝晶熔断和增殖而产生的晶粒游离3液面晶体的沉降而产生的游离晶产生晶体游离的内因
铸件成形原理第5章 多相合金凝固
5.2.4 确定共晶片层间距的最小过冷度准则
图5-13
5.2.4 确定共晶片层间距的最小过冷度准则
图5-14 R增大对共晶片层间距的调整 a) 片层间距的调整示意图 b)R增大引起Pb-Sn
5.2.4 确定共晶片层间距的最小过冷度准则
图5-15
5.2.4 确定共晶片层间距的最小过冷度准则
表5-1 不同合金共晶反应相关参数的参考值
图5-23 不同凝固速度下熔体对流效应对Al-22%Cu
5.3.2 偏离平衡相图的共晶共生区
图5-24 伪共晶区及共晶共生区 a)对称型共生区 b)非对称型共生区
5.3.2 偏离平衡相图的共晶共生区
图5-25 >0 a) 对称型共生区(非小平面-非小平面) b) 非对称型共生区(非小平面-小平面)
铸件成形原理
第5章 多相合金凝固
第5章 多相合金凝固
5.1 共晶组织的分类及特点 5.2 规则共晶的凝固 5.3 共晶与枝晶相的竞争生长 5.4 非小平面-小平面非规则共晶的一般特征及形成机制 5.5 灰口铸铁的非规则共晶结晶㊀ 5.6 Al-Si合金的非规则共晶结晶㊀ 5.7 包晶凝固
5.1 共晶组织的分类及特点
(1)第一类共晶
图5-2 Al-A Ni棒状规则共晶
(1)第一类共晶
图5-2 Al-A Ni棒状规则共晶 (上图为纵截面，下图为横截面)
(2)第二类共晶
图5-3 Al-A Cu层片状规则共晶
(2)第二类共晶
图5-4 初晶及共晶体(亚共晶Cu-Ag合金)
(3)第三类共晶
图5-5 Mg-M Sn非规则共晶
1.扩散场成分引起的过冷度ΔTc 2.层片状共晶界面曲率效应
1.扩散场成分引起的过冷度ΔTc ΔTc=[Ce(1-K0)/2DL（1/mα+1/mβ）]λR=KcλR
柱状晶等等5
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制 5
如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织
十分重要。 十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形 横向方向大幅度下降，对热裂敏感， 横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中
第二节 表面激冷区及柱状晶区的形成
一、 表面激冷区的形成 二、 柱状晶区的形成
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制
18
四、单个等轴晶形成过程的动态演示
各向同性， 各向同性，多方向生长 各向异性， 各向异性，四向生长 各向异性， 各向异性，六向生长 各向异性， 各向异性，双核生长
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制
19
第四节 铸件宏观结晶组织的控制
思路: 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力 思路 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力 和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条 和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条 晶粒游离 件综合作用的结果， 件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的 粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核， 粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核， 强化熔体独立生核 促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种 促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种 有助于游离晶的残存与增殖 因素都将抑制柱状晶区的形成和发展， 因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶 区的范围，并细化等轴晶组织。 区的范围，并细化等轴晶组织。
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制 26
料斗
悬浮浇注法是在浇注 过程中将一定量的
固态金属颗粒加
离心集液包
入到金属液中，从
而改变金属液凝固过 程，达到细化组织、 达到细化组织、 减小偏析、 减小偏析、减小铸造
如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织
十分重要。 十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形 横向方向大幅度下降，对热裂敏感， 横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中
第二节 表面激冷区及柱状晶区的形成
一、 表面激冷区的形成 二、 柱状晶区的形成
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制
18
四、单个等轴晶形成过程的动态演示
各向同性， 各向同性，多方向生长 各向异性， 各向异性，四向生长 各向异性， 各向异性，六向生长 各向异性， 各向异性，双核生长
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制
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第四节 铸件宏观结晶组织的控制
思路: 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力 思路 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力 和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条 和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条 晶粒游离 件综合作用的结果， 件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的 粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核， 粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核， 强化熔体独立生核 促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种 促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种 有助于游离晶的残存与增殖 因素都将抑制柱状晶区的形成和发展， 因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶 区的范围，并细化等轴晶组织。 区的范围，并细化等轴晶组织。
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制 26
料斗
悬浮浇注法是在浇注 过程中将一定量的
固态金属颗粒加
离心集液包
入到金属液中，从
而改变金属液凝固过 程，达到细化组织、 达到细化组织、 减小偏析、 减小偏析、减小铸造
《材料成型理论基础》课程大纲
《材料成型理论基础》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：材料成型理论基础英文名称：Fundamentals for Materials Processing二、课程编码及性质课程编码：0809554课程性质：专业核心课，必修课三、学时与学分总学时：56学分：3.5四、先修课程工程材料学、传热学、流体力学、材料成形工艺基础五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供材料科学与工程专业和电子封装技术专业学生选修。
六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是本专业的核心课程之一，其教学目的主要包括：1．让学生对液态成形、连接成形、固态塑性成形及高分子材料成形的基本过程有较全面、深入的理解，掌握其基本原理和规律。
2．了解液态金属的结构和性质；掌握液态金属凝固的基本原理，冶金处理及其对产品性能的影响。
3．掌握材料成形中化学冶金基本规律和缺陷的形成机理、影响因素及防止措施。
4．掌握塑性成形过程中的应力与应变的基础理论，金属流动的基本规律及其应用。
5．了解高分子材料的组织转变及流动、成形的基本规律。
表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点：教学重点：1）本课程以材料成形工艺的理论基础为主线，根据成形加工过程中材料所处或经历的状态，分为液态凝固成形、固态塑性成形、连接成形、塑料注射成形等几类，学习材料在成形过程中的组织结构、性能、形状随外在条件的不同而变化的规律性知识。
2）本课程着重利用前期所学的物理、化学等基础理论，以及传热学、流体力学等专业基础理论知识，学习液态成形、塑性成形、连接成形等基本材料成形技术的内在规律和物理本质，包括共性原理，同时也要注重个性规律性认识。
3）课程将重点或详细介绍三种主要材料成形方法中的主要基础理论和专门知识，阐述这些现象的本质，揭示变化的规律。
而对次要成形方法的基本原理或发展状况等只作简要介绍或自学。
4）重点学习的章节内容包括：第4章“单相合金与多相合金的凝固”（6学时）、第5章“铸件凝固组织的形成与控制”（6学时）、第7章“焊缝及其热影响区的组织和性能”（6学时）、第8章“成形过程的冶金反应原理”（6学时）、第11章“应力与应变理论”（4学时）、第12章“屈服准则”（6学时）。
第六讲铸件凝固组织的形成与控制
离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰的就越多，柱 状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。
8
控制柱状晶区继续发展的关健因素是内部等轴晶区的出现；如 果界面前方始终不利于等轴晶的形成与生长，则柱状晶区可以一 直延伸到铸件中心。直到与对面型壁长出的柱状晶相遇为止，从 而形成所谓的穿晶组织、如果界面前方有利于等轴晶的产生与发 展，则会阻止柱状晶区的进一步扩展而在内部形成等轴晶，例如， 随着浇注温度的提高，柱状晶区的宽度增大。当浇注条件一定时， 随着合金元素含量的增加，游离的晶核数量增加，则柱状晶区的 宽度减小。对于纯金属，则铸态组织常常全部为柱状晶。
14
晶粒增殖: 处于自由状态下的游离晶一般具有树枝晶结构，在 液流中漂移时不断通过不同的温度区域和浓度区域，受到温度 波动和浓度波动的冲击→表面反复局部熔化和反复生长→分枝 根部缩颈可能断开而破碎成几部分→在低温下各自生长为新的 游离晶。
15
液态金属流动的作用
液态金属的流动形式
浇注过程中的流动
凝固期间的对流
对于壁较厚或导热性较差的金属，铸型的激冷作用只产生于铸 件的表面层，相反在内部易造成较大温度梯度而促使形成柱状晶。
9
3. 内部等轴晶区的形成
内部等轴晶区的形成是由于 剩余熔体内部晶核自由生长的 结果。关于等轴晶晶核来源及 形成有四种理论
(1) 过冷熔体直接形核理论：
随着柱状晶层向内推移和溶 质再分配，在固－液界面前沿 产生成分过冷，当成分过冷的 过冷度大于异质生核所需过冷 度时，则产生晶核并长大，导 致内部等轴晶的形成。
对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱 状晶，增加其致密度； 对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的 甚至是全部细小的等轴晶组织； 对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶 界降低蠕变抗力。
8
控制柱状晶区继续发展的关健因素是内部等轴晶区的出现；如 果界面前方始终不利于等轴晶的形成与生长，则柱状晶区可以一 直延伸到铸件中心。直到与对面型壁长出的柱状晶相遇为止，从 而形成所谓的穿晶组织、如果界面前方有利于等轴晶的产生与发 展，则会阻止柱状晶区的进一步扩展而在内部形成等轴晶，例如， 随着浇注温度的提高，柱状晶区的宽度增大。当浇注条件一定时， 随着合金元素含量的增加，游离的晶核数量增加，则柱状晶区的 宽度减小。对于纯金属，则铸态组织常常全部为柱状晶。
14
晶粒增殖: 处于自由状态下的游离晶一般具有树枝晶结构，在 液流中漂移时不断通过不同的温度区域和浓度区域，受到温度 波动和浓度波动的冲击→表面反复局部熔化和反复生长→分枝 根部缩颈可能断开而破碎成几部分→在低温下各自生长为新的 游离晶。
15
液态金属流动的作用
液态金属的流动形式
浇注过程中的流动
凝固期间的对流
对于壁较厚或导热性较差的金属，铸型的激冷作用只产生于铸 件的表面层，相反在内部易造成较大温度梯度而促使形成柱状晶。
9
3. 内部等轴晶区的形成
内部等轴晶区的形成是由于 剩余熔体内部晶核自由生长的 结果。关于等轴晶晶核来源及 形成有四种理论
(1) 过冷熔体直接形核理论：
随着柱状晶层向内推移和溶 质再分配，在固－液界面前沿 产生成分过冷，当成分过冷的 过冷度大于异质生核所需过冷 度时，则产生晶核并长大，导 致内部等轴晶的形成。
对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱 状晶，增加其致密度； 对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的 甚至是全部细小的等轴晶组织； 对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶 界降低蠕变抗力。
铸件结晶组织的形成与控制
04
03
铸件结晶组织缺陷的防止措施
A
控制浇注温度和浇注速度
浇注温度过高或浇注速度过快都可能导致金属 液过热，从而影响结晶组织的形成。
合理设计铸件结构
铸件结构不合理可能导致金属液流动受阻 ，从而影响结晶组织的形成。
B
C
使用优质原材料
使用优质原材料可以减少杂质和气体的含量 ，从而减少结晶组织缺陷的产生。
铸件结晶组织的形成 与控制
目录
• 铸件结晶组织的形成 • 铸件结晶组织的控制方法 • 铸件结晶组织的性能评价 • 铸件结晶组织的缺陷与防止措施 • 铸件结晶组织控制的应用实例
铸件结晶组织的形成
01
结晶过程的基本原理
01
结晶
物质从液态变为固态的过程，涉及原子或分子的重新排 列。
02
形核
固态晶核的形成，是结晶过程的第一步。
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屈服强度
韧性
铸件结晶组织的韧性取决于其晶粒大 小、形态以及相组成，晶粒细小且分 布均匀的铸件结晶组织具有较好的韧 性。
同样地，晶粒大小和形态也影响屈服 强度，晶粒越细小、形态越均匀，屈 服强度越高。
铸件结晶组织的物理性能
导热性
晶粒大小和形态对铸件结晶组织的导热性有较大影响，细小 且均匀的晶粒可以提高导热性。
合金成分的选择与优化
合金元素
合金元素对铸件结晶组织的形成具有重要影响，通过选择 和优化合金元素，可以改变合金的结晶温度范围和凝固特 性，从而改善铸件的组织结构。
微量元素
微量元素对铸件结晶组织也有一定影响，适当添加微量元 素可以细化晶粒，提高铸件的性能。
碳当量
碳当量是影响铸件结晶组织的重要因素，通过调整碳当量 可以改变合金的凝固特性，从而影响铸件的晶粒大小和组 织结构。
第五章 铸件凝固组织的形成与控制 第三四五节
13
(三) 影响气孔的因素及防止措施
1、析出性气孔的影响因素及防止措施
(1) 影响因素
金属液原始含气量C0，C0过高时，凝固前沿的液相能较早 析出气泡，形状接近团球形。 C0不太高时，就依附缩孔较 迟析出。
冷却速度 铸件冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易 封闭液相。气体来不及扩散，所以气孔不易形成。
1) 碳氧反应气孔
钢水脱氧不全或铁水严重氧化，溶解的氧若与铁液中的碳相 遇，将发生CO气泡而沸腾，由于铸件凝固较快，许多CO气 泡来不及浮出铸件表面，而形成气孔。
2) 氢－氧反应性气孔
金属液中溶解的[O]和[H]，若相遇就产生H2O气泡，凝固前如 来不及排除，则产生气孔。
12
3) 碳氢反应气孔 铸件最后凝固部位的偏析液相中，含有较高浓度的［H］和[C] ，凝固过程中，将产生CH4。这主要在铸钢件断面中心部位，产 生局部性气孔。
第五章 铸件凝固组织的 形成与控制
第三节 气孔与夹杂的形成机理及控制
1
一、气孔
金属在熔炼、浇注、凝固过程中，以及炉料、铸型、浇包、 空气及化学反应产生的各种气体会溶入到液态金属中，并随温 度下降，气体会因在金属中溶解度的显著降低而形成分子状态 的气泡存在于液态金属中而逐渐排入大气。
由于铸造生产中铸件凝固速度较快，部分尚未从金属液中排 出的气泡残留在固体金属内部而形成气孔。气孔是铸件或焊件 最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅能减少金属的有效承载面 积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些 形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下 降和抗疲劳能力降低。
合金成分 影响原始含气量C0 ，决定分配系数k和扩散系数 DL以及合金收缩大小及凝固区域。k愈小，合金液收缩愈大 ，结晶温度范围愈大的合金，容易产生气孔和气缩孔。
(三) 影响气孔的因素及防止措施
1、析出性气孔的影响因素及防止措施
(1) 影响因素
金属液原始含气量C0，C0过高时，凝固前沿的液相能较早 析出气泡，形状接近团球形。 C0不太高时，就依附缩孔较 迟析出。
冷却速度 铸件冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易 封闭液相。气体来不及扩散，所以气孔不易形成。
1) 碳氧反应气孔
钢水脱氧不全或铁水严重氧化，溶解的氧若与铁液中的碳相 遇，将发生CO气泡而沸腾，由于铸件凝固较快，许多CO气 泡来不及浮出铸件表面，而形成气孔。
2) 氢－氧反应性气孔
金属液中溶解的[O]和[H]，若相遇就产生H2O气泡，凝固前如 来不及排除，则产生气孔。
12
3) 碳氢反应气孔 铸件最后凝固部位的偏析液相中，含有较高浓度的［H］和[C] ，凝固过程中，将产生CH4。这主要在铸钢件断面中心部位，产 生局部性气孔。
第五章 铸件凝固组织的 形成与控制
第三节 气孔与夹杂的形成机理及控制
1
一、气孔
金属在熔炼、浇注、凝固过程中，以及炉料、铸型、浇包、 空气及化学反应产生的各种气体会溶入到液态金属中，并随温 度下降，气体会因在金属中溶解度的显著降低而形成分子状态 的气泡存在于液态金属中而逐渐排入大气。
由于铸造生产中铸件凝固速度较快，部分尚未从金属液中排 出的气泡残留在固体金属内部而形成气孔。气孔是铸件或焊件 最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅能减少金属的有效承载面 积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些 形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下 降和抗疲劳能力降低。
合金成分 影响原始含气量C0 ，决定分配系数k和扩散系数 DL以及合金收缩大小及凝固区域。k愈小，合金液收缩愈大 ，结晶温度范围愈大的合金，容易产生气孔和气缩孔。
第五章 凝固组织的控制
2019/4/3
金属凝固原理
fS C k0C0 1 1 k0
* S
k0 1
DS f / 2
影响微观偏析的主要因素是： ① 局部凝固时间 f 或凝固速率 随着局部凝固时间的增大，扩散时 间延长，促进了成分的均匀化，偏析减轻。合理的方法是快速凝固使枝 晶细化，然后进行均匀化退火处理。 ② 合金元素的固相扩散系数DS 合金元素的固相扩散系数越大，凝 固过程的扩散就越充分，该元素的偏析也就越轻。 ③ 溶质平衡分配系数
第五章
铸件凝固组织控制
• • • • •
铸件凝固组织的形成 等轴晶的晶粒细化 凝固组织中的偏析及其控制 凝固收缩及其控制 半固态金属的特性及半固态铸造
2019/4/3
金属凝固原理
第一节
铸件凝固组织的形成
1．凝固条件与晶体生长方式
平界面
等轴晶
柱状晶
等轴晶
(a)
()
(c)
(d)
铸件凝固过程中的温度分布与凝固方式
液相流动对枝晶熔断具有重要影响
枝晶生长过程中，在树枝晶各次分枝的根部同样会由于溶质富集产生 “缩颈”现象，并在液流冲刷和热波动的作用下发生熔断、脱落，形成自 由晶体。 （3）表面凝固和“晶雨”的形成
人为地进行表面振动有 利于“晶雨”的形成
表面形成的晶核由于密度比液体大而下沉，另外液相的流动和表面的 扰动会带动表面形成的晶核下落形成“晶雨”。
金属凝固原理
Wizke等及Lipton等的研究 表明，液相流动对凝固界 面前的液相成分过冷度的 形成具有重要影响，而该 过冷度则是决定等轴晶形 成的关键因素，可作为柱 状晶向等轴晶转变的判据。
3. 等轴晶的形核
（1）型壁处的晶粒游离
第5章 铸件结晶组织的形成与控制
一旦柱状晶生长前沿出现等轴晶形成, 一旦柱状晶生长前沿出现等轴晶形成,生长以 及液体中游离晶粒向柱状晶生长前沿沉积的有利 条件,柱状晶的生长即被抑制, 条件,柱状晶的生长即被抑制,而在铸件中心形 成又一个等轴晶区.不过, 成又一个等轴晶区.不过,这一区域的等轴晶尺 寸要比型壁附近的晶粒尺寸大得多. 寸要比型壁附近的晶粒尺寸大得多.
受型壁激冷作用而形成的游离晶粒
a)晶体密度比熔体小的情况
b)晶体密度比熔体小的情况
此外, 此外,型壁处和铸件心部的液体温度差造成的 也使得晶体由型壁处向内部熔体游离. 热温 ,也使得晶体由型壁处向内部熔体游离. 而且, 而且,金属表面的空气冷却使表面的液体因温度 降低密度增大而下沉和沿型壁处液体的上升使对 流作用加剧, 流作用加剧,从而也将型壁处的晶体带至型腔内 部.
液态金属进入铸型时形成的游离晶粒
等轴晶即便在浇注过程中没有来得及形成, 等轴晶即便在浇注过程中没有来得及形成,那 么浇注完毕凝固的开始阶段,在型壁处形成的晶 么浇注完毕凝固的开始阶段, 体,由于其密度或大于母液或小于母液也会产生 对流, 对流,依靠对流可将型壁处产生的晶体且游离到 铸件的内部,如图5 所示. 铸件的内部,如图5-5所示.
根据这种理论, 根据这种理论,表面细小晶粒的形成与型壁附 近熔体内的形核数量有关,形核量越大, 近熔体内的形核数量有关,形核量越大,表面细 晶区就越大,晶粒尺寸也越小.因此, 晶区就越大,晶粒尺寸也越小.因此,所有影响 非均质形核的因素 如外来质点的数量, 的因素, 非均质形核的因素,如外来质点的数量,熔体的 过热度, 过热度,铸型的冷却能力等传热条件都将直接影 响表面细晶区的宽度和晶粒大小.粒的熔断与增殖过程示意图
5.3.4"结晶雨" 5.3.4"结晶雨"游离晶粒理论 结晶雨 凝固初期在型壁上表面附近的过冷液体中形成 晶核并生长, 晶核并生长,或者枝晶根部缩颈脱落成为细小晶 体,由于这些游离晶粒的密度大于液体而在液体 中像雨滴一样降落, 雨滴一样降落 中像雨滴一样降落,沉积在生长着的柱状晶前端 抑制其生长,形成内部等轴晶区. 抑制其生长,形成内部等轴晶区.
第五章 结晶组织的形成及控制
材 料 科 学 与 工 程 学 院 College of Materials Science & Engineering
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§2 铸件宏观结晶组织的控制
（三）铸型性质和铸件结构
• 液态金属与铸型表面的润湿角 试验表明，液态金属 与铸型表面的润湿性好，即润湿角 小，在铸型表面 易于形成稳定的凝固壳层，有利于柱状晶的形成与生 长。反之，则有利于等轴晶的形成与细化。 • 铸型表面的粗糙度 大野笃美还做了表面粗糙度对柱 状晶尺寸和铸锭纵剖面等轴晶面积率的影响。结果表 明，随着表面粗糙度的提高，柱状晶尺寸减少，等轴 晶面积率提高。
Page 2
1）铸件宏观凝固组织的特征
现下图所示的四种情况：只有柱状晶（图a）；表面细等轴 晶加柱状晶（图 b）；三个晶区都有（图 c）；只有等轴晶（图 d）。甚至由激冷区和柱状区所组成。即使是具有三个晶区的宏 观组织，其各个晶区所占的比例因凝固条件不同往往也是不一 样的，这造成铸件宏观组织多样化。
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§3 熔池凝固及焊缝金属组织
熔焊条件下的液态金属凝固过程与第三章和第四章所 阐述的一般液态金属凝固过程在本质上没有区别，都是 晶核生成和晶核长大的过程。然而，由于焊接熔池凝固 条件的特殊性，其凝固过程还存在着自己的一些特征。
Page 5
2）铸件宏观凝固组织的形成机理
由于固-液界面处单向的散热条件（垂 直于界面方向），处于凝固界面前沿的 晶粒在垂直于型壁的单向热流作用下， 便转而以枝晶状单向延伸生长，由于各 枝晶主干方向各不相同，那些主干取向 与热流方向平行的枝晶，较之取向不利 的相邻枝晶生长更为迅速，它们优先向 内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在逐渐 淘汰取向不利的晶体过程中发展成柱状
第五章铸件宏观组织及其控制
dp T0 (VL Vs ) 动力生核 dT L0 p 晶体发生脱落、破碎、熔断和增殖等晶粒游离
• 具体动态晶粒细化方法： • 1）振动 • 不同振动源：机械振动、电磁振动、音频、超 声波振动等等 • 2）搅拌（大野笃美：凝固初期给凝固壳尚处 于不稳定的部位即型壁附近的液面一强烈的机 械搅拌，可以获得良好的细等轴晶组织） • 3）旋转振荡：
铸件结晶中的晶粒游离
• 液态金属流动的作用
2.铸件结晶中的晶粒游离 （1）直接来自过冷熔体中的非均质生核 （2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所 引起的晶粒游离： （3）液面晶粒沉积所引起的晶粒游离：
• 三个晶区形成的简单过程是： • 金属液浇入铸型后，先在温度低的型壁上 形核与生长，同时又从其上脱落与游离，从而 在型壁附近沉积成细小晶粒，构成表面细晶粒 区； 表层细晶层形成后，液体对流强度大大减 弱，固液界面前沿晶体在与型壁垂直的单向热 流作用下，向中心延伸，形成柱状晶区； 在柱状晶生长过程中，液体内部也将可能 出现过冷，形成新的等轴晶，或从别处迁移过 来的游离晶生长成新的等轴晶，最终形成内部 等轴晶区。
• （2）合理确定孕育工艺 •
高，孕育衰退越快 低温处理：处理温度越 液流孕育法 ： 后期（瞬间）孕育方法 型内孕育法 涂料中含孕育剂— —铸件表层晶粒局部细 化
•
•
3.动态晶粒细化
在铸件凝固过程中，采用震动，搅拌或旋转 等各种方法，均能有效的缩小或消除柱状晶 区，细化等轴晶组织。——此过程称动态晶 粒细化。
共晶合金结晶组织的控制
• 2. 共晶合金的单向凝固 可使非小面-非小面共晶合金的两相平 行生长，形成一种层片状后棒状结构的 共晶复合体，提高机械性能 ，要保证 界面以平面生长方式。 目前共晶合金的单向凝固技术主要用于 铸态复合材料的研制
铸件形成理论9(第五章)
柱状晶在生长过程中凝固区域较窄，其横向生长受 到相邻晶体的阻碍，树枝晶得不到充分的发展，分 枝较少。因此结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织 比较致密。但柱状晶比较粗大，晶界面积小，并且 位向一致。因而其性能具有明显的方向性：纵向好、 横向差。此外，其凝固界面前方常汇集有较多的第 二相杂质，特别是当不同方位的柱状晶区相遇而构 成晶界时，大量夹杂与气体等在该处聚集将导致铸 件热烈，或者使铸锭在以后的塑性加工中产生裂纹。
传统理论认为，表面细晶粒区的形成与型壁附近熔 体内是否存在有大量的非均质生核条件有关。当液 态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由 于受到强烈的激冷作用而大量生核。这些晶核在过 冷熔体中迅速生长并互相抑制，从而形成了无方向 性的表面细等轴晶组织。故以往常把表面细等轴晶 称为“激冷晶”。 现代研究表明，除非均质生核过程以外，各种形式 的晶粒游离也是形成表面细晶粒区的“晶核”来源。 型壁附近熔体内部的大量生核只是表面细晶粒区形 成的必要条件，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则 为其充分条件。
二、表面细晶粒区的形成
对铸件形成稳定凝固壳层的抑制是通过型壁 晶粒游离实现的。 型壁激冷虽然能增大其附近熔体的非均质生 核能力，但也使型壁上的晶核数目大大增加， 从而促使型壁晶粒很快连接而形成稳定的凝 固壳并最终阻止表面细晶粒区的发展。因此， 如果在凝固开始阶段不存在强的型壁晶粒游 离条件(如高的溶质含量和强烈的液态金属 流动等)，那么，过强的型壁激冷能力反而 不利于表面细晶粒区的形成。
五、影响铸件宏观结晶组织形成的因素
3 铸型性质和铸件结构方面： 一方面，低蓄热系数的铸型延缓稳定凝固壳层的 形成，有助于凝固初期激冷晶的游离，同时也使 内部温度梯度GL变小，凝固区城变宽，从而对增 加等轴晶有利 另一方面，它减慢了熔体过热热量的散失，不利 于游离晶粒的残存，从而减少了等轴晶的数量。 通常，前者是矛盾的主导团素，因而在一般生产 中，除薄壁铸件外，采用金属型铸造比砂型铸造 更易获得柱状晶，特别是高温下浇注更是如此。
传统理论认为，表面细晶粒区的形成与型壁附近熔 体内是否存在有大量的非均质生核条件有关。当液 态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由 于受到强烈的激冷作用而大量生核。这些晶核在过 冷熔体中迅速生长并互相抑制，从而形成了无方向 性的表面细等轴晶组织。故以往常把表面细等轴晶 称为“激冷晶”。 现代研究表明，除非均质生核过程以外，各种形式 的晶粒游离也是形成表面细晶粒区的“晶核”来源。 型壁附近熔体内部的大量生核只是表面细晶粒区形 成的必要条件，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则 为其充分条件。
二、表面细晶粒区的形成
对铸件形成稳定凝固壳层的抑制是通过型壁 晶粒游离实现的。 型壁激冷虽然能增大其附近熔体的非均质生 核能力，但也使型壁上的晶核数目大大增加， 从而促使型壁晶粒很快连接而形成稳定的凝 固壳并最终阻止表面细晶粒区的发展。因此， 如果在凝固开始阶段不存在强的型壁晶粒游 离条件(如高的溶质含量和强烈的液态金属 流动等)，那么，过强的型壁激冷能力反而 不利于表面细晶粒区的形成。
五、影响铸件宏观结晶组织形成的因素
3 铸型性质和铸件结构方面： 一方面，低蓄热系数的铸型延缓稳定凝固壳层的 形成，有助于凝固初期激冷晶的游离，同时也使 内部温度梯度GL变小，凝固区城变宽，从而对增 加等轴晶有利 另一方面，它减慢了熔体过热热量的散失，不利 于游离晶粒的残存，从而减少了等轴晶的数量。 通常，前者是矛盾的主导团素，因而在一般生产 中，除薄壁铸件外，采用金属型铸造比砂型铸造 更易获得柱状晶，特别是高温下浇注更是如此。
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21
(2) 不能作为非自发结晶核心的微小固体夹杂物 这类夹杂物的分布取决于液态金属 L、晶体 C和夹杂物 I 之间 的界面能关系。当凝固区域中的固态夹杂物与正在成长的树
枝晶发生接触时，如果满足
IC LI LC
相互粘附后能使能量降低，则微小夹杂物就会被树枝晶所粘 附而陷入晶内，否则夹杂物就会被凝固界面所推开。夹杂物
第五章 铸件凝固组织的 形成与控制
第三节 气孔与夹杂的形成机理及控制
1
一、气孔
金属在熔炼、浇注、凝固过程中，以及炉料、铸型、浇包、 空气及化学反应产生的各种气体会溶入到液态金属中，并随温 度下降，气体会因在金属中溶解度的显著降低而形成分子状态 的气泡存在于液态金属中而逐渐排入大气。 由于铸造生产中铸件凝固速度较快，部分尚未从金属液中排 出的气泡残留在固体金属内部而形成气孔。气孔是铸件或焊件 最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅能减少金属的有效承载面 积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些 形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下 降和抗疲劳能力降低。
被晶体粘附的先决条件是两者必须发生接触。夹杂物越小（ 运动速度越慢），晶体成长速度越快，两者越容易发生接触 ，夹杂物被晶体粘住的可能性越大。通常，陷入晶内的夹杂 物分布比较均匀，被晶体推走的夹杂物常聚集在晶界上。
22
(3) 能上浮的液态和固态夹杂物 液态金属不溶解的夹杂物也会产生沉浮运动，发生碰撞、
2
(一) 气孔的分类与特征
(1) 析出性气孔 冷却及凝固过程中，气体 溶解度下降，析出气体，来 不及从液面排出而形成气孔 。主要是氢气孔和氮气孔。 这类气孔在铸件断面上大
面积分布，靠近冒口、热节 等温度较高的区域，其分布 较密集，形状呈团球形、裂 纹多角形，断续裂纹状或混 合型。
3
Al-Si合金铸件中的针孔
1580℃ L1 (33.2%S ) L2 (0.3%S ) MnS
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：
ic Li Lc
28
29
第四节 缩孔与缩松
30
一、合金的收缩
金属在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减小现象
，称为收缩。它是金属本身的物理性质，也是引起缩孔、缩松 、应力、变形、热裂和冷裂等缺陷的重要原因。
Байду номын сангаас
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。 15
2. 防止皮下气孔产生的措施
通过金属液一铸型界面间和金属液内部气相反应的分析，可以 从以下几方面来防止皮下气孔的生成：
(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。
液态金属从浇注温度冷却到常温要经历三个阶段：液态收缩 阶段（ Ⅰ）、凝固收缩阶段（ Ⅱ）和固态收缩阶段（Ⅲ）。在 不同的阶段，金属具有不同的收缩特性。
31
1. 液态收缩：
v液 v液 (T浇 TL ) 100%
v液
液
液态体收缩率（％）
T浇：液态金属的浇注温度（℃）
金属液体收缩系数（℃-1） TL：液相线的温度（℃）
SiO2 +FeO FeSiO3
不能产生化学反应的同种夹杂物相遇后，可机械粘连在一起， 组成各种成分不均匀、形状不规则的复杂夹杂物。
20
2. 一次夹杂物的分布
(1) 能作为金属非均质形核核心的夹杂物 这类夹杂物因结晶体与液态金属存在密度差而下沉，故
在铸件底部分布较密集，且多数分布在晶内。显然，冷却 速度或凝固速度越快、铸件断面越小、浇注温度越低，这 些微小晶体下沉就越困难，夹杂物的分布就越均匀。
19
(二) 一次夹杂物
1. 夹杂物的形成 在金属熔炼及炉前处理过程中，液态金属内会产生大量的一 次非金属夹杂物。形成大致经历了夹杂物的偏晶析出和聚合长 大。 (1) 夹杂物的偏晶析出
T0 L1 L2 Am Bn
(2) 夹杂物的聚合长大 3Al2O3 +2SiO2 3Al2O3 2SiO2
6
(二)气孔的形成机理
1. 析出性气孔的形成
(1) 凝固时气体溶质的再分配
金属凝固时气体溶解度将急剧下降，在凝固温度下液固相中气 体溶解度的变化，同样可以用溶质再分配的理论加以说明。 溶质分布方程：
1 k R CL ( x) C0 1 exp( x) k DL
液相中气体浓度超过某饱和气体浓度 SL时，才析出气泡，则产生过饱和浓度 区Δx(x=Δx，CL=SL)：
金属液通过过滤器达到去除夹杂物的目的。过滤器分非活性 与活性两种，前者起机械作用，后者还多一种吸附作用，排渣 效果更好.
24
珍珠岩及处理后形成的渣
25
过滤网
泡沫陶瓷过滤器 过滤片(直孔)
26
(三) 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) 防止措施: 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。
[FeO] + [C] → [Fe] + [CO]
11
(2) 金属液内反应性气孔
① 渣气孔
(FeO) + [C] → [Fe] + CO (FeO) + C(石墨) → [Fe] + CO 产生的CO气体，依附在(FeO)熔渣上，就形成了渣气孔 ② 金属液中元素间的反应性气孔
1) 碳氧反应气孔 钢水脱氧不全或铁水严重氧化，溶解的氧若与铁液中的碳相 遇，将发生CO气泡而沸腾，由于铸件凝固较快，许多CO气 泡来不及浮出铸件表面，而形成气孔。
(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人铸型内，减少金 属液的氧化。
16
二、夹杂物
(一) 夹杂物的来源与类型 来源： 炉料、熔炼处理产生、液态金属与耐火材料反应、金 属表面的氧化、金属内部反应。
分类
按来源分类(内在夹杂物、外来夹杂物) 按夹杂物的组成分类(氧化物、硫化物、硅酸盐) 按夹杂物形成的时间分类(一次夹杂物是浇注前，即金属熔 炼及炉前处理过程中形成的。二次夹杂物是液态金属在铸造过 程中形成的。) 按夹杂物的形状分类(球形、多面体、条状、板形) 按夹杂物的分布分类
① 氢气说(氢气孔) m[Me] + nH2O → MemOn + nH2 ② 氮气说(氮气孔) 铸型或型芯采用各种含氮树脂做粘结剂，分解反应造成界面 处气相氮气浓度增加。提高树脂及乌洛托品 (C6H12N4 ) 含量， 也会导致型内气相中氮含量增加，当氮含量达到一定浓度，就 会产生皮下气孔。
③ CO说(CO气孔)
4
(2) 侵入性气孔 定义：铸型和型芯等在液态金属高温作用下产生的气体（并无 明显的化学反应），侵入金属内部所形成的气孔，称为侵入性
气孔。
特征：数量较少、体积较大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出 现在铸件表层或近表层。形状多呈梨形、椭圆形或圆形，梨尖 一般指向气体侵入的方向。侵入的气体一般是水蒸气、一氧化 碳、二氧化碳、氢、氮和碳氢化合物等。
气体就能在铸件开始凝固的初期侵入金属液中成为气泡，气 泡不能上浮逸出时就形成梨形气孔。
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3. 反应性气孔的形成机理
(1) 金属液与铸型(芯)反应性气孔(皮下气孔)
在高温下各气相达到平衡时，金属液—铸型界面处的气相成分中H2和 CO的含量较多，CO2较少。 反应性气孔的成因目前尚无统一的说法，主要有以下三种理论。
正确选择合金成分，严格控制易氧化元素的含量。
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。
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。
27
(四) 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：
5
(2) 反应性气孔 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。 金属一铸型间反应性气孔，通常分布在铸件表面皮下1~3mm ，表面经过加工或清理后，就暴露出许多小气孔，所以通称皮 下气孔，形状有球状、梨状。 另一类反应性气孔是金属内部化学成分之间或与非金属夹杂 物发生化学反应产生的，呈梨形或团球形，均匀分布。
8
气孔的形成过程：
形核、长大、上浮三阶段 上浮受阻→保留于凝固金属→气孔
铸件中气孔的形成示意图
9
2. 侵入性气孔的形成 将金属液浇入砂型中时，由于各种原因会产生大量的气体。 气体的体积随着温度的升高而增大，造成金属一铸型界面上的 气压增大。当界面上局部气体的压力P气满足下列条件：
P 阻 P 气 P 静 P 腔
聚合而粗化。若夹杂物密度小于液态金属的密度，则夹杂物 的粗化将加快其上浮速度。铸件凝固后，这些夹杂物可能移 至冒口而排除，或保留在铸件的上部及上表面层。
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3. 排除液态金属中一次夹杂物的途径
(1) 加熔剂 金属液表面覆盖一层熔剂，上浮的夹杂物能被它吸收。如铝 合金精炼时加入氯盐和氟盐。或者加入熔剂与夹杂物形成重度 更轻的夹杂物，以有利于排除。如球墨铸铁加冰晶石熔剂，可 降低夹杂物的熔点,而有利于减少铸件产生夹杂物缺陷。 (2) 过滤法
14
(2) 防止或减少析出性气孔的措施 ① 减少金属液的原始含气量C0 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。 对金属进行除气处理 ② 阻止气体析出 提高铸件冷却速度 对易产生析出性气孔的铝合金尽量采用 金属型铸造。 提高铸件凝固时的外压 这可以有效阻止气体的析出。如 将浇注的铝合金铸型放在通入4～6大气压的压缩空气的压力 宝中凝固,可有效地减少或消除铝合金铸件中的气孔。 ③ 型(芯)砂处理