熔炼与铸锭
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铸造应力
铸锭收缩受阻
机械应力
锭铸因V冷却、温度不Байду номын сангаас， 各部位收缩不一致产生
铸锭组织发生相变时，因温 度差异出现体积变化不一致
热应力 相变应力
四 连续铸造：
➢ 定义：是指将熔融金属连续不断地浇注到被成为结晶
器的特殊容器中，凝固的铸件不断从结晶器的另一端被引 出，从而获得任意长度的等横截面铸件的铸造方法。
b.变质处理 c.振动，搅拌
AlMg合金没有变质处理晶粒 AlMg合金经过变质处理晶粒
有色合金的熔炼
熔炼工艺对有色合金铸件的性能和缺陷有很大影 响。多数有色合金易产生气孔和夹杂，尤其是钛 合金、铝合金、镁合金和某些铜合金。一般的熔 炼工艺流程是： 1）根据铸件技术要求所规定的合金牌号，可 查出合金的化学成分范围，从中选定化学成分； 2）根据元素的烧损率和成分要求，进行配料 计算，得出各种炉料的加入量，并选择炉料。若 炉料受到污染，则需要进行处理，保证所有的炉 料清洁、无锈，并在投料前进行预热； 3）检查和准备化用具，涂刷涂料，并预热， 防止气体、夹杂物和有害元素的污染；
例：三个成份相同，但铸造温度和 铸模材料不同的铸件得到三种横截 面： A.粗等轴晶 B.细等轴晶 C. 典型三层晶带组织，试解释为何产 生不同的组织。
A 高的浇注温度，导热性差的砂模
B 低的浇注温度,导热性差的砂模
C 适中的浇注温度,导热性好的砂模
铸锭的宏观组织控制：控制晶粒的大小
a.增加过冷度 过冷度增大，N/V0增加 实际结晶时，过冷度是由冷却速度来控制的
➢ 缩孔：
定义：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件
的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。
产生原因：
先凝固区域堵 住液体流动的 通道，后凝固 区域收缩所缩 减的容积得不 到补充。
➢ 疏松：
定义：疏松是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸锭
的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。
2.柱状晶区 弱面
3.中心等轴晶区 1.激冷层（表面细晶区）
铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况 下可得到全部为柱状晶和等轴晶
柱状 晶形 成弱 面， 热轧 时开 裂
铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况 下可得到全部为柱状晶和等轴晶
铸锭中心等轴晶粒的来源：
仔晶卷入，枝晶漂移 ，晶体下沉
➢ 工艺过程：如右图所示。
➢ 特点和应用：
1、冷却速度快，组织致密， 机械性能好；
2、工艺简单，生产效率高； 3、适于横截面一定的钢材、
铝材和铸铁管等铸件的生产。
连续铸造工艺过程示意图
五、凝固理论的实际应用举例
一、铸锭（铸件）的宏观组织控制：三层典型组
织 1.激冷层（表面细晶区） 2.柱状晶区3.中心等轴晶区
收缩率：
体积收缩是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。
线收缩是指单位长度上的收缩量（线收缩率）。
体积收缩率：
V
V0 V1 100% V1
线收缩率：
L
L0 L1 L1
100%
其中 V0，L0表示铸件在高温T0时的体积和一维方向的长度；
V1，L1表示铸件在高温T1时的体积和一维方向的长度。
三 铸锭缺陷
4）加料。一般加料顺序为：回炉料、中间合 金和金属料，低熔点易氧化的金属料，如镁， 在炉料熔化之后加入； 5）为了减少合金液的吸气和氧化的污染， 应尽快熔化，防止过热，根据需要，有的合金 液须加覆盖剂保护； 6）炉料熔化后，进行精炼处理，以净化合 金液，并进行精炼效果的检验； 7）根据需要，进行变质处理和细分组织处 理以提高性能，并检验处理效果； 8）调整温度，进行浇注。有的合金在浇注 前要进行搅拌，以防发生比重偏析。
一 铸锭的凝固方式：
在铸锭凝固过程中，对铸锭质量影响较大的主要 是固液两相并存的凝固区的宽窄。铸锭的“凝固方式 ”就是依据凝固区的宽窄来划分的。
逐层凝固
纯金属和共晶成分的合 金在凝固中因为不存在固液 两相并存的凝固区，所以固 体与液体分界面清晰可见， 一直向铸件中心移动。
糊状凝固
铸件在结晶过程中，当结 晶温度范围很宽，且铸件截面 上的温度梯度较小，则不存在 固相层，固液两相共存的凝固 区贯穿整个区域。
防止措施：采取顺序凝固的办法避免缩孔、疏松的出现。
顺序凝固：是指通过在铸件上可能出现疏松的后大部位 安装冒口或放置冷铁等工艺措施，使铸件上远 离冒口的部位先凝固（图中Ⅰ），尔后在靠近 冒口的部位凝固（图中Ⅱ、Ⅲ），最后是冒口 本身凝固。
➢ 裂纹与变形：
在铸锭的固态收缩阶段会引起铸造应力。
铸造应力：
产生原因： 当合金的结晶温度范围很宽或铸锭断面温
度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存 的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小 熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最 后形成了形状不一的分散性孔洞即缩松。
另外，疏松还可能由凝固时被截留在铸锭内的气体无 法排除所致。不过，疏松内表面应该是光滑，近似球状。
中间凝固
大多数合金的凝固是介于逐 层凝固和糊状凝固之间，称为中 间凝固。
讨 论：
一般认为：铸模的冷却能力越大，越有利于在结晶 过程中保持较大的温度梯度，从而利于柱状晶区的发展。
柱状晶择优取向，晶界往往容易富集第二相，特别是 在两种位向交叉面是受力的薄弱环节，轧制时容易开裂。
因此，钢铁或镍合金（塑形较差）应避免柱状晶的出 现；而有色金属，有时要求获得柱状晶。
思 考：若要避免柱状晶的出现，应采用哪种凝固方式，并 如何实现？
二 铸锭的收缩：
定义：收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过
程中，其体积或尺寸缩减的现象。
分类：分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。
浇注温
铸 液态收缩 度
锭 温
开始凝固温度
体
度 降
凝固收缩
积 收
低
凝固终止温度
缩
固态收缩
线收
室温
缩
铸锭收缩受阻
机械应力
锭铸因V冷却、温度不Байду номын сангаас， 各部位收缩不一致产生
铸锭组织发生相变时，因温 度差异出现体积变化不一致
热应力 相变应力
四 连续铸造：
➢ 定义：是指将熔融金属连续不断地浇注到被成为结晶
器的特殊容器中，凝固的铸件不断从结晶器的另一端被引 出，从而获得任意长度的等横截面铸件的铸造方法。
b.变质处理 c.振动，搅拌
AlMg合金没有变质处理晶粒 AlMg合金经过变质处理晶粒
有色合金的熔炼
熔炼工艺对有色合金铸件的性能和缺陷有很大影 响。多数有色合金易产生气孔和夹杂，尤其是钛 合金、铝合金、镁合金和某些铜合金。一般的熔 炼工艺流程是： 1）根据铸件技术要求所规定的合金牌号，可 查出合金的化学成分范围，从中选定化学成分； 2）根据元素的烧损率和成分要求，进行配料 计算，得出各种炉料的加入量，并选择炉料。若 炉料受到污染，则需要进行处理，保证所有的炉 料清洁、无锈，并在投料前进行预热； 3）检查和准备化用具，涂刷涂料，并预热， 防止气体、夹杂物和有害元素的污染；
例：三个成份相同，但铸造温度和 铸模材料不同的铸件得到三种横截 面： A.粗等轴晶 B.细等轴晶 C. 典型三层晶带组织，试解释为何产 生不同的组织。
A 高的浇注温度，导热性差的砂模
B 低的浇注温度,导热性差的砂模
C 适中的浇注温度,导热性好的砂模
铸锭的宏观组织控制：控制晶粒的大小
a.增加过冷度 过冷度增大，N/V0增加 实际结晶时，过冷度是由冷却速度来控制的
➢ 缩孔：
定义：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件
的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。
产生原因：
先凝固区域堵 住液体流动的 通道，后凝固 区域收缩所缩 减的容积得不 到补充。
➢ 疏松：
定义：疏松是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸锭
的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。
2.柱状晶区 弱面
3.中心等轴晶区 1.激冷层（表面细晶区）
铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况 下可得到全部为柱状晶和等轴晶
柱状 晶形 成弱 面， 热轧 时开 裂
铸锭（铸件）的宏观组织控制：特殊情况 下可得到全部为柱状晶和等轴晶
铸锭中心等轴晶粒的来源：
仔晶卷入，枝晶漂移 ，晶体下沉
➢ 工艺过程：如右图所示。
➢ 特点和应用：
1、冷却速度快，组织致密， 机械性能好；
2、工艺简单，生产效率高； 3、适于横截面一定的钢材、
铝材和铸铁管等铸件的生产。
连续铸造工艺过程示意图
五、凝固理论的实际应用举例
一、铸锭（铸件）的宏观组织控制：三层典型组
织 1.激冷层（表面细晶区） 2.柱状晶区3.中心等轴晶区
收缩率：
体积收缩是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。
线收缩是指单位长度上的收缩量（线收缩率）。
体积收缩率：
V
V0 V1 100% V1
线收缩率：
L
L0 L1 L1
100%
其中 V0，L0表示铸件在高温T0时的体积和一维方向的长度；
V1，L1表示铸件在高温T1时的体积和一维方向的长度。
三 铸锭缺陷
4）加料。一般加料顺序为：回炉料、中间合 金和金属料，低熔点易氧化的金属料，如镁， 在炉料熔化之后加入； 5）为了减少合金液的吸气和氧化的污染， 应尽快熔化，防止过热，根据需要，有的合金 液须加覆盖剂保护； 6）炉料熔化后，进行精炼处理，以净化合 金液，并进行精炼效果的检验； 7）根据需要，进行变质处理和细分组织处 理以提高性能，并检验处理效果； 8）调整温度，进行浇注。有的合金在浇注 前要进行搅拌，以防发生比重偏析。
一 铸锭的凝固方式：
在铸锭凝固过程中，对铸锭质量影响较大的主要 是固液两相并存的凝固区的宽窄。铸锭的“凝固方式 ”就是依据凝固区的宽窄来划分的。
逐层凝固
纯金属和共晶成分的合 金在凝固中因为不存在固液 两相并存的凝固区，所以固 体与液体分界面清晰可见， 一直向铸件中心移动。
糊状凝固
铸件在结晶过程中，当结 晶温度范围很宽，且铸件截面 上的温度梯度较小，则不存在 固相层，固液两相共存的凝固 区贯穿整个区域。
防止措施：采取顺序凝固的办法避免缩孔、疏松的出现。
顺序凝固：是指通过在铸件上可能出现疏松的后大部位 安装冒口或放置冷铁等工艺措施，使铸件上远 离冒口的部位先凝固（图中Ⅰ），尔后在靠近 冒口的部位凝固（图中Ⅱ、Ⅲ），最后是冒口 本身凝固。
➢ 裂纹与变形：
在铸锭的固态收缩阶段会引起铸造应力。
铸造应力：
产生原因： 当合金的结晶温度范围很宽或铸锭断面温
度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存 的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小 熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最 后形成了形状不一的分散性孔洞即缩松。
另外，疏松还可能由凝固时被截留在铸锭内的气体无 法排除所致。不过，疏松内表面应该是光滑，近似球状。
中间凝固
大多数合金的凝固是介于逐 层凝固和糊状凝固之间，称为中 间凝固。
讨 论：
一般认为：铸模的冷却能力越大，越有利于在结晶 过程中保持较大的温度梯度，从而利于柱状晶区的发展。
柱状晶择优取向，晶界往往容易富集第二相，特别是 在两种位向交叉面是受力的薄弱环节，轧制时容易开裂。
因此，钢铁或镍合金（塑形较差）应避免柱状晶的出 现；而有色金属，有时要求获得柱状晶。
思 考：若要避免柱状晶的出现，应采用哪种凝固方式，并 如何实现？
二 铸锭的收缩：
定义：收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过
程中，其体积或尺寸缩减的现象。
分类：分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。
浇注温
铸 液态收缩 度
锭 温
开始凝固温度
体
度 降
凝固收缩
积 收
低
凝固终止温度
缩
固态收缩
线收
室温
缩