第六章 铸件中的缺陷及其控制

动画
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第三节 缩孔与缩松
3、缩孔与缩松的形成机理 ※缩松的形成 •形成原因：合金液态收缩和凝固收缩大于固态收缩值； •形成条件：糊状凝固方式；或者是在缩松区域内铸件断面的
温度梯度小，凝固区域较宽，合金液几乎同时凝固。 动画
•显微缩松形成条件： Pg + Ps ＞ Pa + 2σ /r + PH
集中缩孔易于检查和修补，便于采取工艺措施防止。但缩松， 特别是显微缩松，分布面广，既难以补缩，又难以发现。合金液 态收缩和凝固收缩愈大(如铸钢、白口铸铁、铝青铜等),收缩的容 积就愈大，愈易形成缩孔。
V 凝＝V ( LS )＋V LS） TL－TS ) 100％ （ （
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第三节 缩孔与缩松
1、金属收缩的基本概念 ※凝固收缩(TL- T固)
此两种收缩在外部表现皆为体积减小，一般表现为液 面降低，因此称为体积收缩,是铸件产生缩孔和缩松的 基本原因。
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第三节 缩孔与缩松
1、金属收缩的基本概念 ※固态收缩(<T固) εv固 = αv固 (Ts-T0)×100% εl = αl (Ts-T0)×100%
内缩孔 外缩孔
常出现在铸件的外部 或顶部，一般在铸件 上部呈漏斗状。
产于铸件内部，孔壁 粗糙不规则，有时可 见发达的树枝晶
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第三节 缩孔与缩松
2、缩孔与缩松的分类及特征 ※缩孔
a）明缩孔
b）凹角缩孔
c）芯面缩孔
d）内部缩孔
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第三节 缩孔与缩松
2、缩孔与缩松的分类及特征 缩 孔 特 点

常出现于纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围较窄的以层状凝 固方式凝固的铸造合金中；
图11-3 单向凝固时铸棒内溶质的分布 偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但可以利用溶质的正常偏 正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|的增大而增大。但对于偏析系数较大的 a－平衡凝固 b－液相只有扩散 c－液相完全混合 d－液相部分混合 析现象对金属进行提纯精炼。 合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固，偏析反而减轻。 14
第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析
2.2晶内偏析 铸钢组织也呈树枝状，其中先结晶的枝干中心含 碳量较低，后结晶出的分枝含碳量较高，枝晶间的含 碳量更高。
第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析
2.2晶内偏析
影响因素：
（1）当其他条件相同时，冷却速度影响的双重性。冷 却速度快，溶质扩散越不充分，晶内偏析越严重。另一 方面，冷速增加，晶粒细化，偏析降低。 （2）偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，则晶内偏 析越严重。 （3）相图上液相线与固相线之间的水平距离越大，晶 内偏析越严重。 当k<1时，溶质平衡分配系数k越小，固液界面的溶质愈 富集。1-k来衡量溶质的偏析程度，称为偏析系数。
艺，使铸件在凝固过程中建立良好补缩条件，尽可能使缩松转 化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样，在铸 件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中， 或者把浇口开在最后凝固的地方直接补缩，就可以获得健全的 铸件。
(1) 使缩松转化为缩孔的方法 第一，尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝 固，从根本上解决缩松的生成条件； 第二，对一些凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度 梯度办法，使合金尽可能地趋向于逐层凝固。
第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析
2.2晶内偏析
分支各处Sn的分布 极不均匀，枝干中 心浓度最低，仅为 6%；而分枝间的含 量高达23%。
第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析
2.2晶内偏析

固溶体在不平衡凝固时，由于先后析出的 固体成分不同，而且冷却速度较快，溶质 来不及充分扩散，凝固后固溶体每一个晶 粒内成分都是不均匀的，晶粒内先结晶的 部分和后结晶的部分成分不同称为晶内偏 析。 固溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶 的枝干与后结晶的分枝也存在着成分差异。 又称枝晶偏析。 在铸造条件下，常产生于具有结晶温度范 围、能够形成固溶体的合金中。
•显微缩松一般出现在枝晶间和分枝之间；
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第三节 缩孔与缩松
2、缩孔与缩松的分类及特征 ※缩松
缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物化性能大 大降低，以至成为废品。是极其有害的铸造缺陷之一
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第三节 缩孔与缩松
2、缩孔与缩松的分类及特征
体积凝 ？凝 固固
层状凝 ？凝 固 固
A
m
n
B
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第三节 缩孔与缩松
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第一节 化学成分的不均匀性
3、宏观偏析
3.4 带状偏析
第一节 化学成分的不均匀性
3、宏观偏析
3.5 密度偏析 1.由于密度差,且缓慢冷却,造成上浮或下沉; 2.增加冷速，尽量降低合金的浇注温度和浇注速度， 加入第三种合金元素。
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第三节 缩孔与缩松
1、金属收缩的基本概念
温 度 /℃ T浇 温 度 /℃

多集中在铸件的上部和最后凝固的部位；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（称为热节），也 常出现缩孔；

缩孔尺寸较大，形状不规则，表面不光滑。
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2、缩孔与缩松的分类及特征 ※缩松
第三节 缩孔与缩松
•常分布于铸件壁的轴线区域、缩孔附近或 铸件厚壁的中心部位。 •分为宏观缩松和显微缩松；
不同的合金收缩率不同。在常用的合金中，铸钢的收缩最大，灰口铸 铁的收缩最小。因为灰口铸铁中大部分碳是以石墨状态存在的，由于 石墨的比容大，在结晶过程中，石墨析出所产生的体积膨胀，抵销了 合金的部分收缩(一般每析出1%的石墨，铸铁体积约增加2%)。
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第三节 缩孔与缩松
2、缩孔与缩松的分类及特征 ※缩孔
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第一节 化学成分的不均匀性
3、宏观偏析
3.2 逆偏析
扩大铸件内中心 等轴晶带，阻止 柱状晶发展，使 富集溶质的液体 不易从中心排向 表层，减少液体 中的气体含量等 可抑制逆偏析。
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第一节 化学成分的不均匀性
3、宏观偏析
3 宏观偏析
3.3V形偏析和逆V形偏析
收缩孔 正偏析 逆V偏析 V偏析
m
温 度 /℃
n
液态收缩
凝固收缩
凝固收缩 固相收缩
III
I
II
III
I
II
A
n 成分/％ a）
m
B 体收缩率/％ c） c）恒温凝固的合金
a）合金相图
体收缩率/％ b） 二元合金收缩过程示意图 b）有一定结晶温度范围的合金
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第三节 缩孔与缩松
1、金属收缩的基本概念 ※液态收缩(T浇-TL)
• 原因：气体排出；空穴减少；原子间间距减小。
录像 38
第三节 缩孔与缩松
4、影响缩孔与缩松的因素及防止措施 ※影响因素 金属的性质

(收缩系数α大)
铸型的冷却能力 （蓄热系数b小)


浇注温度与浇注速度 (高，快）
铸件尺寸 （大）
补缩能力 （弱）
例：铸铁的缩孔、缩松倾向
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第三节 缩孔与缩松
4、影响缩孔与缩松的因素及防止措施 ※措施 基本原则：针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工
由于密度的差异， 当铸锭中央部分在凝 先凝固部分结晶 固下沉时，侧面向斜 沉淀，在铸锭的 下方产生拉应力，在 下半部形成低于 其上部形成逆V形裂 平均成分的负偏 缝，并被富含溶质的 析区，上部则形 液相所填充，最终形 成高于平均成分 成逆V形偏析带。 的正偏析区。
负偏析
图11-5 铸锭产生V形和逆V形 偏析部位示意图
αv≈3αl ，εv≈3εl
•固态收缩还引起铸件外部尺寸的变化故称尺寸收缩或线收缩。 液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因 。而 固相收缩对应力、变形与裂纹影响较大。
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第三节 缩孔与缩松
1、金属收缩的基本概念
金属从浇注温度冷却到室温所产生的体积收缩：
εv总= εv液 + εv凝 + εv固
偏析对合金的力学性能、 偏析主要是由于合金在凝 抗裂性能及耐腐蚀性能等有 固过程中溶质再分配和扩 程度不同的损害。偏析也有 散不充分引起的. 有益的一面，如利用偏析现 象可以净化或提纯金属等。
晶界偏析
第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析
2.1 胞状偏析
•胞状晶体生长时，由于 溶质的再分配，在胞壁处 的溶质将富集（ K0<1 ） 或贫化（ K0>1 ）; •电子探针分析表明： （ K0<1 ）在胞壁处溶质 浓度比整体平均浓度大两 个数量级。 •均匀化退火；
第一节 化学成分的不均匀性
3、宏观偏析
3.1 正偏析
当钢液浇入铸型后，铸型温度低，钢液 来不及在宏观范围内选择
第一节 化学成分的不均匀性
3、宏观偏析
3.2 逆偏析
与正偏析相反，当K0＜1时，表面或底部含溶质元素多， 而中心部分或上部含溶质较少。
Al-4.7Cu 合金铸件的逆偏析
逆偏析的成因在于结晶温度范围宽的固溶体合金，在缓慢凝固时 易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点相， 当铸件产生体收缩时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。
第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析

在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶 内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。
2.3晶界偏析

晶界偏析比晶内偏析的危害更大，既能降低合金的塑性与高温性能，又增 加热裂纹倾向。 晶粒并排生长，晶界平 行于晶体生长方向，晶 界与液相的接触处存在 凹槽，溶质原子在此处 富集，凝固后就形成了 晶界偏析。
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第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析
2.3 晶界偏析
晶粒相对生长，在对合处 彼此相遇。晶粒结晶时所 排出的溶质（k0＜1）和其 他杂质元素在固-液界面前 沿富积，在最后凝固的晶 界对合部位将含有较多的 溶质和其他低熔点物质， 造成晶界偏析。
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第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析
微观偏析是一种不平衡状态，在热力学上是不稳定 的。可通过扩散退火或均匀化退火来消除，即将合金
2、缩孔与缩松的分类及特征
体积凝固 树枝晶 缩松
缩孔 胞状晶 层状凝固
TL
G
TL G
TS
TS
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第三节 缩孔与缩松
2、缩孔与缩松的分类及特征
铸件热节处的缩孔与缩松
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第三节 缩孔与缩松
3、缩孔与缩松的形成机理 ※缩孔的形成 •形成原因：合金液态收缩和凝固收缩大于固态收缩值； •形成条件：铸件由表及里逐层凝固； •形成过程：
V液＝V液(TT浇－TL ) 100％ （ ε v液＝α v液 浇-TL)×100％
液态体收 缩率（%） 金属的液态体 收缩系数
• 影响因素：合金成分、温度、气体 和夹杂物含量等；
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第三节 缩孔与缩松
1、金属收缩的基本概念 ※凝固收缩(TL- T固) •原因：空穴减少；原子间间距减小。 纯金属和共晶合金：凝固期间的体收缩只是由于状 态的改变，而与温度无关； 结晶温度范围合金：收缩率既与状态改变时的体积 变化有关，又与温度范围有关；


第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析
第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析
2.2晶内偏析
先结晶的枝干上富Ni贫Cu，不易腐蚀故呈亮色；
而后结晶的分枝间贫Cu富Cu，易腐蚀而呈暗色。
扩 散 退 火
第一节 化学成分的不均匀性
2、微观偏析
2.2晶内偏析
同样的放大倍数，枝晶已经消失，现在看到的是固溶体的晶粒和晶界。
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第一节 化学成分的不均匀性
3、宏观偏析
3.4 带状偏析
1.带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连续的，有时则是间 断的，偏析的带状总是和液-固界面相平行。 2.带状偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体 生长速度发生变化的缘故。
3.减少溶质含量,采取孕育措施细化晶粒,加强固液界面前的对流和搅 拌,也能够防止或减少带状偏析的形成.
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第三节 缩孔与缩松
4、影响缩孔与缩松的因素及防止措施 ※措施
(2) 防止缩孔的方法 •要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控 制铸件的凝固方向使之符合“定向凝固原则”。
第六章 铸件中的缺陷及其控制
第一节 化学成分的不均匀性
第二节 铸件中的气孔和非金属夹杂物
第三节 缩孔与缩松
第四节 热裂、应力、变形和开裂
第一节 化学成分的不均匀性
1、偏析种类 什么叫偏析？ 为什么会出现偏析？ 偏析的利弊？ 偏析的分类
宏观偏析 正偏析 逆偏析 带状偏析 微观偏析 晶内偏析
合金在凝固过程中发生 的化学成分不均匀现象。
加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时间保
温，使偏析元素进行充分扩散，以达到均匀化。但对 于已经形成的化合物，均匀退火也无能为力，应从减
少合金中的氧和硫含量入手。
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第一节 化学成分的不均匀性
3、宏观偏析
3.1 正偏析
正偏析
K0<1：后结晶固相溶质浓度高于先结晶部分； K0>1：后结晶的固相溶质浓度降低；