金属熔炼与铸锭 第十一讲 铸锭常见缺陷分析

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11.4 气孔
气孔一般是圆形的，表面较光滑，据此可与缩孔及缩松相区别。加工 时气孔可被压缩，但难以压合，常常在热加工和热处理过程中产生起 皮起泡现象。这是铝及其合余最常见的缺陷之一。 根据气孔在铸锭中出现的位置，可将其分为表面气孔、皮下气孔和内 部气孔三类。
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11.4 气孔
根据气孔的形成方式可分为： 析出型气孔：在凝固速度大或有枝晶阻拦时，形 成的气泡来不及上浮逸出，便留在铸锭内称为气 孔。 只有析出气体的压力大于外部总压力时，才可能 形成气泡。否则，气体将呈固溶状态存在于铸锭 中。
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11.1.2 宏观偏析
重力偏析
当互不相溶的两液相或固液两相的比重不同而产生的偏析， 称为重力偏析。合金常产生重力偏析。 Cu-Pb合金在液态就易产 生偏析，凝固后铸锭上部富 Cu，下部富 Pb，使合金的热加工性 能、切削及耐磨性能降低。 Sn-Sb合金最先析出的晶体是富Sb 的β 相，比重较小而上浮，可加入少量Cu生成熔点较高的 CuSb 化合物，阻止上浮。
连铸圆锭中温度和应力分布
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11.3.1 铸造应力的形成
热应力大小一般可用下式表示，即
热 E L E L (T1 T2 )
E为弹性模量，T1-T2为铸锭断面两点之间的温度差。 金属性质和铸造条件是影响热应力σ 热 大小的两个主要因素。 金属的弹性模量和线收缩（膨胀）系数大，铸锭的σ热大。 铸锭断面的温度梯度大，则σ热大。
这意味着， k ＜ 1 的合金铸锭，其表面和底部的溶 质量低于合金的平均成分，中心和头部的溶质量 高于合金的平均成分。
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11.1.2 宏观偏析
反偏析
反偏析与正偏析相反。 k ＜ 1 的合金铸锭发生反偏 析时 ， 铸锭 表 面的 溶质 高于 合 金的 平 均成 分 ， 中心 的 溶质 低 于合 金的 平均成分。
铸锭结构不同，铸锭中热应力分布状况也不同。大型铸锭比 小型铸锭更容易产生热裂。圆锭多中心裂纹、环状和放射状 裂纹，扁锭最易产生侧裂纹、底裂纹和浇口裂纹。
扁锭产生裂纹的倾向与锭厚、宽厚比及浇速的关系
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11.3.3 冷裂的形成及影响因素
冷裂一般是铸锭冷却到温度较低的弹性状态时， 因铸锭内外温差大、铸造应力超过合金的强度极 限而产生的，并且往往是由热裂纹扩展而成的。 铸锭是否产生冷裂，主要取决于合金的导热性 和低温时的塑性。 合金的导热性好，凝固后塑性较高，就不容易 产生冷裂。

防治措施： 控制浇注温度和浇注速度，选择合理的铸造模具以及设计合 理铸锭尺寸。
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11.3.2 热裂形成机理及影响因素
热裂是在线收缩开始温度至非平衡固相线温度 范围内形成的。热裂形成机理主要有液膜理论、强 度理论及裂纹形成功理论。 液膜理论认为，铸锭的热裂与凝固末期晶间残留的 液膜性质及厚度有关。 强度理论认为，合金在线收缩开始温度至非平衡固 相点间的有效结晶范围，强度和塑性极低，故在铸造 应力作用下易于热裂。 裂纹形成功理论认为，热裂通常要经历裂纹的形核 和扩展两个阶段。
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11.1.1 显微偏析
枝晶偏析 由于铸锭冷凝较快， 固液两相中溶质来不 及扩散均匀，枝晶内 部先后结晶部分的成 分不同，这就是枝晶 偏析，或称为晶内偏 析。
50m
Ni-Cr-W-Co-Al-Ta-Hf 合金铸锭
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11.1.1 显微偏析
影响枝晶偏析的因素有：合金原始成分，溶质 分配系数k，扩散系数D及凝固速度R等。 其他因素一定时，合金的液相线和固相线之间 的水平距离越大、合金越易产生枝晶偏析。 合金一定时，影响枝晶偏析的主要因素是 R。R 大，溶质难于扩散均匀，故偏析大。 随着冷却速度增大， R 也增大，晶粒变细。枝 晶偏析度反而降低。
缩松是在同时凝固的条件下．最后凝固的地方因收缩造成 的孔洞得不到金属的补缩而产生的。 缩松分布面广，铸锭轴线附近尤为严重。
晶界缩松形成过程示意图
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11.2.2 影响缩孔及缩松的因素
(1) 金属性质：金属液体和凝固体的平均体收缩系 数、结晶温度范围、吸气性等。
Al-8%Si合金圆锭中的等孔隙度曲线

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11.1.1 显微偏析
晶界偏析
k＜1的合金凝固时，溶质会不断自固相向液相排出，导致最后凝 固的晶界含有较多的溶质和杂质，形成晶界偏析。 当固溶体合金铸锭定向凝固得到胞状晶时，k＜l的溶质也会在胞状 晶晶界偏析，形成胞状偏析。
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11.1.2 宏观偏析
正偏析
溶质 k ＜ 1 的合金，固 / 液界面处液相中的溶质 含量会越来越高，因此愈是后结晶的固相，溶 质含量也就愈高； k＞1的合金愈是后结晶的固相，溶质含量愈低。
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11.2.4 防止缩孔及缩松的途径
在保证铸锭自下而上顺序凝固的条件下，尽可能使缩松 转化为铸锭头部的缩孔，然后通过人工补缩来消除。 锭模铸锭，合理设计模壁厚度和锭坯的宽厚比或高径比， 采用上大下小的锭模及加补缩冒口；加保温帽加强补缩； 提高浇温、降低浇速。 连铸易形成缩松的大型铸锭时，先去气去渣精炼，使熔 体中含气量和夹渣尽量少，采用短结晶器或低金属液面水 平，降低浇速，加强二次水冷，使液穴浅平，使铸锭由下 而上进行凝固。
氢含量(a)为0.3ml/110gAl；(b)为0.45ml/100gAl
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11.2.3 影响缩孔及缩松的因素
(2) 工艺及铸锭结构： 凡是提高铸锭断面温度梯度的措施，如铁模铸 锭时，提高浇温和浇速，均有利于缩孔的形成 降低浇温和浇速，提高模温，则可以减少缩松 的形成 铸锭尺寸越大，形成缩松的倾向也越大。对于 大型铸锭，不管合金的导热性和结晶温度范围 如何，均容易促使铸锭中部的缩松增多 浇注时供流集中、结晶器高、液穴深，不利于 补缩，也易于形成缩松。

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11.3.2 热裂形成机理及影响因素

液膜理论
晶间有液膜时热裂形成示意图
（a）形成液膜；（b）形成晶间裂纹
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11.3.2 热裂形成机理及影响因素

强度理论
有效结晶温度范围越宽，合 金的热裂倾向越大
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11.3.2 热裂形成机理及影响因素

并非铸造过程中金属收缩受阻，产生热应力，就一
如果金属在有效结晶范围内，具有一定的塑性，就 例如，铝合金在有效结晶范围内的伸长率大于0.3%，
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11.3 裂纹
在凝固过程中产生的裂纹称为热裂纹。凝固后冷 却过程中产生的裂纹称为冷裂纹。 根据裂纹形状和在铸锭中的位置，裂纹又可分为 多种，如热裂纹可分为表面裂纹、皮下裂纹、晶 间微裂纹等。
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11.3.1 铸造应力的形成
铸锭在凝固和冷却过 程中，收缩受到阻碍 而产生的应力称为铸 造应力，按其形成的 原因，可分为热应力、 相变应力和机械应力。
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11.2.2 缩孔与缩松的形成
缩孔容积为：
1 V孔＝V液 V液 （Tp－TS )+V 液－ V固(Ts -Tf ) 2
集中缩孔是在顺序凝固条件下，因金属液态和凝 固体收缩造成的孔洞得不到金属液的补缩而产生 的。缩孔多出现在铸锭的中部和头部，或铸件的 厚壁处。
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11.2.2 缩孔与缩松的形成
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11.4 气孔
气体能否在铸锭中形成气孔，与许多条件有关：
气体浓度大，容易形成气孔； 冷却强度大，凝固区窄，不易形成气孔； 结晶温度范围宽，凝固区宽，枝晶发达，易于形成枝晶间 的缩松气孔。 防止析出型气孔的有效方法：搞好精炼去气去渣，浇注时 加大冷却强度。
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11.2.1 金属的凝固收缩
总的体收缩率为：

V
V 液 V 凝 V固
合金线收缩开始温度及线收缩率与成分的关系
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11.2.2 缩孔与缩松的形成
集中缩孔 ( 简称为缩孔 ) 是铸锭在顺序凝固的条件下， 由金属的体收缩引起的。金属浇入锭模后，凝固主要是由 底向上和由外向里逐层地进行，经过一段时间后便形成一 层凝壳，由于液态和凝固收缩，因而液面下降。以后随着 温度的继续降低，凝壳一层一层地加厚，液面不断降低， 直至凝固完成为止。在铸锭最后凝固的中上部，形成一个 倒锥形缩孔。
定会发生热裂。

可以通过塑性变形使得应力松弛，而不产生热裂。

就不容易产生热裂纹。
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11.3.2 热裂形成机理及影响因素
影响因素主要包括：金属性质、浇注工艺及铸锭 结构等。
结晶温度范围宽
金属性质的影响
合金的有效结晶温 度范围宽，线收缩 率大，则合金的热 裂倾向大。 结晶温度范 围窄
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11.3.2 热裂形成机理及影响因素
第十一讲 铸锭常见缺陷分析
11.1 偏析 11.2 缩孔与缩松 11.3 裂纹 11.4 气孔 11.5 非金属夹杂物
11.1 偏析
铸锭中化学成分不均匀的现象称为偏析。 显微偏析：一个晶粒范围内的偏析，主要指枝晶 偏析。 宏观偏析：较大区域内的偏析，故又称为区域偏 析。
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11.1 偏析



枝晶偏析一般通过加工和热处理可以消除，但 在枝晶臂间距较大时则不能消除，会给制品造 成电化学性能不均匀。 晶界偏析是低熔点物质聚集于晶界，使铸锭热 裂倾向增大，并使制品易发生晶界腐蚀。 宏观偏析会使铸锭及加工产品的组织和性能很 不均匀。宏观偏析不能靠均匀化退火予以消除 或减轻，所以在铸锭生产中要特别防止这类偏 析。
Al-Cu合金连铸圆锭的反偏析
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11.1.2 宏观偏析
铸锭中的正偏析分布状 况与铸锭组织的形成过 程有关 与铸锭的凝固特性有关， 通过控制凝固过程，扩 大等轴晶区，细化晶粒， 有利于降低偏析度
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11.1.2 宏观偏析
带状偏析
金属液中溶质的扩散速度小于凝 固速度时，会在固液界面前沿出 现偏析层，使界面处过冷度降低， 界面生长受到抑制，偏析度较小 的地方，晶体将优先生长穿过偏 析层长出分枝，富溶质的液体被 封闭在枝晶间。 带状偏析的形成与固液界面的溶 质偏析引起的成分过冷有关。加 强对流、细化晶粒、降低易于偏 析的溶质量，可减少带状偏析。

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11.4 气孔
铸件中的气孔对铸件的使用性能影响很大。 对力学性能的影响：气孔减少了铸锭的有效截面， 当气孔有尖角时，会引起应力集中。因而，显著降低 铸锭的力学性能，如塑性，冲击韧性、疲劳性能等。 特别是集中型气孔对合金力学性能的影响最大。 对铸造性能的影响：铸锭在铸造过程中产生的气孔 会显著增加铸锭的热裂倾向。此外，气孔的出现会阻 碍金属液的补缩，造成晶间疏松。
8.9
11.3
7.3
5.7
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11.1.3 防止偏析的主要途径
各类偏析都是凝固过程中溶质再分布的必然结果。 能使成分均匀化和晶粒细化的方法，均有利于防止或 减少偏析。基本措施有： 增大冷却强度，搅拌，变质处理，采用短结晶器，降 低浇温，加强二次水冷，使液穴浅平等。
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11.2 缩孔与缩松
在铸锭中部、头部、晶界及枝晶间等地方，常 常有一些宏观和显微的收缩孔洞，通称为缩孔。 容积大而集中的缩孔称为集中缩孔； 细小而分散的缩孔称为缩松，其中出现在晶界 或枝晶间的缩松又称为显微缩松。 缩孔和缩松的形状不规则，表面不光滑，故易 与较圆滑的气孔相区别。但铸锭中有些缩孔常 为析出的气体所充填，孔壁表面变得较平滑， 此时既是缩孔也是气孔。
大多数铝合金都有一个与成分相对应的脆性区，在此温度范围 内，合金处于固液状态，强度和塑性都较低，所以脆性区温度范 围大，合金热裂倾向大。 脆性区温度范围取决于合金的性质，此外与浇注工艺有很大关 系。例如，浇注温度和浇注速度过高，会增大脆性区的范围，从 而增大铸锭的热裂倾向。
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11.3.2 热裂形成机理及影响因素
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11.2 缩孔与缩松
11.2.1 金属的凝固收缩 凝固过程中金属的收缩包括凝固前的液态收缩、 由液态变为固态的凝固收缩及凝固后的固态收缩。 液态及凝固收缩常以体积的变化率来表示，称为 体收缩率和线收缩率：
V1 V2 V 100% V (T1 T2 ) 100% V1 L1 L2 L 100% L (T1 T2 ) 100% L1
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11.3.3 冷裂的形成及影响因素
防止裂纹的途径：合理控制成分、选择合适 的工艺、变质处理。 成分：控制合金成分及杂质含量是解决大型铸锭产 生裂纹的有效方法。例如，在Al合金中，Fe含量过多 会形成粗大的化合物，降低流动性和塑性，增大铸锭 开裂倾向。 工艺：采用低的浇注温度、浇注速度和液面水平， 有利于防止产生裂纹。 变质处理：加入变质剂，细化晶粒，同时细化合金 中的粗大第二相，可以降低铸锭产生裂纹的倾向。