金属熔炼与铸锭第十一讲铸锭常见缺陷分析

缺陷分析
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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。
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11.2.2 缩孔与缩松的形成
缩孔容积为：
V 孔 ＝ V 液 V 液 （ T p － T S) +V 液 － 1 2V 固 ( T s- T f)
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。
V
V1 V2 V1
100%V(T1
T2)100%
L
L1 L2 L1
100%L(T1
T2)100%
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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
合金线收缩开金属始熔温炼与度铸缺及锭陷第线分十析收一缩讲铸率锭与常见成分的关系
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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。
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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。
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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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。
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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
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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
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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11.1.2 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。
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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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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。
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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：
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11缺.3陷分析 7.3
5.7 11
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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11.1.2 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。
Al-Cu合金连铸圆锭的反偏析
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11.1.2 宏观偏析
ü 铸锭中的正偏析分布状 况与铸锭组织的形成过 程有关
ü 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。
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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