机械设计基础机械设计基础主讲：宋绍华主讲：宋绍华有色金属熔炼与铸锭有色金属熔炼与铸锭（铸锭常见凝固缺陷）（铸锭常见凝固缺陷）（铸锭常见凝固缺陷）（铸锭常见凝固缺陷） 本章内容要点本章内容要点 铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析 缩孔与缩孔与缩孔与缩孔与缩缩缩缩松松松松 铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭冷隔铸锭冷隔铸锭冷隔铸锭冷隔 铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔 非金属夹渣非金属夹渣非金属夹渣非金属夹渣 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷铸铸锭锭质质量量直直接接影影响响到到其其后后被被加加工工成成各各种种材材料料（板板、带带、管管、棒棒、型型、线线、锻锻件件等等）的的质质量量。据据统统计计轻轻合合金金材材料料生生产产中中，有有6070%的的废废品品是是因因铸铸锭锭质质量量不不良良造造成成的的。可可以以说说，铸铸锭锭的的各各种种缺缺陷陷往往往往造造成成了了加加工工车车间间各各种种不不合合格格制制品品的的“先先天天不不足足”，而而某某些些缺缺陷陷（如如裂裂纹纹），显显然然在在进进入入压压力力加加工工前前就就成成了了废废品品。因因此此，如如何何识识别别、分分析析铸铸锭锭缺缺陷陷的的产产生生原原因因，找找出出防防止止或或消消除除这这些些缺缺陷陷的的措措施施，对对提提高高铸铸锭锭和和半半制制品品的的质质量量，提提高高整整个个生生产产过过程程的的成成品品率率，意义十分重大。意义十分重大。 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷铸铸锭锭生生产产中中常常见见的的缺缺陷陷很很多多，如如裂裂纹纹、气气孔孔、疏疏松松、夹夹渣渣、偏偏析析等等等等。产产生生这这些些缺缺陷陷的的原原因因很很多多，归归根根结结底底主主要要是是由由合合金金的的本性本性，金属液体的纯洁度金属液体的纯洁度和和浇铸工艺条件浇铸工艺条件诸因素造成的。诸因素造成的。从从本本质质上上讲讲，缺缺陷陷是是铸铸造造过过程程中中由由于于温温度度变变化化而而引引起起的的相相变变、体体积积变变化化和和溶溶解解度度变变化化的的直直接接和和间间接接结结果果。在在生生产产实实际际中中，某某种种缺缺陷陷的的出出现现，其其情情况况往往往往比比较较复复杂杂，必必须须抓抓住住主主要要的的方方面面进进行行分分析，找出缺陷的成因及防止措施。析，找出缺陷的成因及防止措施。1. 1.铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析铸锭中化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭中化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭中化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭中化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析是合金凝固过程中，溶质的再分配及偏析是合金凝固过程中，溶质的再分配及偏析是合金凝固过程中，溶质的再分配及偏析是合金凝固过程中，溶质的再分配及晶体长大速度大于溶质扩散速度，使先析出的固相与液相的浓度不同所致。晶体长大速度大于溶质扩散速度，使先析出的固相与液相的浓度不同所致。晶体长大速度大于溶质扩散速度，使先析出的固相与液相的浓度不同所致。晶体长大速度大于溶质扩散速度，使先析出的固相与液相的浓度不同所致。 偏析偏析偏析偏析宏观偏析宏观偏析宏观偏析宏观偏析微观偏析微观偏析微观偏析微观偏析晶内偏析晶内偏析晶内偏析晶内偏析晶界偏析晶界偏析晶界偏析晶界偏析比重偏析比重偏析比重偏析比重偏析正偏析正偏析正偏析正偏析反偏析反偏析反偏析反偏析A AB B液相线液相线液相线液相线固相线固相线固相线固相线C C0 0a a1 1a a2 2a a3 3L L1 1L L2 2L L3 3固溶体不平衡结晶示意图固溶体不平衡结晶示意图固溶体不平衡结晶示意图固溶体不平衡结晶示意图a a1 1a a3 3a a2 2 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷1. 1.铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析（1 1） 晶内偏析晶内偏析晶内偏析晶内偏析 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷晶内偏析的影响因素：晶内偏析的影响因素：晶内偏析的影响因素：晶内偏析的影响因素：a a）冷却速度；）冷却速度；）冷却速度；）冷却速度；b b）偏析元素的扩散能力；）偏析元素的扩散能力；）偏析元素的扩散能力；）偏析元素的扩散能力；c c）液固相线间隔。）液固相线间隔。）液固相线间隔。）液固相线间隔。 由于铸锭冷凝较快，固液两相中溶质来不及扩散均匀，晶粒由于铸锭冷凝较快，固液两相中溶质来不及扩散均匀，晶粒由于铸锭冷凝较快，固液两相中溶质来不及扩散均匀，晶粒由于铸锭冷凝较快，固液两相中溶质来不及扩散均匀，晶粒内部先后结晶部分的成分不同。内部先后结晶部分的成分不同。内部先后结晶部分的成分不同。内部先后结晶部分的成分不同。是溶质元素在晶界堆积的结果，主要原因是：是溶质元素在晶界堆积的结果，主要原因是：是溶质元素在晶界堆积的结果，主要原因是：是溶质元素在晶界堆积的结果，主要原因是：a a）液固相溶质分配系数的不同；）液固相溶质分配系数的不同；）液固相溶质分配系数的不同；）液固相溶质分配系数的不同；b b）形成化合物。）形成化合物。）形成化合物。）形成化合物。晶界偏析形成过程示意图晶界偏析形成过程示意图晶界偏析形成过程示意图晶界偏析形成过程示意图1. 1.铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析（2 2） 晶界偏析晶界偏析晶界偏析晶界偏析 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷其形成原因是：其形成原因是：其形成原因是：其形成原因是：a a）液相分层；）液相分层；）液相分层；）液相分层；b b）固相与液相比重不同。）固相与液相比重不同。）固相与液相比重不同。）固相与液相比重不同。其形成原因是：其形成原因是：其形成原因是：其形成原因是：a a）溶质分配系数）溶质分配系数）溶质分配系数）溶质分配系数k k的不同，的不同，的不同，的不同， k k111时时，后，后，后，后结晶的固相溶质含量低，结晶的固相溶质含量低，结晶的固相溶质含量低，结晶的固相溶质含量低，出出出出现现正偏析；正偏析；正偏析；正偏析；c c）同）同）同）同时时，与粗大的枝状晶有关。，与粗大的枝状晶有关。，与粗大的枝状晶有关。，与粗大的枝状晶有关。1. 1.铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析（3 3） 比重偏析比重偏析比重偏析比重偏析 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（4 4） 正偏析与反偏析正偏析与反偏析正偏析与反偏析正偏析与反偏析 是一种严重的反偏析现象，通常在铸锭的表面出现偏析瘤是一种严重的反偏析现象，通常在铸锭的表面出现偏析瘤是一种严重的反偏析现象，通常在铸锭的表面出现偏析瘤是一种严重的反偏析现象，通常在铸锭的表面出现偏析瘤。锡青铜中偏析瘤的形成过程锡青铜中偏析瘤的形成过程锡青铜中偏析瘤的形成过程锡青铜中偏析瘤的形成过程(a) 形成枝晶形成枝晶(b) 出现间隙出现间隙(c) 富锡熔体外溢富锡熔体外溢锡锡偏偏析析瘤瘤枝枝晶晶出出现现间间隙隙铸铸模模铸铸模模铸铸模模1. 1.铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析（5 5） 偏析瘤偏析瘤偏析瘤偏析瘤 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷 晶内偏析一般通过加工和热处理可以消除晶内偏析一般通过加工和热处理可以消除晶内偏析一般通过加工和热处理可以消除晶内偏析一般通过加工和热处理可以消除，但在枝晶臂，但在枝晶臂，但在枝晶臂，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。间距较大时则不能消除，会给制品造成电化学性能不均匀。间距较大时则不能消除，会给制品造成电化学性能不均匀。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，使铸锭热裂倾向增晶界偏析是低熔点物质聚集于晶界，使铸锭热裂倾向增晶界偏析是低熔点物质聚集于晶界，使铸锭热裂倾向增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。大，并使制品易发生晶界腐蚀。大，并使制品易发生晶界腐蚀。大，并使制品易发生晶界腐蚀。宏观偏析宏观偏析宏观偏析宏观偏析会使铸锭及加工产品的组织和性能很不均匀。会使铸锭及加工产品的组织和性能很不均匀。会使铸锭及加工产品的组织和性能很不均匀。会使铸锭及加工产品的组织和性能很不均匀。宏观偏析宏观偏析宏观偏析宏观偏析不能靠均匀化退火予以消除或减轻不能靠均匀化退火予以消除或减轻不能靠均匀化退火予以消除或减轻不能靠均匀化退火予以消除或减轻，所以在铸锭生，所以在铸锭生，所以在铸锭生，所以在铸锭生产中要产中要产中要产中要特别防止特别防止特别防止特别防止这类偏析。这类偏析。这类偏析。这类偏析。1. 1.铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析（6 6） 防止偏析的方法防止偏析的方法防止偏析的方法防止偏析的方法 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷 偏析是凝固过程中溶质再分布的结果。因此，偏析是凝固过程中溶质再分布的结果。因此，偏析是凝固过程中溶质再分布的结果。因此，偏析是凝固过程中溶质再分布的结果。因此，一切能使一切能使一切能使一切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成分均匀化和晶粒细化的方法，均有利于防止或减少偏析成分均匀化和晶粒细化的方法，均有利于防止或减少偏析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：基本措施有：基本措施有：基本措施有：增大冷却强度，搅拌，变质处理，采用短结晶器，降低增大冷却强度，搅拌，变质处理，采用短结晶器，降低增大冷却强度，搅拌，变质处理，采用短结晶器，降低增大冷却强度，搅拌，变质处理，采用短结晶器，降低浇注温度，加强二次水冷，使液穴浅平浇注温度，加强二次水冷，使液穴浅平浇注温度，加强二次水冷，使液穴浅平浇注温度，加强二次水冷，使液穴浅平等。等。等。等。1. 1.铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析铸锭偏析（6 6） 防止偏析的方法防止偏析的方法防止偏析的方法防止偏析的方法 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷在铸锭中部、头部、晶界及枝晶间等地方，常常有一些在铸锭中部、头部、晶界及枝晶间等地方，常常有一些在铸锭中部、头部、晶界及枝晶间等地方，常常有一些在铸锭中部、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，通称为宏观和显微的收缩孔洞，通称为宏观和显微的收缩孔洞，通称为宏观和显微的收缩孔洞，通称为缩孔缩孔缩孔缩孔。细小而分散的缩孔称。细小而分散的缩孔称。细小而分散的缩孔称。细小而分散的缩孔称为为为为分散缩孔或缩松分散缩孔或缩松分散缩孔或缩松分散缩孔或缩松。2. 2.缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松（1 1） 概念概念概念概念 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷缩孔或缩松都会减小铸锭受力的有效面积，并在缩孔和缩缩孔或缩松都会减小铸锭受力的有效面积，并在缩孔和缩缩孔或缩松都会减小铸锭受力的有效面积，并在缩孔和缩缩孔或缩松都会减小铸锭受力的有效面积，并在缩孔和缩松处产生应力集中，因而松处产生应力集中，因而松处产生应力集中，因而松处产生应力集中，因而显著降低铸锭的力学性能显著降低铸锭的力学性能显著降低铸锭的力学性能显著降低铸锭的力学性能。（2 2）危害）危害）危害）危害2. 2.缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷产生缩孔和缩松的产生缩孔和缩松的产生缩孔和缩松的产生缩孔和缩松的最直接原因最直接原因最直接原因最直接原因，是金属凝固时发生的，是金属凝固时发生的，是金属凝固时发生的，是金属凝固时发生的凝固体凝固体凝固体凝固体收缩收缩收缩收缩。（3 3）形成原因）形成原因）形成原因）形成原因（4 4）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成 收缩的分类收缩的分类收缩的分类收缩的分类：包括凝固前的液态收缩、由液态变为固态的凝：包括凝固前的液态收缩、由液态变为固态的凝：包括凝固前的液态收缩、由液态变为固态的凝：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。固收缩及凝固后的固态收缩。固收缩及凝固后的固态收缩。固收缩及凝固后的固态收缩。液态收缩率为液态收缩率为液态收缩率为液态收缩率为12%12%、凝固收缩率为、凝固收缩率为、凝固收缩率为、凝固收缩率为27%27%、固态收缩率为、固态收缩率为、固态收缩率为、固态收缩率为59%59% 2. 2.缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（4 4）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成 凝固收缩的开始温度凝固收缩的开始温度凝固收缩的开始温度凝固收缩的开始温度当当当当温温温温度度度度下下下下降降降降至至至至液液液液相相相相线线线线下下下下的的的的点点点点划划划划线线线线时时时时。枝枝枝枝晶晶晶晶数数数数量量量量增增增增多多多多彼彼彼彼此此此此相相相相连连连连构构构构成成成成连连连连续续续续的的的的骨骨骨骨架架架架，此此此此时时时时铸铸铸铸锭锭锭锭中中中中已已已已有有有有5555 7070的的的的固固固固相相相相，使使使使开开开开始始始始凝固收缩。凝固收缩。凝固收缩。凝固收缩。2. 2.缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（4 4）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成缩孔形成示意图缩孔形成示意图缩孔形成示意图缩孔形成示意图缩孔形成原因：缩孔形成原因：缩孔形成原因：缩孔形成原因：在在在在顺序凝固顺序凝固顺序凝固顺序凝固条件下，因金属液态和凝固收缩造成的孔洞条件下，因金属液态和凝固收缩造成的孔洞条件下，因金属液态和凝固收缩造成的孔洞条件下，因金属液态和凝固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。件的厚壁处。件的厚壁处。件的厚壁处。2. 2.缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（4 4）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成）缩孔和缩松的形成缩松形成示意图缩松形成示意图缩松形成示意图缩松形成示意图缩松形成原因：缩松形成原因：缩松形成原因：缩松形成原因：是在是在是在是在同时凝固同时凝固同时凝固同时凝固的条件下。最后凝固的地方因收缩造成的孔的条件下。最后凝固的地方因收缩造成的孔的条件下。最后凝固的地方因收缩造成的孔的条件下。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。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。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。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。a a）金属性质）金属性质）金属性质）金属性质 缩孔区缩孔区缩孔区缩孔区疏松区疏松区疏松区疏松区 液相线液相线液相线液相线 成分成分成分成分 温度温度温度温度 固相线固相线固相线固相线2. 2.缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（5 5）影响缩孔和缩松的因素）影响缩孔和缩松的因素）影响缩孔和缩松的因素）影响缩孔和缩松的因素当温度梯度一定时，合金的结晶温度当温度梯度一定时，合金的结晶温度范围越小，则凝固区越窄，铸锭形成缩孔范围越小，则凝固区越窄，铸锭形成缩孔的倾向越大；反之，结晶温度范围大，则的倾向越大；反之，结晶温度范围大，则凝固区宽，等轴晶发达，补缩困难，形成凝固区宽，等轴晶发达，补缩困难，形成缩松的倾向大。缩松的倾向大。金属液体和凝固体的金属液体和凝固体的平均体收缩平均体收缩系数系数、结晶温度范围结晶温度范围、吸气性吸气性等等b b）金属浇铸工艺条件）金属浇铸工艺条件）金属浇铸工艺条件）金属浇铸工艺条件2. 2.缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（5 5）影响缩孔和缩松的因素）影响缩孔和缩松的因素）影响缩孔和缩松的因素）影响缩孔和缩松的因素凡凡是是提提高高铸铸锭锭断断面面温温度度梯梯度度的的措措施施，如如铁铁模模铸铸锭锭时时，提提高高浇浇注注温温度度和和浇浇注注速速度度，均均有有利利于于集集中中缩缩孔孔的的形形成成；反反之之，降降低低浇浇注注温度和浇注速度，提高模温，则有利于分散缩孔或缩松的形成。温度和浇注速度，提高模温，则有利于分散缩孔或缩松的形成。基基本本途途径径：根根据据合合金金的的体体收收缩缩特特性性、结结晶晶温温度度范范围围大大小小及及铸铸锭锭尺尺寸寸等等，制制定定正正确确的的铸铸锭锭工工艺艺，在在保保证证铸铸锭锭自自下下而而上上顺顺序序凝凝固固条条件件下下，尽尽可可能能使使分分散散缩缩孔孔或或缩缩松松转转化化为为铸铸锭锭头头部部的的集集中中缩缩孔孔，然然后后通通过过人人工工补补缩缩来来消除。消除。2. 2.缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（6 6）防止缩孔和缩松的途径）防止缩孔和缩松的途径）防止缩孔和缩松的途径）防止缩孔和缩松的途径合合理理设设计计模模壁壁厚厚度度和和锭锭坯坯的的宽宽厚厚比比或或高高径径比比，采采用用上上大大下下小小的的锭锭模及加补缩冒口；加保温帽加强补缩；提高浇温、降低浇速。模及加补缩冒口；加保温帽加强补缩；提高浇温、降低浇速。连连铸铸易易形形成成缩缩松松的的大大型型铸铸锭锭时时，先先去去气气去去渣渣精精炼炼，使使熔熔体体中中含含气气量量和和夹夹渣渣尽尽量量少少，采采用用短短结结晶晶器器或或低低金金属属液液面面水水平平，降降低低浇浇速速，加加强强二次水冷二次水冷，使液穴浅平，使铸锭由下而上进行凝固。，使液穴浅平，使铸锭由下而上进行凝固。3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷裂纹分类：裂纹分类：裂纹分类：裂纹分类：根据裂纹的形成阶段分为根据裂纹的形成阶段分为根据裂纹的形成阶段分为根据裂纹的形成阶段分为冷裂纹冷裂纹冷裂纹冷裂纹( (凝固后凝固后凝固后凝固后) )和和和和热裂纹热裂纹热裂纹热裂纹( (凝固过程凝固过程凝固过程凝固过程) )。根据裂纹形状和在铸锭中的位置，裂纹又可分为许多种根据裂纹形状和在铸锭中的位置，裂纹又可分为许多种根据裂纹形状和在铸锭中的位置，裂纹又可分为许多种根据裂纹形状和在铸锭中的位置，裂纹又可分为许多种热裂纹热裂纹热裂纹热裂纹可分为表面裂纹、皮下裂纹、晶间裂纹、中心裂纹、环状裂可分为表面裂纹、皮下裂纹、晶间裂纹、中心裂纹、环状裂可分为表面裂纹、皮下裂纹、晶间裂纹、中心裂纹、环状裂可分为表面裂纹、皮下裂纹、晶间裂纹、中心裂纹、环状裂纹、放射状型纹等；纹、放射状型纹等；纹、放射状型纹等；纹、放射状型纹等；冷裂纹冷裂纹冷裂纹冷裂纹可分为顶裂纹、底裂纹、侧裂纹、纵向表面裂纹等。可分为顶裂纹、底裂纹、侧裂纹、纵向表面裂纹等。可分为顶裂纹、底裂纹、侧裂纹、纵向表面裂纹等。可分为顶裂纹、底裂纹、侧裂纹、纵向表面裂纹等。3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（1 1）铸造应力的形成）铸造应力的形成）铸造应力的形成）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称为铸造应力铸造应力，按其形成的原因，可分为，按其形成的原因，可分为热应力热应力、相变应力相变应力和和机械应力机械应力。a a）热应力热应力热应力热应力是铸锭凝固过程中因是铸锭凝固过程中因是铸锭凝固过程中因是铸锭凝固过程中因温度变化引起的附加应力。温度变化引起的附加应力。温度变化引起的附加应力。温度变化引起的附加应力。连续铸锭过程中热应力分布情况连续铸锭过程中热应力分布情况连续铸锭过程中热应力分布情况连续铸锭过程中热应力分布情况3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（1 1）铸造应力的形成）铸造应力的形成）铸造应力的形成）铸造应力的形成b b）机械应力机械应力机械应力机械应力是铸锭凝固过程中，是铸锭凝固过程中，是铸锭凝固过程中，是铸锭凝固过程中，因受结晶器机械作用而产生的因受结晶器机械作用而产生的因受结晶器机械作用而产生的因受结晶器机械作用而产生的附加应力附加应力附加应力附加应力。c c）相变应力相变应力相变应力相变应力是铸锭凝固过程中，是铸锭凝固过程中，是铸锭凝固过程中，是铸锭凝固过程中，因体变化所产生的附加应力。因体变化所产生的附加应力。因体变化所产生的附加应力。因体变化所产生的附加应力。3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素 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热裂形成机理主要有液膜理论液膜理论、强度理论强度理论及及裂纹形成功理论裂纹形成功理论。a a）液膜理论）液膜理论）液膜理论）液膜理论 液膜理论示意图液膜理论示意图液膜理论示意图液膜理论示意图凝固末期晶间残留的凝固末期晶间残留的液膜受铸锭收缩影响，液液膜受铸锭收缩影响，液膜在拉应力作用下被拉伸，膜在拉应力作用下被拉伸，当拉应力或拉伸量足够大当拉应力或拉伸量足够大时，液膜就会破裂，形成时，液膜就会破裂，形成晶间热裂纹。晶间热裂纹。3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素b b）强度理论强度理论强度理论强度理论3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素有效结晶温度范围越宽，合金的有效结晶温度范围越宽，合金的热裂倾向越大热裂倾向越大强度理论认为，合强度理论认为，合金在线收缩开始温度至非金在线收缩开始温度至非平衡固相点间的有效结晶平衡固相点间的有效结晶温度范围，强度和塑性极温度范围，强度和塑性极低，故在铸造应力作用下低，故在铸造应力作用下易于热裂。易于热裂。c c）形成功理论形成功理论形成功理论形成功理论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。裂纹形核多发生在晶界上液相汇集处。若偏聚于晶界的低熔阶段。裂纹形核多发生在晶界上液相汇集处。若偏聚于晶界的低熔点元素和化合物对基体金属润湿性好，则裂纹形成功小，裂纹易形点元素和化合物对基体金属润湿性好，则裂纹形成功小，裂纹易形核，铸锭热烈倾向大。核，铸锭热烈倾向大。3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素d d）影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素并非铸造过程中金属收缩受阻，产生热应力，就一定会发生并非铸造过程中金属收缩受阻，产生热应力，就一定会发生热裂。热裂。如果金属在有效结晶范围内，具有一定的塑性，就可以如果金属在有效结晶范围内，具有一定的塑性，就可以通过通过塑性变形使得应力松弛塑性变形使得应力松弛，而不产生热裂。，而不产生热裂。例如，铝合金在有效结晶范围内的伸长率大于例如，铝合金在有效结晶范围内的伸长率大于0.3%，就不容，就不容易产生热裂纹。易产生热裂纹。d d）影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素主要有主要有金属性质金属性质、浇注工艺浇注工艺及及铸锭结构铸锭结构等。等。 3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素 合金的有效结晶温度范围宽，线收合金的有效结晶温度范围宽，线收缩大，则合金的热裂倾向也大缩大，则合金的热裂倾向也大结晶温度范围宽结晶温度范围宽结晶温度范围窄结晶温度范围窄 有效结晶温度范围及热裂倾向有效结晶温度范围及热裂倾向有效结晶温度范围及热裂倾向有效结晶温度范围及热裂倾向与成分关系示意图与成分关系示意图与成分关系示意图与成分关系示意图大大多多数数铝铝合合金金都都有有一一个个与与成成分分相相对对应应的的脆脆性性区区，在在此此温温度度范范围围内内，合合金金处处于于固固液液状状态态，强强度度和和塑塑性性都都较较低低，所所以以脆脆性性区区温温度度范范围围大，合金热裂倾向大。大，合金热裂倾向大。脆脆性性区区温温度度范范围围取取决决于于合合金金的的性性质质，此此外外与与浇浇注注工工艺艺有有很很大大关关系系。例例如如，浇浇注注温温度度和和浇浇注注速速度度过过高高，会会增增大大脆脆性性区区的的范范围围，从从而而增大铸锭的热裂倾向。增大铸锭的热裂倾向。 d d）影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素浇注温度高，往往提高脆性区上限温度浇注温度高，往往提高脆性区上限温度;提高冷却速度，降低脆性区下限温度。提高冷却速度，降低脆性区下限温度。 当浇注速度及宽厚比当浇注速度及宽厚比当浇注速度及宽厚比当浇注速度及宽厚比n n一定时，随着锭厚增一定时，随着锭厚增一定时，随着锭厚增一定时，随着锭厚增大，热裂倾向增大。大，热裂倾向增大。大，热裂倾向增大。大，热裂倾向增大。 当锭厚一定时，热裂随着浇注速度增大而当锭厚一定时，热裂随着浇注速度增大而当锭厚一定时，热裂随着浇注速度增大而当锭厚一定时，热裂随着浇注速度增大而增大。增大。增大。增大。裂纹倾向与冷却速度和铸锭壁厚的关系裂纹倾向与冷却速度和铸锭壁厚的关系裂纹倾向与冷却速度和铸锭壁厚的关系裂纹倾向与冷却速度和铸锭壁厚的关系d d）影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素影响热裂纹的因素3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素）热裂纹的形成机理和影响因素铸铸锭锭结结构构不不同同，铸铸锭锭中中热热应应力力分分布布状状况况也也不不同同。大大型型铸铸锭锭比比小小型型铸铸锭锭更更容容易易产产生生热热裂裂。圆圆锭锭多多中中心心裂裂纹纹、环环状状和和放放射射状状裂裂纹纹，扁扁锭锭最最易易产产生生侧侧裂裂纹纹、底裂纹和浇口裂纹。底裂纹和浇口裂纹。（3 3）冷裂纹的形成机理和影响因素）冷裂纹的形成机理和影响因素）冷裂纹的形成机理和影响因素）冷裂纹的形成机理和影响因素冷冷裂裂是是铸铸锭锭冷冷却却到到温温度度较较低低的的弹弹性性状状态态时时，因因铸铸锭锭内内外外温温差差大大、铸铸造应力造应力超过合金的强度极限超过合金的强度极限而产生的，并且往往是而产生的，并且往往是由热裂扩展而成由热裂扩展而成的。的。合合金金的的导导热热性性和和塑塑性性直直接接影影响响冷冷裂裂纹纹倾倾向向（合合金金成成分分），此此外外，非非金金属属夹夹杂杂物物、晶晶粒粒粗粗大大也也会会促促进进冷冷裂裂。热热裂裂纹纹的的尖尖端端是是应应力力集集中中处处，在在铸锭凝固后的冷却过程中，热应力足够大时，会使热裂纹扩展成冷裂纹。铸锭凝固后的冷却过程中，热应力足够大时，会使热裂纹扩展成冷裂纹。a a） 冷裂的形成机理：冷裂的形成机理：冷裂的形成机理：冷裂的形成机理：b b） 影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷一一切切能能提提高高合合金金在在凝凝固固区区或或脆脆性性区区的的塑塑性性和和强强度度，减减少少非非平平衡衡共共晶晶或或改改善善其其分分布布状状况况，细细化化晶晶粒粒，降降低低温温度度梯梯度度等等因因素素，皆皆利利于于防防止止铸锭热裂和冷裂。铸锭热裂和冷裂。（4 4）防止裂纹的途径）防止裂纹的途径）防止裂纹的途径）防止裂纹的途径3. 3.铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹铸锭裂纹 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷合理控制成分合理控制成分、选择合适的工艺选择合适的工艺、变质处理变质处理。成分成分：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。：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。工工艺艺：采采用用低低的的浇浇注注温温度度、浇浇注注速速度度和和液液面面水水平平，有有利利于于防防止止产产生生裂裂纹。纹。变变质质处处理理：加加入入变变质质剂剂，细细化化晶晶粒粒，同同时时细细化化合合金金中中的的粗粗大大第第二二相相，可以降低铸锭产生裂纹的倾向。可以降低铸锭产生裂纹的倾向。（1 1） 冷冷冷冷隔隔隔隔成成成成因因因因：金金金金属属属属熔熔熔熔体体体体不不不不能能能能均均均均匀匀匀匀地地地地浇浇浇浇注注注注在在在在铸铸铸铸锭锭锭锭上上上上表表表表面面面面时时时时，使使使使新新新新的的的的熔熔熔熔体体体体在在在在已已已已经经经经凝凝凝凝固固固固的的的的金金金金属属属属表表表表面面面面上上上上，由由由由于于于于氧氧氧氧化化化化层层层层等等等等影影影影响响响响润润润润湿湿湿湿的的的的因因因因素素素素以以以以及及及及热热热热烈烈烈烈的的的的因因因因素素素素，使使使使后来的金属不能与下面的金属熔为一体，故出现裂纹。后来的金属不能与下面的金属熔为一体，故出现裂纹。后来的金属不能与下面的金属熔为一体，故出现裂纹。后来的金属不能与下面的金属熔为一体，故出现裂纹。铸锭铸锭铸锭铸锭熔池熔池熔池熔池冷隔冷隔冷隔冷隔冷隔形态及形成过程冷隔形态及形成过程冷隔形态及形成过程冷隔形态及形成过程（2 2） 冷冷冷冷隔隔隔隔的的的的危危危危害害害害：严严严严重重重重破破破破坏坏坏坏铸铸铸铸锭锭锭锭组组组组织织织织的的的的连连连连续续续续性性性性，同同同同时时时时，在在在在冷冷冷冷隔隔隔隔内内内内存存存存在在在在大大大大量量量量的的的的低低低低熔熔熔熔点点点点化化化化合合合合物物物物，易易易易引引引引起起起起应应应应力力力力集集集集中中中中，形形形形成裂纹源，使整个铸锭开裂。成裂纹源，使整个铸锭开裂。成裂纹源，使整个铸锭开裂。成裂纹源，使整个铸锭开裂。（3 3） 防止冷隔的措施：防止冷隔的措施：防止冷隔的措施：防止冷隔的措施： a a）提高浇注温度，增加金属流动性；）提高浇注温度，增加金属流动性；）提高浇注温度，增加金属流动性；）提高浇注温度，增加金属流动性； b b）增大结晶器锥度，使熔体导热性降低，相对提高熔体温度；）增大结晶器锥度，使熔体导热性降低，相对提高熔体温度；）增大结晶器锥度，使熔体导热性降低，相对提高熔体温度；）增大结晶器锥度，使熔体导热性降低，相对提高熔体温度； c c）在浇注过程中，对结晶器内的熔体进行搅拌；）在浇注过程中，对结晶器内的熔体进行搅拌；）在浇注过程中，对结晶器内的熔体进行搅拌；）在浇注过程中，对结晶器内的熔体进行搅拌； d d）采用热顶铸造方式。）采用热顶铸造方式。）采用热顶铸造方式。）采用热顶铸造方式。4. 4.铸锭冷隔铸锭冷隔铸锭冷隔铸锭冷隔 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷铸锭的表面缺陷，呈弧线形向铸锭中心延伸的裂纹。铸锭的表面缺陷，呈弧线形向铸锭中心延伸的裂纹。铸锭的表面缺陷，呈弧线形向铸锭中心延伸的裂纹。铸锭的表面缺陷，呈弧线形向铸锭中心延伸的裂纹。铸件中的铸件中的气孔气孔对铸件的使用性能影响很大。对铸件的使用性能影响很大。对对力力学学性性能能的的影影响响：气气孔孔减减少少了了铸铸锭锭的的有有效效截截面面，当当气气孔孔有有尖尖角角时时，会会引引起起应应力力集集中中。因因而而，显显著著降降低低铸铸锭锭的的力力学学性性能能，如如塑塑性性，冲冲击击韧韧性性、疲疲劳劳性性能能等等。特特别别是是集集中中型型气气孔孔对对合合金金力力学性能的影响最大。学性能的影响最大。对对铸铸造造性性能能的的影影响响：铸铸锭锭在在铸铸造造过过程程中中产产生生的的气气孔孔会会显显著著增增加加铸铸锭锭的的热热裂裂倾倾向向。此此外外，气气孔孔的的出出现现会会阻阻碍碍金金属属液液的的补补缩缩，造成晶间造成晶间疏松疏松。5. 5.铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷气气孔孔一一般般是是圆圆形形的的，表表面面较较光光滑滑，据据此此可可与与缩缩孔孔及及缩缩松松相相区区别别。加加工工时时气气孔孔可可被被压压缩缩，但但难难以以压压合合，常常常常在在热热加加工工和和热热处处理理过过程程中中产产生生起起皮起泡现象。这是铝及其合余最常见的缺陷之一。皮起泡现象。这是铝及其合余最常见的缺陷之一。5. 5.铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（1 1）气孔特征）气孔特征）气孔特征）气孔特征根根据据气气孔孔在在铸铸锭锭中中出出现现的的位位置置，可可将将其其分分为为表表面面气气孔孔、皮皮下下气气孔孔和和内部气孔内部气孔三类。三类。铸锭断面气孔分布状况示意图铸锭断面气孔分布状况示意图铸锭断面气孔分布状况示意图铸锭断面气孔分布状况示意图(a) (a) 表面气孔表面气孔表面气孔表面气孔 (b) (b) 皮下气孔皮下气孔皮下气孔皮下气孔 (c) (c) 内部满面气孔内部满面气孔内部满面气孔内部满面气孔 (d) (d) 内部缩松气孔内部缩松气孔内部缩松气孔内部缩松气孔 5. 5.铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）气孔分类）气孔分类）气孔分类）气孔分类根据气孔的根据气孔的形成方式形成方式可分为：可分为：析出型气孔析出型气孔和和反应型气孔反应型气孔a）析析出出型型气气孔孔：在在凝凝固固速速度度大大或或有有枝枝晶晶阻阻拦拦时时，形形成成的的气气泡泡来来不不及上浮逸出，便留在铸锭内成为气孔。及上浮逸出，便留在铸锭内成为气孔。只只有有析析出出气气体体的的压压力力大大于于外外部部总总压压力力时时，才才可可能能形形成成气气泡泡。否否则则，气体将呈固溶状态存在于铸锭中。气体将呈固溶状态存在于铸锭中。5. 5.铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）气孔分类）气孔分类）气孔分类）气孔分类气体能否在铸锭中形成气孔，与许多条件有关：气体能否在铸锭中形成气孔，与许多条件有关：气体能否在铸锭中形成气孔，与许多条件有关：气体能否在铸锭中形成气孔，与许多条件有关：v气体浓度大，容易形成气孔；气体浓度大，容易形成气孔；v冷却强度大，凝固区窄，不易形成气孔；冷却强度大，凝固区窄，不易形成气孔；v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。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。v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。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。b）反反应应型型气气孔孔：金金属属凝凝固固过过程程中中，与与模模壁壁表表面面水水分分、涂涂料料及及润润滑滑剂剂之之间间或或金金属属液液内内部部发发生生化化学学反反应应，产产生生的的气气体体形形成成气气泡泡后后，来来不不及及上上浮逸出而形成的气孔。浮逸出而形成的气孔。高高温温下下金金属属与与水水蒸蒸气气反反应应产产生生的的氢氢气气。润润滑滑油油燃燃烧烧产产生生的的气气体体。二二次冷却水的水蒸气、涂料和润滑油挥发产生的气体。次冷却水的水蒸气、涂料和润滑油挥发产生的气体。防防止止方方法法：注注意意干干燥燥，供供流流均均匀匀，适适当当减减小小结结晶晶器器喷喷水水角角以以免免水水气气侵入，模壁经常清理。侵入，模壁经常清理。5. 5.铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔铸锭气孔 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷（2 2）气孔分类）气孔分类）气孔分类）气孔分类 非金属渣是铸锭的重要缺陷，非金属渣是铸锭的重要缺陷，因其报废的废品量仅次于裂纹因其报废的废品量仅次于裂纹。非金属。非金属夹渣包括：氧化物、氮化物、碳化物、硫化物、熔渣、熔剂夹渣等。夹渣包括：氧化物、氮化物、碳化物、硫化物、熔渣、熔剂夹渣等。 氧化膜是非金属夹渣的一种，是某些铝合金铸锭所需要检验的一种特氧化膜是非金属夹渣的一种，是某些铝合金铸锭所需要检验的一种特有缺陷。有缺陷。它一般是指存在于铸锭中的细微的薄膜状金属氧化物，如氧化铝、它一般是指存在于铸锭中的细微的薄膜状金属氧化物，如氧化铝、氧化镁等。氧化镁等。6. 6.非金属夹渣非金属夹渣非金属夹渣非金属夹渣 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷防防止止办办法法：消消除除铸铸锭锭夹夹渣渣和和减减小小氧氧化化膜膜污污染染的的最最有有效效的的办办法法是是让让金金属属在在进进入入铸铸造造前前进进行行过过滤滤，如如用用耐耐热热玻玻璃璃丝丝网网，或或刚刚玉玉砂砂微微孔孔管管，或或Al2O3球加惰性气体吹洗法等。一般情况下做到：球加惰性气体吹洗法等。一般情况下做到： 选择有效的精炼方法，适当提高精炼温度，彻底精炼。选择有效的精炼方法，适当提高精炼温度，彻底精炼。 保证足够的熔体静置时间。保证足够的熔体静置时间。 建建立立良良好好的的转转注注条条件件，设设法法减减少少液液体体金金属属的的冲冲击击、翻翻滚滚、让让液液流流在在氧化膜复盖下平稳地流动。氧化膜复盖下平稳地流动。 铸造开头、收尾注意打渣。铸造开头、收尾注意打渣。 使用的原材料和铸造工具要清洁、干燥。使用的原材料和铸造工具要清洁、干燥。6. 6.非金属夹渣非金属夹渣非金属夹渣非金属夹渣 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷总结：总结：总结：总结：1. 1.偏析偏析偏析偏析 （1 1）晶内偏析）晶内偏析）晶内偏析）晶内偏析 （2 2）晶界偏析）晶界偏析）晶界偏析）晶界偏析 （3 3）比重偏析）比重偏析）比重偏析）比重偏析 （4 4）正偏析与反偏析）正偏析与反偏析）正偏析与反偏析）正偏析与反偏析 （5 5）偏析瘤）偏析瘤）偏析瘤）偏析瘤 （6 6）防止偏析的方法）防止偏析的方法）防止偏析的方法）防止偏析的方法4. 4.冷隔冷隔冷隔冷隔 （1 1） 冷隔的特征冷隔的特征冷隔的特征冷隔的特征 （2 2） 冷隔的危害冷隔的危害冷隔的危害冷隔的危害 （3 3） 冷隔的成因冷隔的成因冷隔的成因冷隔的成因 （4 4） 防止冷隔的途径防止冷隔的途径防止冷隔的途径防止冷隔的途径 铸锭常见凝固缺陷铸锭常见凝固缺陷3. 3.裂纹裂纹裂纹裂纹 （1 1） 铸造造应力的形成铸造造应力的形成铸造造应力的形成铸造造应力的形成 （2 2） 热裂纹热裂纹热裂纹热裂纹 （3 3） 冷裂纹冷裂纹冷裂纹冷裂纹 （4 4） 防止裂纹的途径防止裂纹的途径防止裂纹的途径防止裂纹的途径5. 5.气孔气孔气孔气孔 （1 1） 气孔的特征气孔的特征气孔的特征气孔的特征 （2 2） 气孔的分类气孔的分类气孔的分类气孔的分类6. 6.非金属夹渣非金属夹渣非金属夹渣非金属夹渣 防止办法防止办法防止办法防止办法2. 2.缩孔与疏松缩孔与疏松缩孔与疏松缩孔与疏松 （1 1）金属的凝固收缩）金属的凝固收缩）金属的凝固收缩）金属的凝固收缩 （2 2）缩孔与疏松的形成）缩孔与疏松的形成）缩孔与疏松的形成）缩孔与疏松的形成 （3 3）影响缩孔与疏松的因素）影响缩孔与疏松的因素）影响缩孔与疏松的因素）影响缩孔与疏松的因素 （4 4） 防止缩孔与疏松的途径防止缩孔与疏松的途径防止缩孔与疏松的途径防止缩孔与疏松的途径 测试题测试题