搜索
第八章液态成形件的主要缺陷及质量控制凝固缺陷是金属在冷却凝固过程中极易出现的一类缺陷，它们以不同的类型和形态存在于固态金属中，对金属的性能产生不同程度的影响。本章主要介绍缩孔与缩松、气孔与夹杂、偏析和应力、变形、裂纹等重要凝固缺陷的形成机理、影响因素及控制措施。液态金属体积收缩缩孔缩松热裂纹变形冷裂纹气体元素杂质元素化合物夹杂气泡气孔过饱和析出降温凝固受拘束应力滞留成分偏析非平衡凝固低熔点共晶冷却凝固体积收缩缩孔缩松应力热裂纹变形冷裂纹§8-1缩孔与缩松§8-2气孔与夹杂§8-3应力、变形及裂纹§8-4偏析（化学成分的不均匀性）§8-1缩孔与缩松一、金属的收缩二、缩孔与缩松的分类及特征三、缩孔与缩松的形成机理四、影响缩孔与缩松的因素及防止措施铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞。容积大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。收缩：金属在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减小现象，称为收缩，它是金属本身的物理性质，是引起缩孔、缩松、应力、变形、热裂和冷裂等缺陷的基本原因。一、金属的收缩液态收缩阶段（I）、凝固收缩阶段（II）、固态收缩阶段（III）浇tLt共t浇t共t室t室t液态收缩阶段(t浇tL)凝固收缩阶段(tLts或t共起t共终)固态收缩阶段(tst室）金属的收缩三个阶段•金属从浇注温度冷却到室温所产生的体收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩之和，即εV总＝εV液＋εV凝＋εV固（εV为体收缩率）其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。固态收缩是铸件产生应力、变形和裂纹的基本原因。二、缩孔与缩松的分类及特征缩孔主要有内缩孔和外缩孔两种形式。外缩孔出现在铸件的外部或顶部，一般在铸件上部呈漏斗状，铸件壁厚很大时，有时会出现在侧面或凹角处（图a、b）；内缩孔产生于铸件内部（图c、d），孔壁粗糙不规则，可以看到发达的树枝晶末梢，一般为暗黑色或褐色。1.缩孔a）明缩孔b）凹角缩孔c）芯面缩孔d）内部缩孔缩孔特点•常出现于纯金属、共晶成分合金和凝固温度范围较窄的以逐层凝固方式凝固的铸造合金中；•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。2.缩松按其形态分为宏观缩松（简称缩松）和微观缩松（显微缩松）两类。缩松：多出现于凝固温度范围较宽的合金中，常分布在铸件壁的轴线区域、缩孔附近或铸件厚壁的中心部位。显微缩松：则在各种合金铸件中或多或少都会存在，一般出现在枝晶间和分枝之间，与微观气孔难以区分，只有在显微镜下才能观察到。铸件热节处的缩孔与缩松缩松的特点•缩松多出现于凝固温度范围较宽的合金中；•显微缩松一般出现在枝晶间和分枝之间；•常分布在缩孔附近或铸件厚壁的中心部位；缩孔和缩松的危害：铸件中存在的任何形态的缩孔和缩松，都会减小铸件的受力面积，在缩孔和缩松的尖角处产生应力集中，使铸件的力学性能显著降低。此外，缩孔和缩松还会降低铸件的气密性和物理化学性能。因此，必须采取有效措施予以防止。三、缩孔与缩松的形成机理1.缩孔的形成2.缩松的形成1.缩孔的形成机理•纯金属、共晶成分合金和凝固温度范围窄的合金，在一般铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。由于金属或合金在冷却过程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固的部位形成尺寸较大的集中缩孔。铸件中缩孔形成过程示意图2.缩松的形成机理凝固温度范围较宽的合金，一般按照体积凝固的方式凝固，凝固区内的小晶体很容易发展成为发达的树枝晶。当固相达到一定数量形成晶体骨架时，尚未凝固的液态金属便被分割成一个个互不相通的小熔池。在随后的冷却过程中，小熔池内的液体将发生液态收缩和凝固收缩，已凝固的金属则发生固态收缩。由于熔池金属的液态收缩和凝固收缩之和大于其固态收缩，两者之差引起的细小孔洞又得不到外部液体的补充，便在相应部位形成了分散性的细小缩孔，即缩松。铸铁铸件的缩孔和缩松四、影响缩孔与缩松的因素及防止措施1.影响缩孔与缩松的因素2.防止铸件产生缩孔和缩松的途径1.影响缩孔与缩松的因素•金属的性质•铸型的冷却能力•浇注温度与浇注速度•铸件尺寸（1）金属的性质金属的液态收缩系数αV液和凝固收缩系数αV凝越大，缩孔及缩松容积越大。金属的固态体收缩系数αV固越大，缩孔及缩松容积越小。（2）铸型条件铸型的激冷能力越大，缩孔及缩松容积就越小。因为铸型激冷能力越大，越易造成边浇注边凝固的条件，使金属的收缩在较大程度上被后注入的金属液所补充，使实际发生收缩的液态金属量减少。•（3）浇注条件浇注温度越高，金属的液态收缩越大，则缩孔容积越大；浇注速度越缓慢，浇注时间越长，缩孔容积就越小。•（4）铸件尺寸铸件壁厚越大，表面层凝固后，内部的金属液温度就越高，液态收缩就越大，则缩孔及缩松的容积越大。2.防止铸件产生缩孔和缩松的途径（1）顺序凝固原则（2)同时凝固原则（3)采取的工艺措施防止铸件产生缩孔和缩松的指导思想：针对该合金的收缩和凝固特点，制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立起良好的补缩条件，尽可能使缩松转化成缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方，在此处安放冒口，使缩孔集中在冒口中，或在此处安置浇口进行直接补缩。(1)顺序凝固原则：铸件的顺序凝固原则是采取各种工艺措施，保证铸件结构上的各部分按照距离冒口的远近，由远及近朝着冒口方向凝固，冒口本身最后凝固。铸件按照这一原则顺序凝固时，可使缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件。ⅠⅡⅢⅠⅡⅢ顺序凝固原则的优缺点：●优点：冒口补缩好，可防止缩孔、缩松。●缺点：铸件各部位温差大，易产生应力、变形和热裂；铸件出品率低。●适用合金：对凝固收缩大，凝固温度范围小的合金常采用此原则。如铸钢等。(2)同时凝固原则：同时凝固原则是采取各种工艺措施保证铸件结构上的各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。ⅠⅡⅢ同时凝固原则的优缺点：●优点：不易产生应力、变形和热裂；一般不加冒口或冒口很小，节约金属，铸件出品率高。●缺点：往往在铸件中心区或热节处产生缩松。●适用合金：体收缩小的合金，铸件壁厚均匀，气密性要求不高，变形、热裂倾向为主要矛盾的铸件；球墨铸铁的无冒口工艺。凝固原则与凝固方式的区别：●凝固原则：采取各种工艺措施使铸件结构上的各个部分的凝固顺序不同。●凝固方式：是铸件凝固某时刻某一断面上的凝固顺序不同。（3）采取的工艺措施●顺序凝固原则：——冒口位置：设置于铸件厚壁或热节处——冒口、冷铁、补贴的联合应用（铸钢件）——内浇口位置：从冒口处引入——浇注温度：高温慢浇●同时凝固原则：——内浇口位置：从铸件薄壁处引入——浇注温度：低温快浇——冷铁的应用：安放在铸件厚壁处——加压补缩§8-2气孔与夹杂一、气孔的分类及特征气孔：存在于液态金属中的气体，若凝固前气泡来不及排除，就会在金属内形成孔洞。这种因气体分子聚集而产生的孔洞称为气孔。气孔分类：金属中的气孔按气体来源不同可分为：析出性气孔、侵入性气孔和反应性气孔；按气体种类不同可分为氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔等。1．析出性气孔液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔。析出性气孔的特征：析出性气孔通常分布在铸件的整个断面或某一局部区域，尤其在冒口附近和热节等温度较高的区域分布比较密集。气孔形状有团球形、裂纹多角形、断续裂纹状或混合型。当金属含气量较少时，呈裂纹状；而含气量较多时，气孔较大，呈团球形。析出性气孔常发生在同一炉或同一包浇注的一批铸件中。2．侵入性气孔铸型和型芯等在液态金属高温作用下产生的气体，侵入金属内部所形成的气孔，称为侵入性气孔。侵入性气孔特征：数量较少、体积较大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出现在铸件表层或近表层。形状多呈梨形、椭圆形或圆形，梨尖一般指向气体侵入的方向。侵入的气体一般是水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氢、氮和碳氢化合物等。3．反应性气孔液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生的气孔，称为反应性气孔。反应性气孔特征：金属-铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下1～3mm处，通称为皮下气孔，其形状有球状和梨状，孔径约1～3mm。有些皮下气孔呈细长状，垂直于铸件表面，深度可达10mm左右。气孔内主要是H2、CO和N2等。液态金属内部合金元素之间或与非金属夹杂物发生化学反应产生的蜂窝状气孔，呈梨形或团球形均匀分布。碳钢焊缝内因冶金反应生成的CO气孔，则沿焊缝结晶方向呈条虫状分布。皮下气孔常出现在熔点较高的合金（铸钢、铸铁及铜合金）铸件中。二、气孔的危害气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅能减小金属的有效承载面积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低。三、防止气孔产生的措施1.防止析出性气孔的措施（1）消除气体来源（减少金属液原始含气量）（2）采用合理的工艺（提高铸件冷速，铸型（芯）排气畅通）（3）对液态金属进行除气处理（浮游、真空、氧化、冷凝去气）（4）阻止液态金属内气体的析出（加压铸造）2.防止侵入性气孔的措施（1）控制侵入气体的来源（减少砂型发气量）（2）控制砂型的透气性和紧实度（3）提高砂型和砂芯的排气能力3.防止反应性气孔（皮下气孔）的措施（1）采取烘干、除湿等措施，防止和减少气体进入液态金属。（2）严格控制合金中强氧化性元素的含量。（3）适当提高液态金属的浇注温度，降低凝固速度，尽量保证液态金属平稳进入铸型，减少液态金属的氧化。（4）浇注系统合理设计：如重庆大足汽车厂，湿型浇注铸钢件，使用溢流冒口，去除第一股冷钢水，减少FeO含量，铸钢件不产生皮下气孔。四、夹杂物的形成及防止措施1.夹杂物的来源及分类夹杂物：指金属内部或表面存在的和基本金属成分不同的物质。（1）夹杂物的来源它主要来源于原材料本身的杂质及金属在熔炼、浇注和凝固过程中与非金属元素或化合物发生反应而形成的产物。——原材料本身含有的夹杂物，如金属炉料表面的粘砂、氧化锈蚀、随同炉料一起进入熔炉的泥砂、焦炭中的灰分等，熔化后变为溶渣。——金属熔炼时，脱氧、脱硫、孕育和变质等处理过程，产生大量的MnO、SiO2、Al2O3等夹杂物。——液态金属与炉衬、浇包的耐火材料及溶渣接触时，会发生相互作用，产生大量的MnO、Al2O3等夹杂物。——在精炼后转包及浇注过程中，金属表面与空气接触形成的表面氧化膜，被卷入金属后形成氧化夹杂物。——在铸造和焊接过程中，金属与非金属元素发生化学反应而产生的各种夹杂物，如FeS、MnS等硫化物。（2）夹杂物的分类——按夹杂物化学成分，可分为：氧化物----FeO、MnO、SiO2、Al2O3硫化物----FeS、MnS、Cu2S硅酸盐----FeO.SiO2、Fe2SiO4、Mn2SiO4、——按夹杂物形成时间，可分为初生夹杂物、次生夹杂物和二次氧化夹杂物。初生夹杂物：是在金属熔炼及炉前处理过程中产生的。次生夹杂物：是在金属凝固过程中产生的。二次氧化夹杂物：而在浇注过程中因氧化而产生的夹杂物称为二次氧化夹杂物。——按夹杂物形状，可分为球形、多面体、不规则多角形、条状及薄板形、板形等。3.夹杂物的危害：夹杂物的存在破坏了金属本体的连续性，使金属的强度和塑性下降；尖角形夹杂物易引起应力集中，显著降低金属的冲击韧性和疲劳强度；易熔夹杂物（如钢铁中的FeS）分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂。夹杂物也能促进气孔的形成，它既能吸附气体，又是气核形成的良好衬底。在某些情况下，也可利用夹杂物改善金属的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。4.防止和减少夹杂物的措施（1）熔体精炼（熔剂精炼，气体精炼）（2）过滤法挡渣（浇注系统内加过滤网、过滤片等挡渣）（3）采用合理浇注温度及浇冒口系统，液流平稳充型，减少二次氧化夹杂（4）采取除气处理的措施（冷凝静置处理、浮游去气法、真空浇注等）§8-3应力、变形及裂纹1.应力及其分类在热加工过程中，工件因