1、机械设计基础机械设计基础主讲：宋绍华主讲：宋绍华 铸锭质量直接影响到其后被加工成各种材料（板、带、管、铸锭质量直接影响到其后被加工成各种材料（板、带、管、棒、型、线、锻件等）的质量。据统计轻合金材料生产中，有棒、型、线、锻件等）的质量。据统计轻合金材料生产中，有6070%的废品是因铸锭质量不良造成的。可以说，铸锭的各种的废品是因铸锭质量不良造成的。可以说，铸锭的各种缺陷往往造成了加工车间各种不合格制品的缺陷往往造成了加工车间各种不合格制品的“先天不足先天不足”，而某，而某些缺陷（如裂纹），显然在进入压力加工前就成了废品。因此，些缺陷（如裂纹），显然在进入压力加工前就成了废品。因此，如何识别、分
2、析铸锭缺陷的产生原因，找出防止或消除这些缺如何识别、分析铸锭缺陷的产生原因，找出防止或消除这些缺陷的措施，对提高铸锭和半制品的质量，提高整个生产过程的陷的措施，对提高铸锭和半制品的质量，提高整个生产过程的成品率，意义十分重大。成品率，意义十分重大。铸锭生产中常见的缺陷很多，如裂纹、气孔、疏松、夹渣、铸锭生产中常见的缺陷很多，如裂纹、气孔、疏松、夹渣、偏析等等。产生这些缺陷的原因很多，归根结底主要是由偏析等等。产生这些缺陷的原因很多，归根结底主要是由合金的合金的本性本性，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。从从本质上本质上讲，缺陷是铸造过程中由
3、于讲，缺陷是铸造过程中由于温度变化温度变化而引起的而引起的相变相变、体积变化体积变化和和溶解度变化溶解度变化的直接和间接结果。在生产实际中，某种的直接和间接结果。在生产实际中，某种缺陷的出现，其情况往往比较复杂，必须抓住主要的方面进行分缺陷的出现，其情况往往比较复杂，必须抓住主要的方面进行分析，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。(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
4、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、吸气性吸气性等等凡是提高铸锭断面温度梯度的措施凡是提高铸锭断面温度梯度的措施，如铁模铸锭时，提高浇，如铁模铸锭时，提高浇注温度和浇注速度，注温度和浇注速度，均有利于集中缩孔的形成均有利于集中缩孔的形成；反之，降低浇注；反之，降低浇注温度和浇注速度，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
5、松的形成。基本途径基本途径：根据合金的体收缩特性、结晶温度范围大小及铸锭尺：根据合金的体收缩特性、结晶温度范围大小及铸锭尺寸等，寸等，制定正确的铸锭工艺制定正确的铸锭工艺，在保证铸锭自下而上顺序凝固条件下，在保证铸锭自下而上顺序凝固条件下，尽可能使分散缩孔或缩松转化为铸锭头部的集中缩孔尽可能使分散缩孔或缩松转化为铸锭头部的集中缩孔，然后通过，然后通过人工人工补缩补缩来消除。来消除。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。模及加补缩冒口；加保温帽加强补缩；提高浇温、降低浇
6、速。连铸连铸易形成缩松的大型铸锭易形成缩松的大型铸锭时，先时，先去气去渣精炼去气去渣精炼，使熔体中含气，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，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，加强降低浇速，加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。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。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
7、。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。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。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金在线收缩开始温度至非平衡固相点间的有效非平衡固相点间的有效结晶温度
8、范围，强度和结晶温度范围，强度和塑性极低，故在铸造应塑性极低，故在铸造应力作用下易于热裂。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。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
9、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。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。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大多数铝合金都有一个与成分相对应的大多数铝合金
10、都有一个与成分相对应的脆性区脆性区，在此温度范围，在此温度范围内，内，合金处于固液状态，强度和塑性都较低合金处于固液状态，强度和塑性都较低，所以脆性区温度范围，所以脆性区温度范围大，合金热裂倾向大。大，合金热裂倾向大。脆性区温度范围取决于脆性区温度范围取决于合金的性质合金的性质，此外与，此外与浇注工艺浇注工艺有很大关有很大关系。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。增大铸锭的热裂倾向。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，
11、降低脆性区下限温度。铸锭结构不同，铸锭中铸锭结构不同，铸锭中热应力分布状况也不同。大型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铸锭比小型铸锭更容易产生热裂。圆锭多中心裂纹、环状和裂。圆锭多中心裂纹、环状和放射状裂纹，扁锭最易产生侧放射状裂纹，扁锭最易产生侧裂纹、底裂纹和浇口裂纹。裂纹、底裂纹和浇口裂纹。冷裂是铸锭冷却到温度较低的弹性状态时，因铸锭内外温差大、铸冷裂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。合金的导热性和塑性直接影响冷裂纹倾向（合金成
12、分），此外，非合金的导热性和塑性直接影响冷裂纹倾向（合金成分），此外，非金属夹杂物、晶粒粗大也会促进冷裂。热裂纹的尖端是应力集中处，在金属夹杂物、晶粒粗大也会促进冷裂。热裂纹的尖端是应力集中处，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。一切能提高合金在凝固区或脆性区的塑性和强度，减少非平衡共一切能提高合金在凝固区或脆性区的塑性和强度，减少非平衡共晶或改善其分布状况，细化晶粒，降低温度梯度等因素，皆利于防止晶或改善其分布状况，细化晶粒，降低温度梯度等因素，皆利于防止铸锭热裂和冷裂。铸锭热裂和冷裂。合理控制成分
13、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。工艺工艺：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：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。纹。变质处理变质处理：加入变质剂，细化晶粒，同时细化合金中的粗大第二相，：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。可以降低铸锭产生裂纹的倾向。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。对力学性能的影响对力学性能的影响：
14、气孔减少了铸锭的：气孔减少了铸锭的有效截面有效截面，当气孔，当气孔有尖角时，会引起有尖角时，会引起应力集中应力集中。因而，显著降低铸锭的力学性。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。合金力学性能的影响最大。对铸造性能的影响对铸造性能的影响：铸锭在铸造过程中产生的气孔会显著：铸锭在铸造过程中产生的气孔会显著增加铸锭的增加铸锭的热裂热裂倾向。此外，气孔的出现会阻碍金属液的补倾向。此外，气孔的出现会阻碍金属液的补缩，造成晶间缩，造成晶间疏松疏松。气孔一般是气孔一般是圆形的，表面较光滑圆
15、形的，表面较光滑，据此可与缩孔及缩松相区别。加，据此可与缩孔及缩松相区别。加工时气孔可被压缩，但工时气孔可被压缩，但难以压合难以压合，常常在热加工和热处理过程中产生起，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。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根据气孔在铸锭中出现的位置位置，可将其分为，可将其分为表面气孔表面气孔、皮下气孔皮下气孔和和内部气孔内部气孔三类。三类。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）析出型气孔）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：在
16、凝固速度大或有枝晶阻拦时，形成的气泡来不及上浮逸出，便留在铸锭内成为气孔。及上浮逸出，便留在铸锭内成为气孔。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，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。气体将呈固溶状态存在于铸锭中。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
17、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）反应型气孔反应型气孔：金属凝固过程中，与模壁表面：金属凝固过程中，与模壁表面水分水分、涂料涂料及及润滑润滑剂剂之间或之间或金属液内部金属液内部发生化学反应发生化学反应，产生的气体形成气泡后，来不及上，产生的气体形成气泡后，来不及上浮逸出而形成的气孔。浮逸出而形成的气孔。高温下金属与水蒸气反应产生的氢气。润滑油燃烧产生的气体。二高温下金属与水蒸气反应产生的氢气。润滑油燃烧产生的气体。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。防止方法防止方法：注意干燥，供流均匀，适当减小结晶
18、器喷水角以免水气：注意干燥，供流均匀，适当减小结晶器喷水角以免水气侵入，模壁经常清理。侵入，模壁经常清理。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
19、化镁等。氧化镁等。防止办法防止办法：消除铸锭夹渣和减小氧化膜污染的最有效的办法是让金属：消除铸锭夹渣和减小氧化膜污染的最有效的办法是让金属在进入铸造前进行在进入铸造前进行过滤过滤，如用耐热玻璃丝网，或刚玉砂微孔管，或，如用耐热玻璃丝网，或刚玉砂微孔管，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。建立良好的转注条件，设法减少液体金属的冲击、翻滚、让液流在建立良好的转注条件，设法减少液体金属的冲击、翻滚、让液流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。测试题测试题
