铸锭缺陷分析.docx

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铸锭缺陷分析

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铸锭缺陷分析

一．铸锭结晶组织

1.金属与合金在凝固后均为晶体，把液态金属的凝固过程称为结晶。

纯金属的结晶过程是在一个恒定温度即结晶点下进行的，冷却强度较大时，实际结晶过渡带亦小，由于并列向前伸长有的晶核在相邻方向上互相抑制，因此，晶体容易沿着垂直于结晶面的方向连续地向液穴中心伸长成为柱状。

柱状晶的特点是伸长和排列都有一定的方向性。

合金与纯金属的结晶过程基本相同，也是从晶核开始，先形成树枝状然后发育成等轴晶或柱状晶，合金在一定的温度范围内结晶，当温度一降到这个温度范围时，溶体的任一点都可能产生晶核，在冷却强度不太大时，结晶温度范围大的合金其晶体都易发展成晶轴大小及长短基本相等或相近的等轴晶。

2.铸锭的结晶组织：

由于铸锭结晶时沿整个截面上存在温度梯度，结晶条件不同，其结晶组织也不同，铸锭一般包括三个晶区：

①细晶区：

当液态浇入锭模后，由于模壁或结晶器温度较低，使表面层的液态金属受到强烈激冷，立即产生大量晶核，因不能充分长大又很快彼此相遇，加之模壁又能促进形核，所以在铸锭表层形成细晶区。

②柱状晶区：

在细晶区形成过程中，模壁温度不断升高，加之锭的收缩，使金属和模壁之间产生一导热性较低的空隙，使剩余液态金属的冷却逐渐减慢，使细晶区前沿的液态金属的过冷度减小，形核困难，而原有晶粒则可继续长大，这时最外层的细小晶粒，一方面成为内部金属冷凝时向外散热的传导体，另一方面又成为柱状晶生长的起点，随着越向锭内，结晶速度愈低，那些晶轴垂直于模壁的晶粒就会毫无阻碍地继续向液态金属中长大，形成柱状晶区。

对纯度较高的金属如纯铜，结晶后柱状晶往往贯穿整个铸锭，形成“穿晶”③等轴晶区：

随着柱状晶区的发展，模壁温度逐渐升高，使模壁方向方向的散热速度逐渐变慢，由于铸锭中心附近冷却强度小，产生的晶核数量亦少，并有充分机会向各个方向长大，因此铸锭中习部分形成了等式轴晶区，又因中心附近的液态金属冷却速度较慢，过冷度较小，因此铸锭中心附近的结晶组织多呈粗大等式轴晶。

这三个晶区在实际生产的铸锭中，并不是同时都存在的。

由于浇铸条件，特别是冷却条件的不同，有时细晶区很薄或几乎没有，有时柱状晶布满全锭，也有时等轴晶区很大，半连铸和铁模铸锭的结晶组织结构就不同。

半连续浇铸冷却强度大，结晶速度快，结晶的方向性强，所以半连续铸锭的柱状晶区比较发达为，而铁模浇铸则正好相反，冷却强度小，结晶速度慢，所以铁模铸锭中心附近的粗大等轴晶区比较发达。

一般来说，半连续铸锭的平均晶粒尺寸要比铁模铸锭细小。

3.

4.的温度梯度增大，推迟铸锭中心部分的液态金属的结晶时间，使柱状晶区得以扩展，提高锭模的冷却能力和定向散热以增大铸锭中液态金属的温度梯度，利于柱状晶的发展，让液态金属在锭模中静止冷却，也利于柱状晶区厚度的成长。

（为发展等轴晶区，可降低液态金属的过冷度，减慢冷却速度，均匀散热，降低浇铸温度，进行变质处理及附加振动搅拌等。

）

二．气孔

气孔是存在于铸锭内的气体空穴，多呈圆形或椭圆形，内表面光滑多不被氧化，因此可与疏松、缩孔相区别。

铸锭中的气体在压力加工时虽能被压缩，但不能被压合，常在加工、热处理后，引起起皮、起泡等缺陷。

形成气孔的气体是金属在熔炼或浇铸过程中从外界吸收的气体，其主要来源有三：

原料有油有水带来的气体、从炉气中吸收的气体、浇铸过程中吸收的气体。

气体进入金属后大致以三种形式存在：

①机械地混合于液体金属中，在凝固时来不及从铸锭中放出就以各种大水的气孔形式存在于晶粒之间②与金属或金属内其它元素结合成各种化合物－－固体的或液体的，固体的可进入渣滓，而液体的往往以气孔形式存在于凝固后的晶间。

③以原子状态溶解于金属液中，在凝固时，少部分仍溶于固体，大部分由固体中析出，形成气孔。

其中以第三种形式存在的气孔最稳定，也最危险。

从金属中放出气体并形成气泡的条件主要和压力与气体溶解度间的变化有关。

气体在金属溶体中的溶解度随温度降低而减小，溶体中的气体又大部分在接近凝固时析出，而这时由于温度低，溶体粘度大，气泡很难上浮至液面排出，因此，溶体含气量高，铸锭就容易产生气孔。

铸锭常出现的气孔有三种：

皮下气孔、表面气孔、内部气孔。

铁模易产生表面气孔，连续铸锭时易产生皮下气孔。

QSi3－1、B30及NCu28－2.5－1.5等合金产生的皮下气孔常布满整个铸锭断面，HPb59－1、BZn15－20等合金易出现沿柱状晶面分布的长条形皮下气孔，多离锭表面20~30mm而又不与表皮连通。

QCd1.0等合金的皮下气孔多与表面缺陷相联，紧挨锭表皮5~10mm。

1.皮下气孔

产生原因：

①模子内表面预热不好、龟裂较多、涂料选择不当、刷得太厚或不匀②润滑油含水分或给油量过大③一次冷却强度过大，铸锭表层凝壳形成早，致使冷凝过程中析出的气体来不及逸出④水冷模或结晶器内套漏水或渗水⑤浇铸速度过快，涂料来不及挥发⑥水压过大或二次冷却水射角大以及铸锭表面不光，致使冷却水钻到铸锭表面与结晶器壁之间的空隙中去，水分蒸发后突破铸锭凝壳并进入皮下的半凝固体层形成皮下气孔。

防止办法：

①保证模壁内表面光洁，严格控制模温，涂料要选择合理，涂刷均匀，②保证润滑油不含水分，严格控制油量③适当减低一次冷却强度④保证水冷模或结晶器内套光洁、不漏水、不渗水⑤认真控制水压及减慢浇铸速度。

2.表面气孔（包括底部气孔）

产生原因：

①锭模表面的水分、涂料或润滑油、铁锈等金属相互作用产生气体存留在熔体使局部界面上的气压增大，锭模表面的油或水受热挥发和膨胀，也可产生很高的压力并在模壁形成气泡，迫使金属或刚形成的凝壳表面变形而成为表面气孔，②托座或底垫潮湿，中间包未预热，则将易产生底部气孔，向上逐渐减少③浇铸时间过长，炉内溶体发生二次氧化或吸气易造成浇口端气孔，向下逐渐减少。

3.内部气孔

产生原因：

①原辅材料中含气量高，如炉料有油、水、铜豆、乳液等或工具、新开炉炉衬干燥不彻底②装料顺序不正确，脱氧、除气精炼不彻底③覆盖剂或溶剂潮湿，覆盖不严④熔炼或保温时间过长⑤冷却强度大，浇铸温度高或坩埚、浇管埋入液面下太深等

三．缩孔与疏松

当金属或合金由液态变为固态时，由于发生体积收缩而在最后凝固的地方出现的孔洞称为缩孔。

分三种：

一是尺寸较大集中缩孔，其内表面往往参差不齐，似锯齿状，多产生在铸锭头部、中部及最后凝固的地方，二是分布在晶界和枝晶间的分散性小缩孔，常称为疏松或缩松，三是肉眼分辨不清的缩孔称为显微疏松。

1.缩孔：

熔体与模壁因冷却凝成一锭厚度的凝壳，由于内部熔体在温降过程中发生体积收缩，所以使熔体水平面下降，继续冷却生成第二层凝壳后，剩余熔体继续降温并发生体积收缩，熔体水平面又一次下降，这样往复循环，一直到铸锭冷凝结束，就会在最后凝固的地方形成一个倒锥形的缩孔。

半连续浇铸较之铁模具有较强的自下而上的方向性结晶，且液穴中始终有高温熔体补充工艺条件稳定，铸锭内部不易出现缩孔，因浇铸速度快产生缩孔常断续延续整个铸锭。

在半连铸时，采用短结晶器或降低结晶器内金属液面，适当提高浇铸温度、降低浇铸速度，加强二次水冷，适时补口等都可减少缩孔。

2.疏松：

与缩孔区别是缩孔是一种尺寸较大的集中收缩孔，多集中分布在铸锭最后凝固的地方，且洞穴较大，疏松是一种微小的分散缩孔，多分散地分布在晶粒之间，且洞穴较小。

疏松与缩孔形成原因和过程基本相同，当合金的凝固温度范围大、实际的结晶过渡带也较大时，合金锭易形成分散性疏松，如锡磷青铜，而凝固温度范围小，实际的结晶过渡带也较小的合金易形成集中缩孔如HPb59－1、铝青铜等。

用连续或半连续浇铸法生产，由于液穴较浅、过渡带较小，就可避免疏松缺陷的产生。

四．裂纹

产生裂纹的原因：

物质的内在原因，即金属或合金本身的物理性质，决定了铸锭抵抗裂纹产生的能力，其次是外界条件如浇铸温度、浇铸速度、冷却强度以及铸模或结晶器的情况因素也能促使或抑止裂纹的出现，而外界条件又与金属及合金的性质密切相关。

铸锭在凝固和冷却过程中要产生浇铸应力即收缩应力、机械应力和相变应力。

收缩应力——铸锭在冷凝过程中，冷得快的外层因收缩量大，被冷得慢的收缩量小的内层阻碍收缩而受拉应力，反之温度高冷得慢的内层则受压应力。

直接水冷半连续浇铸与铁模、水冷模浇铸相比，由于冷却强度大所以内外温差大，收缩应力也大。

机械应力——是在金属转入弹性状态后，收缩受到外界的机械阻碍而产生的，这种机械阻碍作用一般是由以下原因引起：

铸模或结晶器变形、表面裂纹、粗糙或凸凹不平，铸锭表面有缺陷，浇铸机下降不平稳，浇铸速度过快等。

相变应力——由金属相变时体积改变并相互阻碍而造成。

它和收缩应力一样，也受温度梯度的制约。

浇铸中常见的裂纹有两种：

一种产生于金属由液太到固态的凝固过程称热裂，其特征多沿晶界裂开，裂纹曲折而不规则，有时还有分枝裂纹，裂纹多分布在铸锭最后凝固的区域或靠近这些区域，铜镍合金铸锭的热裂表面常被氧化而变色。

另一种产生于凝固后的冷却过程称冷裂，其特征多产生于温度较低的弹性状态下，裂纹呈直线状，常穿过晶粒内部，一般都比较大，有时可使铸锭碎成数块或劈裂。

热裂或冷裂往往可以同时存在或互相有关，热裂可为冷裂的先导，产生冷裂的原因同样可促使热裂的发展。

影响热裂纹的因素：

金属或合金的性质（热脆性、凝固线收缩率、固液区内的抗拉强度及伸长率、杂质含量及分布情况等），浇铸工艺及设备、工具情况，冷却强度等。

1.表面纵向裂纹：

产生原因：

①或合金有热脆性，如锡磷青铜、紫铜、QAl10－4－4等容易出现。

②冷却强度不均，如结晶器水眼堵塞处冷却强度减弱，引起不均匀收缩产生拉应力，若浇铸温度高，浇速快，就会使铸锭出结晶器下口时的局部高温表面长时间处于低强度低塑性状态，当抵抗不了所产生的拉应力时，就会出现裂纹，随着铸锭与结晶器的相对运动，裂纹沿铸锭移动方向延伸，便形成纵向裂纹，③锭模或结晶器内套变形④使用结晶器较长或结晶器内金属液面高。

2.表面横向裂纹：

产生原因：

①合金的高温强度差，冷却不均匀，结晶器或锭模、石墨套内表面粗糙或粘有金属，安装不正或内壁变形、润滑不良增大摩擦等②锭模卡子不紧或内壁有裂纹③铸锭表面不光④水平连铸时停拉时间不合理，⑤浇铸温度低，浇铸速度快等。

3.中心裂纹：

中心裂纹的产生主要与铸锭内部的应力及强度有关即与铸锭凝固时的收缩量及表面与内部的温差有关，在铸锭的化学成分及断面尺寸一定时，应力主要与铸锭表面及内部的温差，从而增大铸锭内部应力。

铸锭中心部分的强度与铸锭化学成分、结晶组织有关。

①化学成分决定合金的组织、性能，如果合金的性质能够抵抗外界条件的影响，仍可避免产生内裂。

（如H62国标允许杂质含铅不大于0.08%但实质上其含量超过0.04%就引起内裂，所以应制订内控标准。

）②半连铸时，结晶器的高度决定了一次冷却及二次冷却的作用，如用较高的结晶器，弛缓了激冷程度较大的二次冷却作用就能减少内裂，也可通过降低浇铸温度和浇铸速度，均匀冷却等避免内裂的产生。

③铸锭中心裂纹的产生主要从液穴的底部开始----即在固相温度下的几度就开始，浇铸速度愈快，则锭内的冷却结晶速度也愈快，但铸锭下壳的冷却速度却与浇铸速度无关。

即如果延缓铸锭外部的冷却，使内部冷却速度放慢，既便加快浇铸速度也可延缓内外的不均匀收缩程度，从而减少内裂机会。

因此，如将二次冷却延缓到铸锭液穴冶底部以下的一定距离即采用：

“红锭铸造法”则可大大减少金属内心固相线附近强烈的收缩作用，避免内裂产生。

4.晶间裂纹：

在合金的凝固过程中，熔点较高的组织往往先结晶，形成一种树枝结晶的骨架，称为初晶，初晶又逐渐形成晶粒外形，岂不是将未凝固的、熔点较低的第二相组织遗留于晶粒边界。

这个晶间层不仅熔点低，且具有脆性，当晶面的应力大于其强度时，则沿晶粒边界开列称晶间裂纹。

它非常细密，常错助放大镜才能看到。

晶间裂纹继续发展则形成中心裂纹，避免方法基本同中心裂纹。

5.劈裂：

是一种综合性裂纹，铸锭产生的中心裂纹属热裂，但从结晶瞬间到铸锭完全冷却过程中，铸锭中心沿直径平面的拉应力不断增加，也可发展成为一种冷裂纹，发展又可引起沿径向纵断面发生全面破裂，