第四讲凝固缺陷与控制

1、预备知识预备知识【1】应力】应力 在热加工过程中，工件因经历了加热和冷却过程，其尺寸和在热加工过程中，工件因经历了加热和冷却过程，其尺寸和形状将发生变化。如果这种变化受到了阻碍，就会在工件内产生形状将发生变化。如果这种变化受到了阻碍，就会在工件内产生应力，也称内应力。内应力自身平衡于物体内部。应力，也称内应力。内应力自身平衡于物体内部。 伴随加热和冷却过程而变化的应力称为伴随加热和冷却过程而变化的应力称为瞬时应力瞬时应力； 完全冷却后残存在工件中的应力称为完全冷却后残存在工件中的应力称为残余应力残余应力。 按其形成原因可分为： 热应力、相变应力和机械阻碍应力。热应力热应力 工件在加热和冷却过程

2、中，由于各部分的温度不同造成工件上同一时刻各部分的收缩或膨胀量不同，从而导致内部彼此相互制约而产生应力。 这种应力是由不均匀温度场引起的，故称为热应力。组织应力组织应力n 材料在固态相变时一般伴随有体积的变化，而不均匀加热或冷却可导致材料内部各部分相变不同步，在材料中产生内应力。n钢中奥氏体的比容（0.1220.125cm3/g）小于铁素体（0.127cm3/g）机械阻碍应力机械阻碍应力n前几种内应力：同一物体内部自拘束引起的内应力；n附加应力：外部拘束引起的物体与拘束件之间内应力；举例：举例：铸件冷却收缩时，铸型和型铸件冷却收缩时，铸型和型芯的退让性不够，铸件内产生拉应芯的退让性不够，铸件内

3、产生拉应力，可能在铸型消除前产生裂纹；力，可能在铸型消除前产生裂纹；内应力低于屈服强，拘束消除后附加应力也消除应力大于屈服强度，产生不可恢复的变形内应力大于强度极限，产生破坏连铸坯的缺陷有以下几种类型: (1)形状缺陷 (2)表面缺陷 (3)内部缺陷【2】铸坯缺陷】铸坯缺陷 (1)形状缺陷形状缺陷 1）脱方，又称菱变，即在铸坯横断面上两个对角线长度不相等； 2）鼓肚，是指带液芯的铸坯在浇注过程中，由于钢水静压力作用，铸坯中心高温坯壳鼓胀成为凸面； 3）尺寸偏差和弯曲度超标也属于形状缺陷的范畴。 (2)表面缺陷表面缺陷 1)面部纵裂：铸坯面部处，方向与铸坯轴心方向一致，分布不规则。 2)面部横裂

4、：与振痕共生位于振痕波谷处，也在面部的凹坑中心处产生。 3)角部纵裂：指距离角部棱边30mm以内及分布在角部棱边的纵向裂纹。 4)角部横裂：位于角部，也有的贯穿两个面。 5)星状裂纹：位于面部，主要是结晶器铜的剥落所致。 6)表面气孔：露出表面的气孔。细小的又可称为针孔，粗大的称为气孔。 7)表面夹渣：指在铸坯表面上随机分布的渣粒。 8)角部凹陷：位于铸坯角部棱边附近，大部分纵向分布。 9)面部凹陷：距离角部较远，有纵向和横向两种形式。 (3)内部缺陷内部缺陷 1)皮下裂纹：一般在铸坯边部细等轴晶与柱状晶交界处并沿柱状晶向内扩展，并与表面垂直。其主要原因有：结晶器变形、局部摩擦力过大、对弧不准

5、、结晶器及二冷区冷却不均、铸坯鼓肚等。 2)中间裂纹：指沿铸坯柱状晶出现并沿柱状晶扩展的裂纹。对水平连铸的连铸坯中间裂纹垂直于坯表面，下半部偏多。其主要原因：铸坯由于冷却不均，出二冷区后表面温度回升产生热应力，在拉坯和矫直时铸坯承受的机械应力过大。此外，柱状晶过于发达也使得中间裂纹出现的几率增多。 3)角部裂纹：在铸坯的角部，距表面有一定深度并与表面垂直，裂纹严重时沿对角线向内部扩展。主要原因是：铸坯在结晶器内、外冷却强度不当或冷却不均，造成连铸坯角部承受的应力超过钢的强度。 4)中心裂纹：指在铸坯中心出现的裂纹。主要原因是凝固末期铸坯心部钢液凝固收缩产生的应力、铸坯鼓肚、二冷制度不当、矫直应

6、力过大（或在钢的脆性区矫直）、浇注的钢水过热度偏高等，此外钢液气体含量高也易引起中心裂纹。 5)中心疏松和中心偏析： 6)皮下气泡：在铸坯表皮以下的沿柱状晶生长方向呈分散或成簇分布的细长或椭圆形气孔，它不与表面贯通。主要原因是钢水气体含量高、二次氧化严重、与钢水接触的辅助材料含水量过高等。 7)夹渣：指在铸坯表皮以下的非金属夹渣。隐藏在铸坯表皮以下至10mm以内的夹渣又称皮下夹渣。主要原因为中包液位过低造成旋涡将渣吸入结晶器后未能上浮、浇注中由于设备或操作原因引起的卷渣。 第一节第一节 气孔与夹杂气孔与夹杂一、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

7、形成孔洞。这种因气体分子聚集而产生的孔洞称为气孔。【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。气孔的分类及特征气孔的分类及特征1析出性气孔析出性气孔 液态金属在冷却凝固过程中，液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，因气体溶解度下降，析出的气体析出的气体来不及逸出而产生的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气孔称为析出性气孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔。孔。析出性气孔的特征：析出性气孔的特征：析出性气孔通常分布在铸件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的

8、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、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，呈团少时，呈裂纹状；而含气量较多时，气孔较大，呈团球形。球形。气孔的分类及特征气孔的分类及特征3反应性气孔反应性气孔 液态金属内部或液态金属与铸型之液态金属内部或液态金属与铸型之间发生冶金反应而产生的气孔，称为反应性气孔。间发生冶金反应而产生的气孔，称为反应性气孔。反应性气孔的特征：反应性气孔的特征：金属金属-铸型间反应性气

9、孔常分布铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下在铸件表面皮下13mm 处，通称为皮下气孔，其形处，通称为皮下气孔，其形状有球状和梨状，孔径约状有球状和梨状，孔径约13mm。有些皮下气孔呈细。有些皮下气孔呈细长状，垂直于铸件表面，深度可达长状，垂直于铸件表面，深度可达10mm 左右。气孔左右。气孔内主要是内主要是H2O和和CO 等。液态金属内部合金元素之间或等。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。梨形或团球形均匀分布。析出性气孔的形成机理析出性气孔的形成机理金属凝固时液相中气体溶质的再分配金属凝

10、固时液相中气体溶质的再分配 )exp(11 000LLDvxkkCC式中，式中，CL 是固是固-液界面前沿液相液界面前沿液相中中气体的浓度气体的浓度；C0 是凝固前金属是凝固前金属液中液中气体的浓度气体的浓度；k0 是气体溶质是气体溶质平衡分配系数；平衡分配系数；D 是是气体在金属气体在金属液中的扩散系数液中的扩散系数；R 是凝固速度；是凝固速度；x 是离液是离液-固界面处的距离。固界面处的距离。析出性气孔的形成机理析出性气孔的形成机理 即使液态金属中气体的原始浓度即使液态金属中气体的原始浓度C0 小于饱和浓度，由小于饱和浓度，由于金属凝固时存在溶质再分配，在某一时刻，固于金属凝固时存在溶质再

11、分配，在某一时刻，固-液界面液界面处液相中所富集的气体溶质浓度也会大于饱和浓度而析出处液相中所富集的气体溶质浓度也会大于饱和浓度而析出气体。气体。析出性气孔的形成机理为：析出性气孔的形成机理为： 结晶前沿，特别是枝晶间结晶前沿，特别是枝晶间的气体溶质聚集区中，气体浓度将超过其饱和浓度，被枝的气体溶质聚集区中，气体浓度将超过其饱和浓度，被枝晶封闭的液相内则具有更大的过饱和浓度和析出压力，而晶封闭的液相内则具有更大的过饱和浓度和析出压力，而液固界面处气体的浓度最高，并且存在其他溶质的偏析，液固界面处气体的浓度最高，并且存在其他溶质的偏析，易产生非金属夹杂物，当枝晶间产生收缩时该处极易析出易产生非金

12、属夹杂物，当枝晶间产生收缩时该处极易析出气泡，且气泡很难排除，从而保留下来形成气孔。气泡，且气泡很难排除，从而保留下来形成气孔。第二节第二节 缩孔与缩松缩孔与缩松1. 1.金属的收缩和铸件中缩松缩孔金属的收缩和铸件中缩松缩孔 1.11.1收缩的基本概念收缩的基本概念 1.21.2铸钢的收缩铸钢的收缩 1.31.3铸铁的收缩铸铁的收缩 1.41.4铸件中缩松及缩孔铸件中缩松及缩孔2.2.缩孔与缩松的形成机理缩孔与缩松的形成机理3.3.影响缩孔与缩松的因素及防止措施影响缩孔与缩松的因素及防止措施收缩的基本概念收缩的基本概念铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减小现象。铸件在液态、凝固态和固

13、态冷却过程中发生的体积减小现象。体收缩体收缩线收缩线收缩)(11001TTLLLT1T0T1T0)(11001TTVVV体收缩率体收缩率线收缩率线收缩率T1T0%100)(%10010010TTVVVVVT1T0%100)(%10010010TTLLLLL金属凝固时产生收缩的三个阶段金属凝固时产生收缩的三个阶段：液态收缩：液态收缩 ：凝固收缩：凝固收缩 ：固态收缩：固态收缩%100)(%100)(%100)(00TTTTTTSLLSVVLVV固固固固浇液液固凝固液VVVV铸钢的收缩铸钢的收缩也是由液态收缩、凝固收缩和固态收缩三部分组成。也是由液态收缩、凝固收缩和固态收缩三部分组成。：液态收缩：

14、液态收缩 ：碳含量碳含量W(C)每增每增1%，V液液 增加增加20% ； ：凝固收缩：凝固收缩 ：包括状态改变和温度降低；包括状态改变和温度降低； ：固态收缩：固态收缩：(1)珠光体转变前收缩珠光体转变前收缩(2 )共析转变期膨胀共析转变期膨胀(3 )珠光体转变后收缩珠光体转变后收缩BeforeBeforeAfterAfterV珠前珠前和和珠前；珠前； V 和和；V珠后珠后和和珠后珠后 ；铸钢的收缩铸钢的收缩总的固态收缩率为总的固态收缩率为珠后珠前固珠后珠前固线收缩体收缩VVVV碳钢总收缩率碳钢总收缩率)(珠后珠前凝液固凝液总VVVVV铸铁的收缩：液态收缩：液态收缩 ：碳含量增加，碳含量增加，

15、V液液 增加；增加； ：凝固收缩：凝固收缩 ：包括状态改变和温度降低两种因素引起；包括状态改变和温度降低两种因素引起； ：固态收缩：固态收缩： (1)最初收缩阶段最初收缩阶段初缩初缩； (2) 缩前膨胀缩前膨胀缩前缩前； (3)珠光体转变前收缩珠光体转变前收缩珠前珠前； (4 )共析转变膨胀共析转变膨胀共膨共膨； (5 )珠光体后收缩珠光体后收缩缩后缩后；珠后共膨珠前缩前初缩固VVVV铸件中的缩松及缩孔 铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和铸件在凝固过程中，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。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

16、。容积大而集中的孔洞称为缩孔。 缩孔常出现于缩孔常出现于纯金属、共纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围较晶成分合金和结晶温度范围较窄的铸造合金窄的铸造合金中，且多集中在中，且多集中在铸件的上部和最后凝固的部位。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浇口附近等凝固较晚或凝固缓慢的部位（慢的部位（称为热节称为热节），也常），也常出现缩孔。缩孔尺寸较大，形出现缩孔。缩孔尺寸较大，形状不规则，表面不光滑状不规则，表面不光滑。 铸件中的缩松及缩孔形成机理铸件中的缩松及缩孔形成机理 铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和铸件在凝固过程中，由

17、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。凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞。细小而分散的孔洞称为缩松。细小而分散的孔洞称为缩松。缩松多出现于结晶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。 凝固终了对合面部位的疏松凝固终了对合面部位的疏松Al-10%Cu 合金凝固枝晶间的疏松合金凝固枝晶间的疏松铸件中缩松及缩孔的危害铸件中缩松及缩孔的危害 铸件中存在的任何形态的缩孔和缩松，都铸件中存在的任何形态的缩孔和缩松，都会减

18、小铸件的受力面积，在缩孔和缩松的尖角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。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此外，缩孔和缩松还会降低铸件的气密性和物理化学性能，必须采取有效措施予以防止。理化学性能，必须采取有效措施予以防止。 而而合金凝固合金凝固( (结晶结晶) )温度区间温度区间的大小对铸件的大小对铸件中产生缩松中产生缩松或或缩孔有重要的影响，其原因是合缩孔有重要的影响，其原因是合金凝固金凝固( (结晶结晶) )温度区间的大小对温度区间的大小对合金的凝固方合金的凝固方式有重要影响式有重要影响，凝固方式

19、的不同导致缩孔或缩，凝固方式的不同导致缩孔或缩松的产生。松的产生。 在连铸过程中，凝固收缩发生在两相区内。在铸坯中心开始凝固之前，两相区始终与液芯连接，两相区的凝固收缩和钢液本身的收缩可以得到液芯的补充。而液面通过控制拉速和中间包水口开启程度始终保持稳定。 因此，与钢锭不同，连铸坯一般不会一般不会出现大的集中缩孔。但是，在沿中心的纵向剖面和铸坯横断面上，可以看到，连铸坯的中心部位往往存在一些不连续的小缩孔，并且在缩孔周围分布着一些疏松。 （1）在连铸过程中，弯月面下始终存在着一个液芯，液芯内钢液温度高于液相线温度，这一液芯与四周正在凝固的两相区相连。由于连铸冷却强度大，两相区较窄，两相区内的凝

20、固收缩绝大部分能够得到补缩（柱状晶根部除外）。在钢水静压力和注流的作用下，液体收缩和凝固收缩都能得到上面钢液的补充。（2）随着铸坯凝固的进行，坯壳厚度逐渐增加，处于凝固前沿的两相区不断向铸坯中心推移。与此同时，液芯内的钢液温度也随着离开弯月面距离的增加而逐渐降低。当液芯内钢液的过热度消失后，铸坯中心完全处于两相区内。（3）在钢的凝固过程中，晶粒以树枝晶方式生长。随着两相区内固相率的增加，来自各个方向的各枝晶逐渐连接在一起，阻碍了钢液的流动。与此同时，铸坯在一直向前运动，两相区中固相率增加的同时，两相区离开液芯的距离也在逐渐加大。铸坯中心两相区内的固相率达到某一值后（0.40.6），枝晶发展成为

21、密实的网络结构枝晶发展成为密实的网络结构，阻止了钢液在枝晶间的流动。即使上面钢液存在很大的静压力（弧形和立式等连铸机），钢液也无法穿透长距离的枝晶网络。整个未完全凝固的中心区域，在随后的凝固中产生的凝固收缩无法得到任何补充。在铸坯完全凝固后，许多无法补缩的小空洞在中心区域形成疏松疏松。（4）连铸的冷却方式形成铸坯内的定向传热，在某些情况下可能导致柱状晶过度发展，并且柱状晶不生长也不一致。当某处的柱状晶提前与其它方向的柱状晶相接形成搭桥，提前阻挡了液芯对桥下的补缩。在两个搭桥处之间，中心处的凝固形式与钢锭的凝固过程相似，在桥的下方形成了缩孔缩孔。因此，铸坯的这种中心结构也称为“小钢锭结构”） 钢种凝固收缩行为和两相区的宽度决定着铸坯的缩孔和疏松的程度。两相区宽两相区宽，铸坯中心过热度消失时，未凝固的区域面积大，致使总的凝固收缩量大，缩孔和疏松严重；钢种的凝固收缩大，空洞产生几率大。 影响疏松和缩孔的具体工艺因素如下：（1）钢种：C由0.05 增加到0.80时，中心缩孔和疏松愈加严重。钢的凝固区间（结晶温度范围）由20扩大到90，在相同的冷却条件下，两相区宽度随着C的提高而增加。同时凝固收缩率也由2提高