铸造缺陷机理与预防

22/25铸造缺陷机理与预防第一部分成分偏析形成机理 2第二部分气体夹杂产生原因 4第三部分浇注系统设计缺陷 7第四部分凝固过程缺陷形成 11第五部分砂型缺陷与预防措施 13第六部分金属液夹杂影响 17第七部分脱模误差与处理方法 20第八部分热处理缺陷避免 22

第一部分成分偏析形成机理关键词关键要点【成分偏析形成机理】

1.液相偏析：熔融金属凝固过程中，不同成分的元素随固相生长而分布不均匀，导致液体中心部位成分富集。

2.固相偏析：固态晶粒形成后，晶界处成分浓度较高，晶粒内部浓度较低。

3.扩散偏析：由于不同元素的扩散系数不同，在凝固过程中，扩散率高的元素优先向晶粒外部扩散，导致成分不均匀。

【凝固速度对偏析的影响】

成分偏析形成机理

成分偏析是指铸件中各元素分布不均匀的现象，是铸件质量缺陷的主要来源之一。成分偏析的形成主要有以下几种机理：

1.熔池中成分的凝固偏析

当熔池冷却凝固时，先凝固的部分会富集不易凝固的成分，而熔池中剩余的液体部分则会富集易凝固的成分。这种现象称为凝固偏析。

凝固偏析的程度与凝固速度有关。凝固速度越快，偏析越明显。这是因为凝固速度快时，溶质原子来不及扩散到熔池中，导致在固-液界面附近形成浓度梯度。

2.液相偏析

液相偏析是指铸件凝固后，在固态基体中残留的液体部分与基体成分不同的现象。液相偏析通常发生在凝固范围较宽的合金中。

液相偏析的程度与凝固范围和熔池冷却速度有关。凝固范围越大，液상偏析越严重。熔池冷却速度越快，液상偏析也越严重。

3.固相偏析

固相偏析是指铸件在固态下重新加热或冷却时，合金成分发生局部浓度变化的现象。固相偏析通常发生在具有固溶体转变或析出硬化的合金中。

固相偏析的程度与加热或冷却速度、变温温度和合金成分有关。加热或冷却速度越快，偏析越明显。变温温度越接近相变温度，偏析也越明显。合金成分中偏析元素的含量越多，偏析也越严重。

成分偏析的预防措施

为了预防和减少成分偏析，可以采取以下措施：

1.控制熔池的冷却速度

控制熔池的冷却速度是减少凝固偏析和液상偏析的关键。通常可以通过以下方法控制冷却速度：

*使用合适的浇注系统，确保熔池均匀冷却。

*在模具中设置冷铁或水冷通道，加速熔池冷却。

*使用变温处理工艺，在铸件凝固过程中进行适当的保温或加热。

2.优化凝固范围

优化凝固范围可以减少液相偏析。可以通过以下方法优化凝固范围：

*使用合适的外加元素，缩小凝固范围。

*控制浇注温度，避免形成过冷液相。

*采用特殊凝固工艺，如定向凝固或半固态成形。

3.控制固相转变过程

控制固相转变过程可以减少固相偏析。可以通过以下方法控制固相转变过程：

*采用合适的热处理工艺，控制加热或冷却速度。

*选择合适的变温温度，避免在相变温度附近长时间停留。

*在合金中添加适当的元素，稳定固溶体或抑制析出。

4.其他措施

除了上述措施外，还可以采取以下措施预防成分偏析：

*使用纯度较高的原材料。

*精确控制浇注温度和变温工艺参数。

*加强熔池搅拌，促进成分均匀化。

*采用特殊浇注工艺，如真空浇注或低压浇注。第二部分气体夹杂产生原因关键词关键要点气体吸入

1.金属液与大气或其他含气体环境接触时，气体被吸入金属液中。

2.吸入的气体常为氮气、氢气、氧气，其溶解度随金属的不同而异。

3.气体吸入量受温度、压力、金属液粘度等因素影响。

气体析出

1.当金属液凝固过程中，溶解的气体因溶解度降低而析出，形成气泡。

2.气泡尺寸、分布、形态受气体种类、析出温度、金属液流动性影响。

3.气泡析出可导致铸件出现气孔、气泡夹杂等缺陷。

气体反应

1.金属液中的气体与其他元素发生反应，生成不溶性气体或化合物。

2.例如，铝合金中的氢气与水蒸气反应生成氢氧化铝，形成夹杂。

3.气体反应可影响铸件性能和质量，如降低强度、增加脆性。

铸型气体

1.铸型材料中预存的气体在浇注过程中进入金属液，导致气孔缺陷。

2.铸型材料的透气性、吸水率、热稳定性影响铸型气体的释放量。

3.优化铸型材料设计和工艺参数可减少铸型气体对铸件质量的影响。

冒口设计

1.冒口是浇注系统中专门用于收集气体的部位，通过凝固收缩和气体上浮，聚集气泡。

2.冒口设计应满足气体顺利上升、收缩后凝固的条件。

3.冒口形状、尺寸、位置需根据铸件几何形状和凝固特性进行计算和优化。

熔炼工艺

1.熔炼工艺中的某些操作，如氧化、还原、合金化等，可影响金属液中的气体含量。

2.控制熔炼气氛、避免气体污染，选择合适的合金化元素和工艺参数，可减少气体夹杂。

3.熔炼工艺优化和质量控制是预防气体缺陷的关键措施。气体夹杂产生原因

气体夹杂是铸件中常见的缺陷，严重影响铸件的力学性能、尺寸精度和表面光洁度。其产生原因主要有以下几个方面：

1.金属熔液中溶解气体析出

金属熔液在高温下溶解大量的各种气体，如氢、氮、氧等。当熔液冷却凝固时，溶解度降低，气体析出形成气泡。

2.外界气体混入熔液

气体通过熔液表面或浇注系统混入熔液中，如空气、水蒸气、分解产物等。

3.模具材料分解释放气体

砂型、壳型等铸造模具在高温下分解释放出气体，如二氧化碳、水蒸气等。

气体夹杂形成的具体原因如下：

1.氢气夹杂

主要来自熔液中的水分、有机物、氢化物等。熔液中的水分在高温下分解，释放出氢气；铸件凝固时，氢气析出形成气泡。

2.氮气夹杂

主要来自空气中的氮气、熔融炉中的分解产物、添加剂等。氮气在熔液中溶解度较低，当熔液冷却时，氮气析出形成气孔。

3.氧气夹杂

主要来自熔液表面与空气接触、浇注系统中水分与熔液反应、氧化铁皮等。氧气在熔液中溶解度低，容易析出形成气孔。

4.其他气体夹杂

如一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等气体，可来自模具材料分解、熔剂挥发、熔炼工艺等。

影响气体夹杂产生的因素

气体夹杂的产生受到以下因素的影响：

1.熔液成分和温度

熔液中气体的溶解度与其成分和温度密切相关。气体溶解度随温度升高而降低。

2.浇注工艺

浇注速度、浇注方式等工艺参数会影响气体混入熔液的程度。

3.模具材料

模具材料的透气性、分解温度等特性影响气体释放量。

4.熔炼工艺

熔炼工艺中的脱气、保温、净化等措施影响熔液中气体含量。

5.熔剂使用

熔剂可以吸附或释放气体，影响熔液中气体含量。

6.环境因素

空气湿度、大气压力等环境因素也会影响气体夹杂的产生。第三部分浇注系统设计缺陷关键词关键要点浇注系统设计缺陷

浇注系统设计缺陷会导致铸件成形过程中金属液充满不足，产生诸如未浇注、浇不足、夹渣或气孔等缺陷。

*浇口位置设计不当

1.浇口位置不正确，会导致金属液流速分布不均，产生浇不足或偏析。

2.浇口尺寸过小或方向不正确，会导致金属液流速过低或阻力过大，产生未浇注或浇不足。

3.设置多处浇口时，浇口间距过小或相互干涉，会导致金属液流速不一致，产生浇不足或偏析。

*浇道截面积设计不合理

浇注系统设计缺陷

浇注系统是连接浇包和模具的通道，其设计缺陷会影响金属液的流动和凝固，导致铸件缺陷。常见缺陷包括：

1.冲刷缺陷

当金属液高速冲击型腔壁时，会冲刷型腔壁处的砂粒，形成凹坑。导致冲刷缺陷的原因有：

*浇注速度过快

*浇口位置不当

*浇口断面积过小

*浇注系统阻力过大

预防措施：

*控制浇注速度

*优化浇口位置和尺寸

*减少浇注系统阻力

2.浇不足缺陷

浇不足缺陷是指铸件部分区域未被金属液填充，导致铸件缺肉。原因包括：

*浇注系统容量不足

*浇注时间不足

*金属液流动阻力过大

预防措施：

*根据铸件重量和浇注速率设计浇注系统容量

*适当延长浇注时间

*优化浇注系统设计，减少流动阻力

3.冷隔缺陷

冷隔缺陷是两个或多个金属液流汇合时，由于温度过低或流动阻力过大，导致未能熔合形成的缺陷。原因有：

*浇注系统设计不当，导致金属液流汇合点温度过低

*浇注温度过低

*金属液流动阻力过大

预防措施：

*优化浇注系统设计，确保汇合点温度足够高

*控制浇注温度

*减少浇注系统阻力

4.气体夹杂缺陷

铸件中残留的气体会形成气孔或夹杂缺陷。原因包括：

*金属液中溶解的气体过多

*浇注系统中存在气体夹带

*模具中存在气体

预防措施：

*控制金属液中的溶解气体含量

*优化浇注系统设计，避免气体夹带

*采用真空吸气或其他脱气措施

*加热模具，驱除气体

5.缩孔缺陷

缩孔缺陷是指金属液在凝固过程中体积收缩，导致铸件局部产生空洞。原因包括：

*凝固过程中冷却速度不均匀

*金属液凝固范围宽

*模具刚性不足

预防措施：

*优化凝固过程，确保冷却均匀

*选择凝固范围窄的合金

*加强模具刚性

6.偏析缺陷

偏析缺陷是指铸件中合金元素分布不均匀，导致机械性能下降。原因包括：

*金属液流动不均匀

*凝固过程中树枝晶长大速度不一致

*浇注温度过高

预防措施：

*优化浇注系统设计，确保金属液流动均匀

*控制浇注温度

*采用搅拌或其他措施，促进合金均匀分布

7.夹杂缺陷

夹杂缺陷是指铸件中存在非金属杂质，导致铸件性能下降。原因包括：

*金属液中存在杂质

*浇注系统中存在杂质

*模具中存在杂质

预防措施：

*控制金属液纯度

*清洁浇注系统和模具

*采用过滤或其他措施去除杂质第四部分凝固过程缺陷形成关键词关键要点【凝固收缩缺陷】

1.凝固收缩时铸件体积减小，导致缩孔、缩松、冷隔等缺陷。

2.缺陷形成受凝固类型、模温、补缩措施等影响。

3.预防措施包括：使用膨胀性砂型材料、设置冒口、采用渐进凝固工艺。

【凝固应力缺陷】

凝固过程缺陷形成

1.收缩缺陷

1.1体积收缩

*金属从液体转变为固体时，体积会显著收缩（约5-10%）。

*在凝固过程中，这种收缩会产生很大的内部应力，如果应力超过金属的强度，就会形成收缩缺陷，如气孔、缩孔和裂纹。

1.2线性收缩

*当金属从液体凝固成固体时，其长度也会收缩（约1-2%）。

*如果凝固过程中线性收缩受到阻碍，就会产生应力集中，导致裂纹或变形。

2.气孔缺陷

2.1气体来源

*型砂中吸附水分释放的蒸汽和气体

*金属熔液中溶解的气体（氢、氮、氧）

*化学反应释放的气体（例如，含碳合金中的CO）

2.2气孔形成

*气体析出并在凝固前无法逸出，形成气孔。

*气孔形状和大小取决于凝固速率、气体量和气体逸出压力。

3.缩孔缺陷

3.1缩孔形成

*凝固过程中，熔液体积收缩，造成熔融金属不足填充整个铸件，形成缩孔。

*缩孔通常出现在凝固末端和凝固缓慢区域。

3.2分类

*中央缩孔：位于铸件中心

*表皮缩孔：位于铸件表面

*弥散缩孔：分布在铸件内

4.裂纹缺陷

4.1热裂纹

*在金属凝固末期，由于收缩应力超过金属的热脆性强度极限而形成。

*热裂纹通常发生在凝固速率快、应力集中的区域。

4.2冷裂纹

*在金属凝固后，由于变形应力超过金属的冷脆性强度极限而形成。

*冷裂纹通常发生在铸件冷却后，在应力集中区域或脆性相析出部位。

5.白点缺陷

5.1白点形成

*由于凝固前局部过热，导致碳化物在晶界析出，形成硬脆的白点。

*白点降低铸件的强度和韧性。

5.2防治措施

*控制熔液过热

*优化浇注系统和凝固条件

6.预防凝固过程缺陷的措施

*控制金属熔液成分：减少气体含量和杂质含量

*优化浇注工艺：控制浇注温度、浇注速度和浇注系统设计

*优化凝固条件：控制凝固速率、控制应力集中区域

*改善铸件结构：设计合理的铸件结构，避免应力集中

*采用特殊工艺：例如，使用补缩剂、抽真空或压力铸造

*热处理：退火或回火处理，消除残余应力和脆性相第五部分砂型缺陷与预防措施关键词关键要点【砂眼】：

1.砂型湿性过大或透气性不良，浇注时产生的气体无法及时排出，形成砂眼。

2.浇注系统设计不合理，浇注时金属液流速过快，夹带气体进入铸件内部。

3.型砂颗粒粗大、分布不均，形成局部疏松区域，产生砂眼。

【缩孔】：

砂型缺陷与预防措施

砂型缺陷是铸件质量缺陷的主要来源，其产生原因复杂，涉及砂型材料性质、铸型制造工艺、浇注条件等多方面因素。常见砂型缺陷主要有：

1.冲砂

冲砂是指砂型在浇注时，由于金属液压力过大或砂型强度不足，导致砂粒被冲入金属液中，形成缺陷。

*原因：

*砂型强度低

*金属液浇注温度过高

*浇注速度过快

*型腔设计不合理

*预防措施：

*提高砂型强度，增加粘合剂含量或选择高强度砂料

*控制金属液浇注温度

*适当降低浇注速率

*优化型腔设计，避免产生薄壁、尖角等应力集中区域

2.气孔

气孔是指铸件中存在的空洞，其形成原因是：

*原因：

*型砂水分含量过高

*型壳透气性差

*金属液中溶解有气体，如氢气、氮气

*浇注系统设计不合理，造成浇注后凝固速度不均匀

*预防措施：

*控制型砂水分含量，一般为3%-5%

*选择透气性良好的型壳材料

*控制金属液浇注温度，降低溶解气体含量

*优化浇注系统，保证浇注后凝固速度均匀

3.夹渣

夹渣是指铸件中夹杂的非金属杂质，其主要来源于：

*原因：

*砂型表面残留有型砂杂质

*金属液中含有氧化物、硫化物等杂质

*浇注系统设计不合理，造成浇注过程中金属液流速过快

*预防措施：

*加强砂型清理，去除表面残留杂质

*控制金属液成分，减少氧化物和硫化物的生成

*优化浇注系统，降低金属液流速

4.冷隔

冷隔是指铸件内部由未融合的金属液形成的缺陷，其产生原因是：

*原因：

*浇注温度过低

*金属液流动性差

*浇注系统设计不合理，造成浇注后金属液流向不顺畅

*预防措施：

*提高浇注温度，保证金属液具有足够的流动性

*选择流动性良好的金属材料

*优化浇注系统，保证浇注后金属液能够顺利流向各个型腔

5.缩孔和缩松

缩孔和缩松是指铸件内部由金属液凝固过程中体积收缩形成的缺陷，其产生原因是：

*原因：

*凝固方式不合理，造成凝固期间体积收缩不均匀

*凝固速度快，导致金属液在凝固过程中无法充分填充型腔

*预防措施：

*优化凝固方向和凝固方式，避免产生凝固应力集中区域

*控制浇注速率和冷却速度，保证金属液有足够的凝固时间

6.白口

白口是指铸件表面或内部出现硬度较高、断口呈白色区域的缺陷，其形成原因是：

*原因：

*冷却速度过快

*金属液中碳含量过高

*预防措施：

*控制冷却速度，采用缓冷措施

*降低金属液中碳含量

7.偏析

偏析是指铸件中元素分布不均匀的缺陷，其产生原因是：

*原因：

*金属液流动性差

*凝固速度不均匀

*热处理不当

*预防措施：

*改善金属液流动性

*控制凝固速度和凝固方式

*优化热处理工艺第六部分金属液夹杂影响关键词关键要点【金属液夹杂影响】：

1.金属液夹杂物的存在会降低金属液的流动性和填充性，导致铸件表面产生缩孔、砂眼等缺陷。

2.夹杂物还可以作为晶核或异相形核剂，促进铸件中偏析和有害相的形成，降低材料性能。

3.夹杂物与金属基体之间的界界面结合力差，容易形成裂纹或断口，降低铸件的力学性能。

【成分偏析影响】：

金属液夹杂影响

简介

金属液夹杂是指在铸造过程中，非金属物质混入金属液，并固化在铸件中的现象。夹杂的来源包括造型材料、炉渣、氧化物、脱氧剂、熔剂和金属本身的杂质等。

夹杂对铸件的影响

夹杂的存在会严重影响铸件的力学性能、表面质量和耐腐蚀性能。主要影响如下：

*降低强度和韧性：夹杂会成为应力集中点，导致铸件脆弱易碎。

*损害表面质量：夹杂会降低工件的表面光洁度，产生裂纹和气孔等缺陷。

*影响耐腐蚀性：夹杂会提供腐蚀通道，加速铸件的腐蚀。

*降低导电性和导热性：夹杂会妨碍电流和热量的传递。

夹杂的预防

预防金属液夹杂是提高铸件质量的关键。主要预防措施包括：

1.控制造型材料

*使用干净的砂子，并定期去除杂质。

*对造型材料进行除气处理，去除水分和有机物。

2.控制炉渣

*加强炉渣管理，及时去除浮渣。

*使用合适的助熔剂，降低炉渣粘度，提高流动性。

3.优化浇注工艺

*采用合理的浇注温度和浇注速度，避免金属液过热或过冷。

*使用浇注系统过滤器，阻挡夹杂进入铸件。

4.加强脱氧处理

*使用合适的脱氧剂，有效去除金属液中的氧化物夹杂。

*进行多次脱氧处理，提高脱氧效果。

5.采用熔剂处理

*加入熔剂，降低金属液的表面张力，促进夹杂向上浮。

*使用真空脱气设备，去除金属液中的气体和夹杂。

6.净化金属液

*对金属液进行过滤处理，去除固体夹杂。

*使用超声波或振动处理，破碎和去除夹杂。

7.优化铸件设计

*采取合理的铸件设计，减少应力集中，避免脆性断裂。

*设置排气和补缩系统，防止夹杂聚集。

监控和检测

定期监控和检测金属液夹杂含量至关重要。常用的检测方法包括：

*光谱分析

*金属显微镜观察

*气体分析

*超声波检测

*液态金属洁净度检测

通过实时监测和分析，可以及时发现夹杂问题并采取纠正措施，有效预防铸件缺陷。

结论

金属液夹杂是铸造过程中常见的缺陷原因。通过采取上述预防措施，控制夹杂的引入和生成，优化浇注和脱氧工艺，加强净化处理和检测，可以有效提高铸件质量和可靠性。第七部分脱模误差与处理方法关键词关键要点主题名称：脱模误差的机理

1.型砂与铸件间的粘结力：粘结力过大，脱模时容易带砂，形成铸件表面粗糙；粘结力过小，脱模时铸件易粘箱，造成铸件表面划伤或破损。

2.铸件形状与尺寸：形状复杂的铸件，脱模困难，容易产生错位或损坏；尺寸大的铸件，由于自重较大，脱模时容易变形。

3.铸造温度与脱模时间：铸造温度过高，铸件冷却较慢，脱模时容易粘箱；脱模时间过早，铸件强度较低，容易变形或破损。

主题名称：脱模误差的预防措施

脱模误差与处理方法

脱模误差是指铸件在凝固冷却过程中因收缩不均而引起的与砂型形状和尺寸的偏差。脱模误差会对铸件的外形尺寸、表面质量和内部组织产生不利影响。

成因

脱模误差的成因主要有：

*铸件收缩不均：铸件凝固后，由于各个部位的散热速度不同，导致收缩量也不同。

*砂型变形：在浇注过程中，高温金属液会使砂型受热膨胀，冷却后又会收缩变形，从而影响铸件的尺寸精度。

*铸件变形：在大件铸件中，由于自重和凝固收缩的作用，铸件在热处理过程中可能发生变形，导致脱模误差。

危害

脱模误差会对铸件造成以下危害：

*影响外形尺寸和形状精度：脱模误差会导致铸件尺寸不准、形状变形，影响其使用性能。

*降低表面质量：脱模误差会产生表面裂纹、缩孔等缺陷，影响铸件的外观和耐腐蚀性。

*影响内部组织和性能：脱模误差会改变铸件的内部组织，影响其力学性能和使用寿命。

处理方法

为了防止脱模误差，可以采取以下措施：

1.控制铸件收缩不均

*优化浇注系统：设计合理的浇注系统，确保金属液均匀快速地充满型腔，减少收缩不均。

*合理补缩：设置冒口或冷铁，为铸件收缩提供空间，减少收缩应力。

*采用缓冷措施：控制铸件冷却速度，防止局部快速收缩造成变形。

2.提高砂型抗变形能力

*选择高强度砂型：使用强度高、变型小的砂型材料，如粘土砂、树脂砂等。

*加强砂型造型：加大砂型强度，提高其抗变形能力。

*采用支撑措施：在大型铸件的砂型中加设支撑件，防止变形。

3.控制铸件变形

*减轻铸件重量：优化铸件结构，尽可能减轻重量。

*增加铸件肋板：在容易变形部位加设肋板，提高刚度。

*采用热处理工艺：进行热处理，消除铸件内应力，防止变形。

4.其他措施

*使用脱模剂：涂抹脱模剂，减少砂型与铸件之间的粘附力，便于脱模。

*避免过度机械加工：对关键部位的机械加工应适度，防止加工变形。

*加强铸件检测试验：定期对铸件进行尺寸精度、表面质量和力学性能检验，及时发现并处理脱模误差。第八部分热处理缺陷避免关键词关键要点【回火脆性避免】：

1.控制合金成分，避免形成析出相或第二相，如磷化物、碳化物等。

2.严格控制回火温度和保温时间，避免脆性马氏体转变。

3.采用分级回火或等温回火工艺，降低脆性相的形成。

【退火缺陷避免】：

热处理缺陷避免

热处理是影响铸件质量的重要工序，不当的热处理可能导致一系列缺陷。为了避免热处理缺陷，需要理解其机理并采取适当的预防措施。

1.开裂

开裂是铸件中常见的热处理缺陷，通常发生在硬化或回火等加热冷却过程期间。开裂的原因可能是：

*过快冷却：快速冷却产生较高的温度梯度，导致铸件中产生热应力和开裂。

*残余应力：铸件在凝固过程中会产生残余应力，在热处理过程中残余应力会释放并导致开裂。

*组织缺陷：例如气孔和夹杂物，会削弱铸件的抗裂性能。

预防措施：

*采用缓