華科材料人網(wǎng)成型原理第七講

1第三節(jié)氣孔與夾雜的形成機(jī)理及控制第五章鑄件凝固組織的

形成與控制2一、氣孔金屬在熔煉、澆注、凝固過程中，以及爐料、鑄型、澆包、空氣及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的各種氣體會溶入到液態(tài)金屬中，并隨溫度下降，氣體會因在金屬中溶解度的顯著降低而形成分子狀態(tài)的氣泡存在于液態(tài)金屬中而逐漸排入大氣。由于鑄造生產(chǎn)中鑄件凝固速度較快，部分尚未從金屬液中排出的氣泡殘留在固體金屬內(nèi)部而形成氣孔。氣孔是鑄件或焊件最常見的缺陷之一。氣孔的存在不僅能減少金屬的有效承載面積，而且使局部造成應(yīng)力集中，成為零件斷裂的裂紋源。一些形狀不規(guī)則的氣孔，則會增加缺口的敏感性，使金屬的強(qiáng)度下降和抗疲勞能力降低。3(1)析出性氣孔在冷卻及凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出氣體，來不及從液面排出而形成氣孔。這類氣孔在鑄件斷面上大面積分布，靠近冒口、熱節(jié)等溫度較高的區(qū)域，其分布較密集，形狀呈團(tuán)球形、裂紋多角形，斷續(xù)裂紋狀或混合型。(一)氣孔的分類與特征4Al-Si合金鑄件中的針孔5定義：鑄型和型芯等在液態(tài)金屬高溫作用下產(chǎn)生的氣體（并無明顯的化學(xué)反應(yīng)），侵入金屬內(nèi)部所形成的氣孔，稱為侵入性氣孔。特征：數(shù)量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現(xiàn)在鑄件表層或近表層。形狀多呈梨形、橢圓形或圓形，梨尖一般指向氣體侵入的方向。侵入的氣體一般是水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、氫、氮和碳?xì)浠衔锏取?2)侵入性氣孔6金屬液和鑄型之間或在金屬液內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔，稱為反應(yīng)性氣孔。

金屬一鑄型間反應(yīng)性氣孔，通常分布在鑄件表面皮下1~3mm，表面經(jīng)過加工或清理后，就暴露出許多小氣孔，所以通稱皮下氣孔，形狀有球狀、梨狀。另一類反應(yīng)性氣孔是金屬內(nèi)部化學(xué)成分之間或與非金屬夾雜物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，呈梨形或團(tuán)球形，均勻分布。(2)反應(yīng)性氣孔7(二)氣孔的形成機(jī)理1.析出性氣孔的形成

(1)凝固時氣體溶質(zhì)的再分配金屬凝固時氣體溶解度將急劇下降，在凝固溫度下液固相中氣體溶解度的變化，同樣可以用溶質(zhì)再分配的理論加以說明。溶質(zhì)分布方程：液相中氣體濃度超過某飽和氣體濃度SL時，才析出氣泡，則產(chǎn)生過飽和濃度區(qū)Δx(x=Δx，CL=SL)：8析出氣泡還決定于Δx存在時間Δt的長短，Δt愈長，愈有利氣孔的生成：當(dāng)合金成分一定時，Δt主要由凝固速度R決定，而Δx是枝晶間尚待凝固的液相內(nèi)氣體溶質(zhì)的富集區(qū)。因而凝固速度R，分配系數(shù)k，擴(kuò)散系數(shù)DL及原始?xì)怏w濃度C0都會影響到Δx，Δt和液相中氣體濃度的分布。即使金屬液中氣體原始濃度小于飽和濃度,由于金屬凝固時存在溶質(zhì)再分配,在凝固過程中所富集的氣體濃度將可能大于過飽和濃度，而析出氣體9氣孔的形成過程：形核、長大、上浮三階段上浮受阻→保留于凝固金屬→氣孔鑄件中氣孔的形成示意圖102.侵入性氣孔的形成將金屬液澆入砂型中時，由于各種原因會產(chǎn)生大量的氣體。氣體的體積隨著溫度的升高而增大，造成金屬一鑄型界面上的氣壓增大。當(dāng)界面上局部氣體的壓力P氣滿足下列條件：氣體就能在鑄件開始凝固的初期侵入金屬液中成為氣泡，氣泡不能上浮逸出時就形成梨形氣孔。113.反應(yīng)性氣孔的形成機(jī)理(1)金屬液與鑄型(芯)反應(yīng)性氣孔(皮下氣孔)

在高溫下各氣相達(dá)到平衡時，金屬液—鑄型界面處的氣相成分中H2和CO的含量較多，CO2較少。反應(yīng)性氣孔的成因目前尚無統(tǒng)一的說法，主要有以下三種理論。①氫氣說(氫氣孔)

m[Me]+nH2O→MemOn+nH2②氮氣說(氮氣孔)鑄型或型芯采用各種含氮樹脂做粘結(jié)劑，分解反應(yīng)造成界面處氣相氮氣濃度增加。提高樹脂及烏洛托品(C6H12N4)含量，也會導(dǎo)致型內(nèi)氣相中氮含量增加，當(dāng)?shù)窟_(dá)到一定濃度，就會產(chǎn)生皮下氣孔。③CO說(CO氣孔)

[FeO]+[C]→[Fe]+[CO]12(2)金屬液內(nèi)反應(yīng)性氣孔①渣氣孔(FeO)+[C]→[Fe]+CO

(FeO)+C(石墨)→[Fe]+CO產(chǎn)生的CO氣體，依附在(FeO)熔渣上，就形成了渣氣孔②金屬液中元素間的反應(yīng)性氣孔1)碳氧反應(yīng)氣孔鋼水脫氧不全或鐵水嚴(yán)重氧化，溶解的氧若與鐵液中的碳相遇，將發(fā)生CO氣泡而沸騰，由于鑄件凝固較快，許多CO氣泡來不及浮出鑄件表面，而形成氣孔。2)氫－氧反應(yīng)性氣孔金屬液中溶解的[O]和[H]，若相遇就產(chǎn)生H2O氣泡，凝固前如來不及排除，則產(chǎn)生氣孔。133)碳?xì)浞磻?yīng)氣孔鑄件最后凝固部位的偏析液相中，含有較高濃度的［H］和[C]，凝固過程中，將產(chǎn)生CH4。這主要在鑄鋼件斷面中心部位，產(chǎn)生局部性氣孔。14(三)影響氣孔的因素及防止措施1、析出性氣孔的影響因素及防止措施(1)影響因素金屬液原始含氣量C0，C0過高時，凝固前沿的液相能較早析出氣泡，形狀接近團(tuán)球形。C0不太高時，就依附縮孔較遲析出。冷卻速度鑄件冷卻速度愈快，凝固區(qū)域就愈小，枝晶不易封閉液相，且凝固速度。氣體來不及擴(kuò)散，所以氣孔不易形成。合金成分影響原始含氣量C0，決定分配系數(shù)k和擴(kuò)散系數(shù)DL以及合金收縮大小及凝固區(qū)域。k愈小，合金液收縮愈大，結(jié)晶溫度范圍愈大的合金，容易產(chǎn)生氣孔和氣縮孔。氣體性質(zhì)氣體的擴(kuò)散系數(shù)DL大擴(kuò)散速度快，則容易析出，不易產(chǎn)生氣孔。15(2)防止或減少析出性氣孔的措施①減少金屬液的原始含氣量C0減少金屬液的吸氣量，采取烘干、除濕等措施，防止?fàn)t料、空氣、鑄型、澆包等方面的氣體進(jìn)入金屬液。對金屬進(jìn)行除氣處理②阻止氣體析出提高鑄件冷卻速度對易產(chǎn)生析出性氣孔的鋁合金盡量采用金屬型鑄造。提高鑄件凝固時的外壓這可以有效阻止氣體的析出。如將澆注的鋁合金鑄型放在通入4～6大氣壓的壓縮空氣的壓力寶中凝固,可有效地減少或消除鋁合金鑄件中的氣孔。③型(芯)砂處理減少砂型(芯)在澆注時的發(fā)氣量，使?jié)沧r產(chǎn)生的氣體容易從砂型(芯)中排出。例如多扎排氣孔；使用薄壁或空心和中間填焦炭塊的砂芯等方法。162.防止皮下氣孔產(chǎn)生的措施通過金屬液一鑄型界面間和金屬液內(nèi)部氣相反應(yīng)的分析，可以從以下幾方面來防止皮下氣孔的生成：

(1)采取烘干、除濕等措施，防止和減少氣體進(jìn)入金屬液。(2)嚴(yán)格控制合金中氧化性較強(qiáng)元素的含量，如球墨鑄鐵中的鎂及稀土元素；鑄鋼中用于脫氧的鋁。

(3)砂型(芯)要嚴(yán)格控制水分，重要鑄件可采用干型或表面烘干型，含氮樹脂砂要盡量減少尿素含量，控制烏洛托品固化劑的加入量，保證鑄型有良好的透氣性。

(4)適當(dāng)提高澆注溫度，能夠降低凝固速度，有利于氣體排除。

(5)工藝方案設(shè)計中，盡量保證金屬液平穩(wěn)進(jìn)人鑄型內(nèi)，減少金屬液的氧化。17二、夾雜物(一)夾雜物的來源與類型按來源分類(內(nèi)在夾雜物、外來夾雜物)按夾雜物的組成分類(氧化物、硫化物、硅酸鹽)按夾雜物形成的時間分類(一次夾雜物是澆注前，即金屬熔煉及爐前處理過程中形成的。二次夾雜物是液態(tài)金屬在鑄造過程中形成的。)按夾雜物的形狀分類(球形、多面體、條狀、板形)按夾雜物的分布分類來源：爐料、熔煉處理產(chǎn)生、液態(tài)金屬與耐火材料反應(yīng)、金屬表面的氧化、金屬內(nèi)部反應(yīng)。分類18a.FeS夾雜物b.Al2O3夾雜物c.球形夾雜物19夾雜物的危害連續(xù)性、均勻性破壞→機(jī)械性能↓致密性↓耐蝕性能紅脆—熱裂(低熔點相)裂紋源決定于夾雜物的成分、性能、形狀、大小、數(shù)量、分布硬脆→δ、αk

球形→影響↓；針狀、尖角影響↑↑（應(yīng)力集中）事物的另一方面：

高熔點、細(xì)小顆?！玫淖饔梅亲园l(fā)形核核心→細(xì)化沉淀強(qiáng)化—N化物彌散

新學(xué)科的產(chǎn)生→人為的加入高性能陶瓷相——復(fù)合材料20(二)一次夾雜物(1)夾雜物的偏晶析出1.夾雜物的形成在金屬熔煉及爐前處理過程中，液態(tài)金屬內(nèi)會產(chǎn)生大量的一次非金屬夾雜物。形成大致經(jīng)歷了夾雜物的偏晶析出和聚合長大。(2)夾雜物的聚合長大不能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的同種夾雜物相遇后，可機(jī)械粘連在一起，組成各種成分不均勻、形狀不規(guī)則的復(fù)雜夾雜物。212.一次夾雜物的分布(1)能作為金屬非均質(zhì)形核核心的夾雜物這類夾雜物因結(jié)晶體與液態(tài)金屬存在密度差而下沉，故在鑄件底部分布較密集，且多數(shù)分布在晶內(nèi)。顯然，冷卻速度或凝固速度越快、鑄件斷面越小、澆注溫度越低，這些微小晶體下沉就越困難，夾雜物的分布就越均勻。22(2)不能作為非自發(fā)結(jié)晶核心的微小固體夾雜物這類夾雜物的分布取決于液態(tài)金屬L、晶體C和夾雜物I之間的界面能關(guān)系。當(dāng)凝固區(qū)域中的固態(tài)夾雜物與正在成長的樹枝晶發(fā)生接觸時，如果滿足相互粘附后能使能量降低，則微小夾雜物就會被樹枝晶所粘附而陷入晶內(nèi)，否則夾雜物就會被凝固界面所推開。夾雜物被晶體粘附的先決條件是兩者必須發(fā)生接觸。夾雜物越?。ㄟ\動速度越慢），晶體成長速度越快，兩者越容易發(fā)生接觸，夾雜物被晶體粘住的可能性越大。通常，陷入晶內(nèi)的夾雜物分布比較均勻，被晶體推走的夾雜物常聚集在晶界上。23(3)能上浮的液態(tài)和固態(tài)夾雜物液態(tài)金屬不溶解的夾雜物也會產(chǎn)生沉浮運動，發(fā)生碰撞、聚合而粗化。若夾雜物密度小于液態(tài)金屬的密度，則夾雜物的粗化將加快其上浮速度。鑄件凝固后，這些夾雜物可能移至冒口而排除，或保留在鑄件的上部及上表面層。24(1)加熔劑金屬液表面覆蓋一層熔劑，上浮的夾雜物能被它吸收。如鋁合金精煉時加入氯鹽和氟鹽?；蛘呒尤肴蹌┡c夾雜物形成重度更輕的夾雜物，以有利于排除。如球墨鑄鐵加冰晶石熔劑，可降低夾雜物的熔點,而有利于減少鑄件產(chǎn)生夾雜物缺陷。(2)過濾法金屬液通過過濾器達(dá)到去除夾雜物的目的。過濾器分非活性與活性兩種，前者起機(jī)械作用，后者還多一種吸附作用，排渣效果更好.3.排除液態(tài)金屬中一次夾雜物的途徑25珍珠巖及處理后形成的渣26過濾網(wǎng)過濾片(直孔)泡沫陶瓷過濾器27(三)二次氧化夾雜物的形成及防止措施(1)形成——澆注及填充鑄型的過程中氧化形成采取合理的澆注工藝及澆冒口系統(tǒng)，保持金屬液充型過程平穩(wěn)流動。正確選擇合金成分，嚴(yán)格控制易氧化元素的含量。嚴(yán)格控制鑄型水分，加入煤粉等碳質(zhì)材料，或采用涂料，形成還原性氣氛。對要求高的重要鑄件或易氧化的合金鑄件，可以采用真空或在保護(hù)性氣氛下澆注。(2)防止措施:28(四)次生夾雜物凝固過程中，溶質(zhì)再分配，溶質(zhì)富集，偏晶結(jié)晶析出夾雜物例如：Fe中富集Mn和S時：圖夾雜物粘附晶體示意圖（a)粘附后（b)粘附前粘附發(fā)生的條件：2930第四節(jié)縮孔與縮松31一、合金的收縮金屬在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)冷卻過程中發(fā)生的體積減小現(xiàn)象，稱為收縮。它是金屬本身的物理性質(zhì)，也是引起縮孔、縮松、應(yīng)力、變形、熱裂和冷裂等缺陷的重要原因。液態(tài)金屬從澆注溫度冷卻到常溫要經(jīng)歷三個階段：液態(tài)收縮階段（Ⅰ）、凝固收縮階段（Ⅱ）和固態(tài)收縮階段（Ⅲ）。在不同的階段，金屬具有不同的收縮特性。321.液態(tài)收縮：液態(tài)體收縮率（％）金屬液體收縮系數(shù)（℃-1）T澆：液態(tài)金屬的澆注溫度（℃）TL：液相線的溫度（℃）液態(tài)收縮系數(shù)和液相線溫度主要決定于合金成分。例如，碳鋼中碳含量增加時，TL降低，液態(tài)收縮系數(shù)增大(碳量每增1%，液態(tài)收縮系數(shù)增大20%)；對于鑄鐵，碳量每增加1%，TL下降90℃。此外，液態(tài)收縮系數(shù)還受溫度、合金中氣體及雜質(zhì)含量等因素的影響332.凝固收縮金屬從液相線冷卻到固相線所產(chǎn)生的體收縮，稱為凝固收縮純金屬和共晶合金：凝固期間的體收縮僅由狀態(tài)改變引起，與溫度無關(guān)，具有一定的數(shù)值。有一定結(jié)晶溫度范圍的合金，其凝固收縮率既與狀態(tài)改變時的體積變化有關(guān)，也與結(jié)晶溫度范圍有關(guān)。某些合金(如Bi-Sb)在凝固過程中，體積不但不收縮反而產(chǎn)生膨脹，其凝固收縮率為負(fù)值。34鑄鋼因狀態(tài)改變而引起的體收縮為一固定值，而碳含量增加時，其結(jié)晶溫度范圍變寬，由溫度降低引起的體收縮增大。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）0.100.250.350.450.70凝固收縮率（%）2.02.53.04.35.3碳鋼的凝固收縮率鑄鋼和鑄鐵的凝固收縮包括狀態(tài)改變和溫度降低部分：35對于亞共晶白口鑄鐵，和的平均值分別為3.0%和1.0×10-4；而碳含量每增加1%，TL降低90℃。由此可得鑄鐵的凝固收縮率為：灰鑄鐵在凝固后期共晶轉(zhuǎn)變時，由于石墨的析出膨脹而使體收縮得到一定的補償。因此其凝固收縮率為：亞共晶鑄鐵的凝固體收縮率碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）2.02.53.03.54.0凝固收縮率（%）白口鑄鐵5.14.64.23.73.3灰鑄鐵4.32.81.4-0.1-1.5363.固態(tài)收縮：金屬在固相線以下發(fā)生的體收縮，稱為固態(tài)收縮。對于純金屬和共晶合金，線收縮在金屬形成凝固殼時開始；對于具有結(jié)晶范圍的合金，線收縮在表面形成凝固骨架后開始。當(dāng)合金有固態(tài)相變發(fā)生時，將發(fā)生突變，并在不同溫度區(qū)段取不同的值。37碳含量(%)0.080.140.350.450.550.60線收縮率(%)2.472.462.402.352.312.18碳鋼的線收縮率與碳含量的關(guān)系

材料名稱化學(xué)成分(%)碳當(dāng)量CE(%)線收縮率（%）澆注溫度/℃CSiMnPSMg白口鑄鐵2.651.000.480.060.015-3.042.1801300灰鑄鐵3.303.140.660.0950.026-4.381.0821270球墨鑄鐵3.002.960.690.110.0150.0454.020.8071250鑄鐵的自由線收縮38金屬從澆注溫度冷卻到室溫所產(chǎn)生的體收縮為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮之和：液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原因越大，縮孔的容積就越大。鑄件產(chǎn)生尺寸變化、應(yīng)力、變形和裂紋的基本原因394.鑄件收縮鑄件收縮時還會受到外界阻力的影響。這些阻力包括熱阻力（鑄件溫度分布不均勻所致）、鑄型表面摩擦力和機(jī)械阻力（鑄型和型芯的阻礙作用）等。表面摩擦力和機(jī)械阻力均使鑄件收縮量減少。鑄件在鑄型中的收縮若僅受到可以忽略的阻力影響時，則為自由收縮。否則，稱為受阻收縮。顯然，對于同一種合金，受阻收縮率小于自由收縮率。生產(chǎn)中應(yīng)采用考慮各種阻力影響的實際收縮率。40灰鑄鐵和球墨鑄鐵有兩次膨脹過程，第一次膨脹量大，稱為體膨脹（縮前膨脹），由共晶時石墨及氣體析出所致；第二次膨脹較小，由共析轉(zhuǎn)變引起。白口鑄鐵的縮前膨脹很小，共析轉(zhuǎn)變膨脹也不明顯。而碳鋼主要發(fā)生共析轉(zhuǎn)變膨脹。41二、縮孔和縮松的分類及特征1.縮孔縮孔常出現(xiàn)于純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍較窄的鑄造合金中，且多集中在鑄件的上部和最后凝固的部位。鑄件厚壁處、兩壁相交處及內(nèi)澆口附近等凝固較晚或凝固緩慢的部位（稱為熱節(jié)），也常出現(xiàn)縮孔?？s孔尺寸較大，形狀不規(guī)則，表面粗糙，有枝晶脈絡(luò)狀凸起特征?；诣T鐵縮孔內(nèi)表面42縮孔有內(nèi)縮孔和外縮孔兩種形式(圖5-16)。外縮孔出現(xiàn)在鑄件的外部或頂部，一般在鑄件上部呈漏斗狀(圖5-16a)。鑄件壁厚很大時，有時會出現(xiàn)在側(cè)面或凹角處(圖5-16b)。內(nèi)縮孔產(chǎn)生于鑄件內(nèi)部(5-16c,d)，孔壁粗糙不規(guī)則，可以觀察到發(fā)達(dá)的樹枝晶末梢，一般為暗黑色或褐色，如果是氣縮孔，則內(nèi)表面為氧化色。圖5-16鑄件縮孔形式a)明縮孔b)凹角縮孔c)芯面縮孔d)內(nèi)部縮孔

432.縮松按其形態(tài)分為宏觀縮松(簡稱縮松)和微觀縮松(顯微縮松)兩類?？s松多出現(xiàn)于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金中，常分布在鑄件壁的軸線區(qū)域、縮孔附近或鑄件厚壁的中心部位（圖5-17）。顯微縮松則在各種合金鑄件中（特別在球鐵鑄件中）或多或少都會存在，一般出現(xiàn)在枝間和分枝之間，與微觀氣孔難以區(qū)分，只有在顯微鏡下才能觀察到。圖5-17鑄件熱節(jié)處的縮孔與縮松44三、縮孔與縮松的形成機(jī)理在鑄件中形成集中縮孔的基本原因，是合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)收縮值。產(chǎn)生集中縮孔的條件，是鑄件由表及里地逐層凝固（而不是整個體積同時凝固）。圖5-18鑄件中縮孔形成過程示意圖1.縮孔的形成45形成縮松的原因也是由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮。但是，形成縮松的條件是合金的結(jié)晶溫度范圍較寬，傾向于體積凝固，縮孔分散，或是在縮松區(qū)域內(nèi)鑄件斷面的溫度梯度小，凝固區(qū)域較寬，合金液幾乎同時凝固，因液態(tài)和凝固收縮所形成的細(xì)小孔洞分散且得不到外部合金液的補充而造成的。鑄件的凝固區(qū)域越寬，就越傾向于產(chǎn)生縮松。2.縮松的形成46顯微縮松通常伴隨著微觀氣孔的形成而產(chǎn)生。當(dāng)鑄件在凝固過程中析出氣體時，顯微縮松的形成條件用下式表示pg某一溫度下金屬中氣體的析出壓力；ps對顯微孔沿的補縮阻力；pa凝固金屬上方的大氣壓；σ氣-液界面的表面張力r顯微孔洞半徑；pH孔洞上方的金屬壓頭47當(dāng)金屬在常壓下凝固時，上式中變化的參數(shù)只有pg和ps。pg與液態(tài)金屬中氣體的含量有關(guān)，ps與枝晶間通道的長度、晶粒形態(tài)以及晶粒大小等因素有關(guān)。鑄件的凝固區(qū)域越寬，樹枝晶越發(fā)達(dá)，則通道越長；晶間和分枝間被封閉的可能性越大，產(chǎn)生顯微縮松的可能性也就越大。483.灰鑄鐵和球鐵鑄件的縮孔和縮松由于它們的共晶凝固方式和石墨長大的機(jī)理不同，產(chǎn)生縮孔和縮松的傾向性有很大差別。4950影響灰鑄鐵和球墨鑄鐵縮孔和縮松的因素：(1)鑄鐵的成分

亞共晶灰鑄鐵，隨碳當(dāng)量增加，共晶石墨的析出量增加．石墨膨脹量增加，有利于消除縮孔和縮松。共晶成分灰鑄鐵足以逐層方式凝固，易形成集少縮孔。但是，由于共晶轉(zhuǎn)變的石墨化膨脹作用，能抵消甚至超過共晶液體的收縮，使鑄件中不產(chǎn)生縮孔。球墨鑄鐵CE≥3.9%，經(jīng)過充分孕育，當(dāng)鑄型剛度足夠時，利用共晶石墨化膨脹作用，產(chǎn)生自補縮效果，可以獲得致密的鑄件球墨鑄鐵中磷含量、殘余鎂量及殘余稀土量過高，都會增加縮松傾向，51鑄型剛度鑄鐵在共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生石墨化膨脹時，型壁是否遷移，是影響縮孔容積的重要因素，鑄型剛度大，縮前膨脹就減小，縮孔容積會相應(yīng)減小，甚至不產(chǎn)生縮孔。鑄型剛度依下列次序逐級降低：金屬型一覆砂金屬型一水泥型一水玻璃砂型一干型一濕型。52四、影響縮孔和縮松的因素及防止措施1.影響縮孔與縮松的因素金屬的性質(zhì)合金的液態(tài)收縮系數(shù)αV液和凝固收縮率εV凝越大，縮孔及縮松容積越大。合金的固態(tài)收縮系數(shù)αV固越大，縮孔及縮松容積越小。鑄型條件提高鑄型的激冷能力，可以減小縮孔及縮松容積，鑄型激冷能力大，容易造成邊澆注邊凝固的條件，使金屬的收縮在較大程度上被后注入的金屬液補充、使實際發(fā)生收縮的液態(tài)金屬量減少。澆注條件繞注溫度越高，合金的液態(tài)收縮越大，縮孔容積越大；澆注速度越緩慢、澆注時間越長，縮孔容積越小。澆注條件對縮松的容積影響不大。鑄件尺寸鑄件壁厚越大，表面層凝固后，內(nèi)部的金屬液溫度越高、液態(tài)收縮越大．縮孔及縮松容積增加。補縮壓力凝固過程中增加補縮壓力，可減小縮松而增加縮孔的容積。532.防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的途徑(1)順序凝固和同時凝固1)順序凝固采用各種措施保證鑄件結(jié)構(gòu)上各部分按照遠(yuǎn)離冒口的部分最先凝固，然后朝向冒口方向凝固，最后才是冒口凝固的次序進(jìn)行，即使鑄件上遠(yuǎn)離冒口的部分到冒口之間建立一個遞增的的溫度梯度。鑄件按照順序凝固原則進(jìn)行凝固，能保證縮孔集中在冒口中，獲得致密的鑄件。54順序凝固的缺點是：由于鑄件各部分有溫差，在凝固期間容易產(chǎn)生熱裂，凝固后也容易使鑄件產(chǎn)生應(yīng)力和變形，順序凝固需要加冒口和補貼，工藝出品率低。順序凝固的優(yōu)點是：冒口補縮作用好，可以防止縮孔和縮松，鑄件致密。φ補縮通道擴(kuò)張角552)同時凝固同時凝固原則是采取工藝措施保證鑄件結(jié)構(gòu)上各部分之間沒有溫差或溫差盡量小，使各部分同時凝固。在同時凝固條件下，沒有補縮通道。同時凝固的優(yōu)點是：凝固時期鑄件不容易產(chǎn)生熱裂，凝固后也不易引起應(yīng)力、變形；由于不用冒口或冒口很小，而節(jié)省金屬，簡化工藝、減少勞動量。同時凝固的缺點是鑄件中心區(qū)域往往有縮松，鑄件不致密。56下列情況常采用同時凝固：①碳硅含量高的灰鑄鐵，其體收縮較小甚至不收縮，合金本身就不易產(chǎn)生縮孔和縮松。②結(jié)晶溫度范圍大，容易產(chǎn)生縮松的合金，對氣密性要求不高時，可采用同時凝固原則，使工藝簡化。事實上，這種合金即使加冒口也很難消除縮松。③壁厚均勻的鑄件，尤其是均勻薄壁鑄件，傾向同時凝固，消除縮松有困難，應(yīng)采用同時凝固原則。④球鐵鑄件利用石墨化膨脹力實現(xiàn)自身補縮時，則必須采用同時凝固原則。⑤從合金性質(zhì)看適宜采用順序凝固原則的鑄件，當(dāng)熱裂、變形成為主要矛盾時，也可采用同時凝固原則。57

兩種凝固方式在凝固順序上雖然是對立的，但是，在某個具體鑄件上又可以將兩者結(jié)合起來。鑄件結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，例如，從整體看某個鑄件壁厚均勻，但個別部位有熱節(jié)。所以不能簡單地采用定向凝固或同時凝固方式，而往往是采用復(fù)合的凝固方式，即從整體上是同時凝固，為了個別部位的補縮，鑄件局部是定向凝固。58(2)澆注條件澆注溫度和澆注速度的調(diào)整，可以加強(qiáng)定向凝固或同時凝固。采用高的澆注溫度緩慢地澆注，能增加鑄件縱向溫差，有利于順序凝固原則。通過多個內(nèi)澆道低溫快澆，則減小縱向溫差，有利于同時凝固原則。鑄件工藝方案中，澆注位置設(shè)置方式有：頂注式、底注式、中注式(分型面處)，澆注位置不同，溫度分布不同，補縮效果也不一樣。一般情況下，冒口在頂部的頂注式，適合采用高溫慢澆工藝，加強(qiáng)定向凝固，對底注式澆注系統(tǒng)，采用低溫快澆和補澆冒口的方法，可以減小鑄件的逆向溫差，實現(xiàn)定向凝固。冒口設(shè)在分型面上，液態(tài)金屬通過冒口引入內(nèi)澆道．采用高溫慢澆，有利于補縮。59(3)冒口、補貼和冷鐵的應(yīng)用冒口、補貼和冷鐵的使用，是防止縮孔和縮松最有效的工藝措施。冒口一般應(yīng)設(shè)置在鑄件厚壁或熱節(jié)部位。冒口的大小應(yīng)保證鑄件被補縮部位最后凝固，并提供足夠的金屬液用于補縮需要，同時冒口與被補縮部位之間必須有補縮通道。

補貼和冷鐵通常是配合冒口設(shè)置使用的，可以造成人為的補縮通道及末端區(qū)，延長冒口的有效補縮距離。此外，冷鐵還可以加速鑄鐵壁局部熱節(jié)的冷卻，實現(xiàn)同時凝固原則。60(4)加壓補縮主要是為了防止顯微縮松的產(chǎn)生。與前所述，顯微縮松產(chǎn)生在枝晶間和分枝之間，孔洞細(xì)小彎曲，且彌散分布于鑄件整個斷面上。一般的工藝措施難以消除。加壓補縮是指將鑄件放在具有較高壓力的裝置中、使其在較高壓力下凝固，通過外壓來消除顯微縮松，獲得致密鑄件。61第四節(jié)化學(xué)成分的偏析62偏析(Segregation)——液態(tài)合金在凝固過程中發(fā)生的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象稱為。偏析分類：微觀偏析是指小范圍（約一個晶粒范圍）內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象[晶內(nèi)偏析(枝晶偏析)和晶界偏析]。宏觀偏析是指凝固斷面上各部位的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象(正常偏析，逆偏析，重力偏析等)。63一、微觀偏析1.晶內(nèi)偏析合金相圖上液相線和固相線間隔越大，則先后結(jié)晶部分的成分差別越大，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。如青銅(Cu-Sn合金)結(jié)晶的成分間隔和溫度間隔都比較大，故偏析嚴(yán)重。偏析元素在固溶體中的擴(kuò)散能力越小，晶內(nèi)偏析傾向越大。如硅在鋼中的擴(kuò)散能力大于磷。故硅的偏析程度小于磷。在其他條件相同時，冷卻速度越快，則實際結(jié)晶溫度越低，原子擴(kuò)散能力越小，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。但另一方面，隨著冷卻速度的增加，固溶體晶粒細(xì)化，晶內(nèi)偏析程度減輕。因此，冷卻速度的影響應(yīng)視具體情況而定。晶內(nèi)偏析是在一個晶粒內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象，常產(chǎn)生于具有結(jié)晶溫度范圍，能夠形成固溶體的合金中。64晶內(nèi)偏析通常是有害的。晶內(nèi)偏析的存在，使晶粒內(nèi)部成分不均勻，導(dǎo)致合金的力學(xué)性能降低，特別是塑性和韌性降低。此外，晶內(nèi)偏析還會引起合金化學(xué)性能不均勻，使合金的抗蝕性能下降。晶內(nèi)偏析是一種不平衡狀態(tài)，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。如果采取一定的工藝措施，使溶質(zhì)充分?jǐn)U散，就能消除晶內(nèi)偏析。生產(chǎn)上常采用擴(kuò)散退火或均勻化退火來消除晶內(nèi)偏析，即將合金加熱到低于固相線100~200℃的溫度，進(jìn)行長時間保溫，使偏析元素進(jìn)行充分?jǐn)U散以達(dá)到均勻化的目的。652.晶界偏析在合金凝固過程中，溶質(zhì)元素和非金屬夾雜物富集于晶界，使晶界與晶內(nèi)的化學(xué)成分出現(xiàn)差異，這種成分不均勻現(xiàn)象稱為晶界偏析。晶界平行于生長方向形成的晶界偏析

晶粒相碰形成的晶界偏析66晶界偏析比晶內(nèi)偏析的危害更大，它既會降低合金的塑性和高溫性能，又會增加熱裂傾向，因此必須加以防止。生產(chǎn)中預(yù)防和消除晶界偏析的方法與晶內(nèi)偏析所采用的措施相同，即細(xì)化晶粒，均勻化退火。但對于氧化物和硫化物引起的晶界偏析，即使均勻化退火也無法消除，必須從減少合金中氧和硫的含量入手。67二、宏觀偏析1.