合金在凝固过程中发生的化 学成分不均匀现象称为偏析 偏析主要是由于合金在凝固 过程中溶质再分配和扩散不 充分引起的. 偏析对合金的力学性能、抗裂性 及耐腐蚀性等有程度不同的损害。 但利用偏析现象可以净化或提纯 金属等。
• 为什么会出现偏析？
•
• 偏析的利弊？
第二章 铸件缺陷的形成因素
第一节 铸造合金因素 3、铸造合金的偏析与铸件缺陷
第二章 铸件缺陷的形成因素
第一节 铸造合金因素 1、铸造合金的液态特性与铸件缺陷 铸造合金在熔炼时，温度通常在液相线以上 100-400度。在这样的过热度状态下，金属液内部 形态与固态晶体类似，但晶格常数更大些。 处于高温的原子集团，不停地运动，此起彼伏 ，瞬息万变。宏观看，金属液是由原子集团和空穴 组成。从液态转变为固态时，原子集团联系紧密， 原来的空穴消失，加之晶体中晶格常数减小，导致 体积减小。从而在铸件内形成孔洞，使铸件产生缩 孔、缩松等缺陷。
由于密度的差异，
收缩孔 正偏析 逆V偏析 V偏析
负偏析
第8章 凝固缺陷与控制
图11-5 铸锭产生V形和逆V形 偏析部位示意图
15
第二章 铸件缺陷的形成因素
第一节 铸造合金因素 4、铸造合金的收缩过程与铸件缺陷
液态收缩阶段
三个阶段
凝固收缩阶段 固态收缩阶段
温 度 /℃
T浇
温 度 /℃
m
温 度 /℃
第二章 铸件缺陷的形成因素
第二节 冶金因素 金属液态温度与铸件缺陷 金属液态温度对铸件质量的影响，分为熔炼温度 与浇注温度两方面的影响。 1.熔炼温度 铸铁的熔炼温度是指出铁时的合适温度。 铁液的实用最低熔炼温度与牌号有关。低于这一 温度铁液会严重氧化。对于氧化严重的铁液，加人 孕育剂，则先起脱氧作用，结果铁液形核作用不足 ，孕育衰退过快;而且铁液夹杂物增加，使铸件的 力学性能下降;气孔、针孔的缺陷易于形成。
•
使用冒口、补贴和冷铁
温 度
纵向温度分布曲线
冒口
浇口
距离
顺序凝固方式示意图
21
温度
纵向温度分布曲线
I 内浇道
II
III
冷铁
距离
同时凝固方式示意图
22
第二章 铸件缺陷的形成因素
第二节 冶金因素 原材料品质与铸件缺陷 原材料特别是铁锭对铸件质量的影响，一直受 到关注。采用优质生铁生产的铸件，其性能容易 达标且缺陷少。 从铸铁遗传性的角度观察，三方面值得重视:一 是组织结构特征的保留;二是合金元素和微量元素 遗传效应；三是熔液的性质与铸锭缺陷的保存。 当然，铸铁的遗传性与生铁锭中所含的气体种 类与含量，夹杂物的种类与数量等，也是有相当 密切的关系。
第二章 铸件缺陷的形成因素
第一节 铸造合金因素 2、金属的凝固方式与铸件质量的关系
1）窄结晶温度范围的合金
这类合金包括纯金属、共晶成分合金 和其它窄结晶温度范围的合金 金属浇入铸型后，首先 在型壁处过冷，形成激冷 层，然后按柱状晶的形势 紧密生长，固相界面前沿 为平面推进的方式.
2 金属的凝固方式与铸件质量的关系
2、晶界偏析
• 在合金凝固过程中，溶质元素和非金属 夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶内的化 学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为 晶界偏析。
• 晶界偏析比晶内偏析的危害更大，既能降 低合金的塑性与高温性能，又增加热裂纹倾 向。
2、晶界偏析 • 晶粒并排生长， 晶界平行于晶体 生长方向，晶界 与液相的接触处 存在凹槽，溶质 原子在此处富集， 凝固后就形成了 晶界偏析。
n
液态收缩
凝固收缩
凝固收缩
固相收缩
III
I
II
III
I
II
A
n 成分/％ a）
m
B
a）合金相图
体收缩率/％ 体收缩率/％ ） c） V凝＝V ( Lb （ ％ S )＋V（LS ） TL－TS ) 100 图11-14 二元合金收缩过程示意图 V固＝V固 （TSc）恒温凝固的合金 T0 ) 100 ％ b）有一定结晶温度范围的合金
εV总＝εV液＋εV凝＋εV固
其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产
生缩孔和缩松的基本原因 。而固相收缩对
应力、变形与裂纹影响较大。
（二）防止铸件产生缩孔和缩松的途径
•
顺序凝固
铸件各部位由远及近，朝着帽口方向顺序凝固。 用于凝固收缩大、结晶间隔窄的金属。
•
同时凝固
凝固时产生热裂纹、变形倾向小。
用于凝固收缩小、对气密性要求不高的铸件。
第二章 铸件缺陷的形成因素
第二节 冶金因素 不同铸铁牌号的适宜温度
第二章 铸件缺陷的形成因素
第二节 冶金因素 金属液态温度与铸件缺陷 2.浇注温度的影响 浇注温度过高，则容易产生缩孔、缩松的缺陷。 浇注温度过低，容易产生气孔的缺陷。铸铁件浇注 温度一般在1395一1420℃之间。 在一定的生产条件下，对于不同的产品，应有 不同的最佳浇注温度范围。铸件产生气孔、夹杂物 缺陷和缩孔、缩松缺陷最少时，其浇注温度就是合 适的。
（弱）
冷却条件
（快）
二、宏观偏析
宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包括： • • • 正常偏析 逆偏析 V形偏析和逆V形偏析
•
•
带状偏析与层状偏析
重力偏析
当铸锭中央部 分在凝固下沉 先凝固部分结晶沉 时，侧面向斜 淀，在铸锭的下半 下方产生拉应 部形成低于平均成 力，在其上部 形成逆V形裂缝， 分的负偏析区，上 并被富含溶质 部则形成高于平均 的液相所填充， 成分的正偏析区。 最终形成逆V形 00 ％
（一）影响缩孔与缩松的因素 •
• • • 金属的性质 (收缩系数α大)
铸型的冷却能力 （蓄热系数b小) 浇注温度与浇注速度 铸件尺寸 （大） (高，快）
•
补缩能力 （弱）
• 例：铸铁的缩孔、缩松倾向
• 金属从浇注温度冷却到室温所产生的体收缩为液
态收缩、凝固收缩和固态收缩之和，即:
2、晶界偏析
• 晶粒相对生长，在对合 处彼此相遇。晶粒结晶 时所排出的溶质（k0＜ 1 ）和其他杂质元素在 固 - 液界面前沿富积， 在最后凝固的晶界对合 部位将含有较多的溶质 和其他低熔点物质，造 成晶界偏析。
微观偏析的影响因素与消除措施
合金液、固相线间隔
（宽）
偏析程度 的影响因素
偏析元素的扩散能力
采用普通冒口消除缩松是很困难 的，往往采用其它措施，如增加 冒口的补缩压力，加速冷却等.
2 金属的凝固方式与铸件质量的关系
2)宽结晶温度范围的合金
（2）由于粗大的等轴晶较早成晶体骨 架，而粗大的等轴晶的高温强度低，当 晶间因收缩出现裂纹时，又得不到液态 金属的及时填充使之愈合，故铸件产生 热裂的倾向大； （3）若这类合金在充填过程中发生凝固， 其充型能力也很差。
2 金属的凝固方式与铸件质量的关系
2)宽结晶温度范围的合金 这类合金凝固区域 宽，过冷很小，容易 发展为树枝发达的粗 大等轴晶组织。
铝、镁合金 铝铜合金 铝镁合金 镁合金 铜合金 锡青铜 铝青铜 结晶温度范围 大黄铜 铁碳合金 高碳钢 球墨铸铁
（1）当粗大的等轴晶互相连 接以后，便将尚未凝固的液 态金属分割成一个个互不沟 通的溶池，最后在铸件中形 成分散性的缩松。
偏析的分类：微观偏析、宏观偏析 一、微观偏析
• 微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学 成分不均匀现象，按位置不同可分为：
• •
晶内偏析（枝晶偏析） 晶界偏析
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1、晶内偏析
• 晶内偏析是在一个晶粒内出现的成分不均 匀现象，常产生于具有结晶温度范围、能 够形成固溶体的合金中。 • 固溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶 的枝干与后结晶的分枝也存在着成分差异， 又称为枝晶偏析。
2.金属的凝固方式与铸件质量的关系
3)中等结晶温度范围的合金 这类合金常用的有中碳钢、高锰钢、白口铸铁等。凝 固区域为中等宽度，它们的补缩特性、热裂倾向性和充型 性能介于窄结晶温度范围合金和宽结晶温度范围合金之间。
第二章 铸件缺陷的形成因素
第一节 铸造合金因素 3、铸造合金的偏析与铸件缺陷
•
什么叫偏析？
1）窄结晶温度范围的合金
由于凝固前沿直接与液态金属接 触，当液态凝固成为固态而发生 体积收缩时，可以不断地得到液 体的补充，所以 （ 1）产生分散缩松的倾向小，而 是在铸件最后凝固部位留下集中 缩孔，设置冒口易消除。 （ 2）这类合金铸件在凝固过程中 当收缩受阻而产生晶间裂纹时， 也容易得到金属液的充填，使裂 纹愈合，所以铸件的热裂倾向小
第二章 铸件缺陷的形成因素
第二节 冶金因素 金属熔炼方式与铸件缺陷 铸铁的熔炼通常采用冲天炉、工频、中频感应电 炉和冲天炉—电炉双联熔炼。 1)工频炉熔炼的铁液温度可调节范围大，最高温 度可达1500C。且化学成分波动范围较小， 化学成 分易于控制；这对于熔炼高合金铸铁如高镍球墨铸 铁等，是必要的条件。 2)冲天炉熔炼的铁液容易增硫。 3)工频炉熔炼的铁液比较“硬”，主要表现在试 样的白口宽度较大，缩凹深度较深。布氏硬度值较 高;相应抗拉强度值也较高。