金属熔炼与铸锭 第十讲 铸锭晶粒组织及其细化)
材料工程基础讲稿-2011-铸锭部分
成分的不均匀性。
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作业
1、什么叫溶质再分布？ 2、为什么在非平衡凝固条件下，单相合金凝固 铸件中会出现共晶体？
(9h)
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5.2 成分过冷
5.2.1 成分过冷的形成及其过冷度 溶质再分布的结果，使溶质在固/液 界面前沿发生偏析。k＜1的合金，界面 前沿熔体中的溶质富集；k＞1的合金， 界面前沿熔体中的溶质贫化。
由此可见： 液相（固相）成分由实际条件而定， 液相成分确定后，与其匹配的固相成分、 凝固温度依然依然可以从相图上确定。
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GL 愈大、R（冷却速度）愈小，愈不易出 现成分过冷。反之，GL小、R大或者C0、mL、 |1-k|、(TL—TS)、δ、DL小，则易出现成分过冷。 （相关内容参见参考书籍）
通过控制GL/R控制成分过冷、最终控制铸 件的形态。 GL/R小，则— GL/R大，则—
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5.2.3 成分过冷对晶体生长方式的影响
随着成分过冷由弱到强，单相合金的固/液 界面生长方式依次成为平面状、胞状、胞状-树 枝状四种形式，得到的晶体相应为平面状晶、 胞状晶、胞状枝晶以及柱状枝晶和自由枝晶。 晶体形貌还与晶体学因素有关。在此，主 要介绍成分过冷与生长方式的关系，这对于控 制结晶过程有着重要的意义。 一些微量元素细化晶粒的作用，往往与它 们引起成分过冷（从扩散、K、成分等方面影 响）有关。
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实际生产条件下，铸锭的凝固都是 非平衡凝固，故这里讨论的都是非平衡 凝固时的溶质再分布。
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非平衡凝固： 固相内溶质成分不能通过扩散均匀化。 液相内溶质成分可以不同程度的均匀 化。 平衡凝固时是怎样的？ （成分、温度、相变严格遵照相图， 是理想和缓慢过程的结果，固相和液相 成分随温度均匀、统一变化。）
有色金属熔炼与铸锭习题集答案
有色金属熔炼与铸锭习题集答案一、填空题1.铸锭正常晶粒组织可分为表面细等轴区、柱状晶区和中心等轴晶区;2.液体金属的对流可分为动量对流、自然对流和强制对流;3.气孔形成方式可分为析出型气孔和反应型气孔;4.连铸主要可分为立式、卧式、立弯、弧型;5、氧化物的生成自由焓变量、分解呀、生成焓、和反应的平衡常数相互关联,因此,通常用和的大小来判断金属氧化反应的趋势和方向、限度;6、当,时,生成氧化膜一般致密,连续,有保护作用,内扩散为限制性环节;7、气体在金属中的存在形态：固溶体、化合物、气孔8、吸气过程即气体在金属中的溶解过程,,分为：吸附、溶解两个过程;9、非金属夹杂物的分类：氧化物、硫化物、氯化物、硅酸盐;10、除渣精炼原理：密度差作用、吸附作用、溶解作用、化合作用、机械过滤作用;11、根据脱气机理的不同,脱气精炼可分为：分压差脱气、化合脱气、电解脱气、预凝固脱气;12、配制合金所用的炉料一般包括：新金属料、废料、中间合金;13、熔炉准备工作包括四个方面：烘炉、清炉、换炉、洗炉;14、在熔池中间最深处的1/2处取样;15、补料一般用中间合金;16、根据凝固区宽度划分,凝固方式分为：顺序凝固、同时凝固、中间凝固;17、随着成分过冷由弱到强, 单相合金的固/液界面生长方式依次为：平面状、胞状、胞状----树枝状、树枝状;18、铸锭的晶粒组织常由三个区域组成：表面细等轴晶区、柱状晶区、中心等轴晶区;19、细化晶粒的方法有：增大冷却强度、加强金属液流动、变质处理;20、热裂形成的机理有：液膜理论、强度理论、裂纹形成功理论;21、铸造应力按其形成的原因分为：热应力、相变应力、机械应力;22、防止裂纹的途径：合理控制成分、选择合适工艺、变质处理;23、根据气孔在铸锭中的位置不同可分为：表面气孔、皮下气孔、内部气孔;24、产生缩孔和缩松的最直接的原因,是金属凝固过程中发生凝固体的收缩;25、铸锭正常晶粒组织可分为表面细等轴区、柱状晶区和中心等轴晶区______________;26、液体金属的对流可分为动量对流、自然对流和强制对流;27、气孔形成方式可分为析出型气孔和反应型气孔;28、连铸主要可分为立式、卧式、立弯和弧型;29、配料和加料的基本原则包括成分原则、质量原则、工艺原则、经济原则 ________和物料平衡原则 ;30、影响金属凝固传热的因素包括金属性质、锭模涂料性质和浇注工艺 ;31、准备炉料的作业称为配料;32、配料计算时出现错误,原料配比不当,在熔炼铸造时会产生化学成分废料;33、有些熔剂同时兼有清渣和精炼的作用;34、水平连铸法生产紫铜产品时,熔化炉通常是使用木炭来做为覆盖剂的;35、脱氧过度的铜液生产的产品更容易发生裂纹 ;36、铜液还原精炼的作用是去除铜液中的气体,并还原铜液中多余的氧化亚铜;37、紫铜在连续熔炼时,应根据熔炼炉内木炭烧损的情况,及时更换和添加,并确保覆盖厚度适当;38、黄铜比较容易熔炼,主要是由于合金中的锌对熔体有脱氧作用;39、铸锭正常晶粒组织可分为_表面细等轴区表面细等轴区、柱状晶区和中心等轴晶区____三个区域;40、液体金属的对流方式可分为动量对流、自然对流和强制对流;41、气孔形成方式可分为析出型气孔和反应型气孔;42、气体在铸锭中存在形式有固溶体、化合物和气孔三种;43、气体在金属中溶解过程主要为吸附和扩散两个阶段;44、除渣精炼的主要原理有比重差作用、吸附作用、溶解作用、__化合作用、机械过滤作用5种;铸锭凝固的方式有顺序凝固、同时凝固和中间凝固;45、配制合金所用的炉料一般包括新金属料 _ 、废料和中间合金三种;46、常见的铸锭缺陷有偏析、缩孔、裂纹、气孔和非金属夹杂物等5种;47、铸锭中化学成分不均匀的现象叫偏析;假设大气压强为100KPa,系统压强为,则真空度为 KPa;二、选择题1—5 ABBAD 6—10 AABBA 11-15：DCABC三、判断题1.×2.×3.√4.√5.×6.√7. √8.×9.× 10.×11、X 12、X 13、X 14、√ 15、√ 16、√ 17、√ 18、√ 19、X 20、X 21.× 22.× 23.√ 24.√ 25.× 26.√ 27. √ 28.× 29.× 30.×四、名词解释1、致密度：解答：氧化物的分子体积与形成该氧化物的金属原子的体积之比2、平衡分布系数：解答：同一温度下固相成分Cs与相平衡时的液相成分的比值3、过冷度解答：理论结晶温度与实际结晶温度的差值;4、悬浮晶解答：是指夹在正常柱状晶区或等轴晶区中的粗大晶粒;5、枝晶偏析解答：由于铸锭冷凝较快,固液两相中溶质来不及扩散均匀,枝晶内部先后结晶部分的成分不同;6、缩孔解答：在铸锭中部、头部、晶界及枝晶间等地方,常常有一些宏观和显微的收缩空洞,统称缩孔;7、铸造应力：解答：铸锭在凝固和冷却过程中,收缩受到阻碍而产生的应力;8、正偏析：解答：在顺序凝固条件下,的合金铸锭,先在凝固的表层和底部的溶质含量低于合金的平均成分;9、反偏析：解答：与正偏析相反,是高于合金的平均成分;10、非金属夹杂物：解答：金属中的非金属化合物,如氧化物、氮化物、硫化物以及硅酸盐等大都以独立相存在,统称为非金属夹杂物,一般简称为夹杂或夹渣;11、顺序凝固：解答：纯金属和共晶合金的结晶温度范围等于零,在凝固过程中只出现固相区和液相区,没有凝固区,铸锭在凝固过程中,随温度降低,平滑的固/液界面逐步向铸锭中心推进;12、成分过冷：解答：界面前面液体由于溶质再分布而导致实际温度低于液相线温度的现象;13、缩孔与缩松：解答：在铸锭中部、头部、晶界和枝晶间等地方,常有一些宏观和显微的收缩孔洞,称为缩孔;体积大而集中的缩孔称为集中缩孔,细小而分散的缩孔称为缩松;14、中间合金：解答：是指预先制好的,以便在熔炼合金时带入某些元素而加入炉内的合金半成品;四、简答题1.叙述偏析的种类;答：显微偏析：枝晶偏析、胞状偏析、晶界偏析;宏观偏析：正偏析、反偏析、带状偏析、重力偏析、V形偏析;2.简述铝合金晶粒细化技术;答：增大冷却强度：采用水冷模和降低浇温;加强金属流动：改变浇注方式、使锭模周期性振动、搅拌;变质处理：向金属液内添加少量物质,促进金属液生核或改变晶体生长过程的一种方法; 3.成分过冷及其导致的凝固组织特点答：在固溶体合金凝固时,在正的温度梯度下,由于固液界面前沿液相中的成分有所差别,导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度,从而产生的过冷称为成分过冷;随着成分过冷由弱到强,单相合金的固/液界面生长方式依次成为平面状、胞状、胞状-树枝状和树枝状四种形式,得到的晶体相应为平面柱状晶、胞状晶、胞状枝晶以及柱状枝晶和自由枝晶;4.铝合金变质处理的目的及其机理答：目的是为了获得细小的晶粒尺寸,改善合金的铸造性能和加工性能,提高合金的强度和塑性;机理：一是以不溶性质点存在于金属液中的非均质晶核作用；二是以溶质的偏析及吸附作用;5.枝晶偏析和晶界偏析及其成因;防止偏析的主要途径;比较连铸、铁模铸锭和砂模铸锭这三种工艺的组织偏析状况;答：在生产条件下,由于铸锭冷凝较快,固液两相中溶质来不及扩散均匀,枝晶内部先后结晶部分的成分不同,这就是枝晶偏析;K＜1的合金凝固时,溶质会不断自固相向液相排出,导致最后凝固的晶界含有较多的溶质和杂质,即形成晶界偏析;防止偏析的主要途径：增大冷却强度,搅拌,变质处理,采用短结晶器,降低浇温,加强二次水冷,使液穴浅平等;连铸的偏析很低,铁模铸锭的偏析也较低,而砂模铸锭的偏析较高;6.为什么黄铜的夹杂含量要好于紫铜;答：黄铜含大量易挥发和氧化的锌,在熔炼温度下的蒸气压相当高;含锌量越高,越易氧化和挥发熔损;在960℃时,锌蒸气会把黄铜内的氢、水、气体以及杂质带出;因此黄铜的夹杂含量很低;紫铜中铜的纯度达到%,杂质只能通过静置法和扩散除去,夹杂量比较高;因此黄铜的夹杂含量要好于紫铜;7.铝合金返回料通常只能降级使用,讲讲其中的原因;答：铝合金返回料由于在熔炼过程中对炉衬的冲刷作用,会带入新的杂质元素,以及随着熔炼次数的增加,杂质含量会逐步地累积,使原本的杂质含量超标,因此铝合金返回料通常只能降级使用;8、降低氧化烧损的方法有哪些答：选择合理炉型、采用合理地加料顺序和炉料处理工艺、采用覆盖剂、正确控制炉温、正确控制炉气性质、合理地操作方法、加入少量致密度大于一的表面活性元素;9、金属的吸气由那几个过程组成答：第一步,气体分子碰撞到金属表面；第二部,在金属表面气体分子离解为原子；第三部,以气体原子状态吸附在金属表面上；第四部,气体原子扩散进入金属内部;10、减少杂质对金属污染的途径有哪些答：一, 选用化学稳定性高的耐火材料；二,在可能条件下采用纯度较高新金属料以保证某些合金的纯度要求；三,火焰炉选用低硫燃料；四,所有与金属材料接触的工具,尽可能采用不会带入杂质的材料制作；五,变料或转换合金时,应根据前后两种合金的纯度和性能的要求,对熔炉进行必要的处理；六,注意辅助材料的选用；七,加强炉料的管理；11、氧化精炼应具备哪些条件答：基体金属的氧化物能溶解于自身的金属液中,并能氧化杂质元素；杂质元素氧化物不溶于金属熔体中,并与后者分离；基体金属氧化物可用其他元素还原；12、液体金属的对流是一种动量传输过程,按其产生的原因可分为哪三种答：第一种：浇注时流体冲击引起的动量对流；第二种：金属液内温度和浓度不均引起的自然对流；第三种：电磁场或机械搅拌及振动引起的强制对流；13、什么是成分过冷现象答：溶质在分布的结果,使溶质在固/液界面前沿发生偏析;的合金,界面前沿溶质富集；的合金,界面前沿溶质贫化;二者使界面前沿液体的平衡液相线温度降低;与此同时,如果界面前沿液体的实际温度低于,则这部分液体处于过冷状态;这种现象称为成分过冷;14、细化晶粒的原因答：细小等轴晶组织各向异性小,加工时变形均匀,且使易聚集在晶界上的杂质、夹渣、低熔点共晶组织分布更均匀,因此具有细小等轴晶组织的铸锭,其力学性能和加工性能均较好;15、防止缩孔和缩松的途径答：基本途径是,根据合金的体积收缩性、结晶温度范围大小及铸锭结构等,制定正确铸锭工艺,在保证铸锭自下而上顺序凝固条件下,尽可能使分散缩孔或缩松转化为铸锭头部集中的缩孔;16、金属脱氧时,脱氧剂应该满足哪些要求答：①脱氧剂与氧的亲和力应明显大于基体金属与氧的亲和力,他们相差越大,脱氧的效果就越好;②脱氧剂在金属中的残留量应不损害金属性能;③脱氧剂要有适当的熔点和密度,通常多用基体金属与脱氧元素组成的中间合金作为脱氧剂;④脱氧产物应不溶于金属熔体中,易于凝固,上浮而被出去;⑤脱氧剂来源广、无毒、与环境的相容性好;17、铸锭中气体的来源及在铸锭中的存在形式答：①来源：大气中,氢的分压极其微小;可以认为,除了金属原料本身含有气体以外,金属熔体中的气体主要来源于与熔体接触的炉气以及熔剂、工具带入的水分和碳氢化合物等;炉料,金属炉料中一般都溶解有不少气体,表面有吸附的水分,电解金属上残留有电解质,特别是在潮湿季节或露天堆放时,炉料吸附的水分更多;炉气,非真空熔炼时,炉气是金属中气体的主要来源之一;耐火材料,其表面吸附有水分,停炉后残留炉渣及熔剂也能吸附水分;熔剂,许多熔剂都含有结晶水,精炼用气体中也含有水分;操作工具,与熔体接触的操作工具表面吸附有水分,烘烤不彻底时,也会使金属吸气;②存在形式：固溶体,气体和其他元素一样,多以原子状态溶解于晶格内,形成固溶体；化合物,若气体与金属中某元素间的化学亲和力大于气体原子间的亲和力,则可与该元素形成化合物；气孔,超过溶解度的气体及不溶解的气体,则氦气体分子吸附于固体夹渣上,改以气孔形态存在;18、为什么提高浇注温度有可能形成较大的等轴晶、较长的柱状晶答：提高浇注温度,游离晶重熔的可能性增大,故有利于形成较长的柱状晶,同时,浇注温度提高延长了形成稳定凝壳的时间,温度起伏大,故有利于等轴晶的形成,浇注温度提高,合金凝固结晶时间长,晶粒有充分的时间长大,固形成较大的等轴晶;19、为什么黄铜的夹杂含量要低于紫铜答：黄铜含大量易挥发和氧化的锌,在熔炼温度下的蒸气压相当高;含锌量越高,越易氧化和挥发熔损;在960℃时,锌蒸气会把黄铜内的氢、水、气体以及杂质带出;因此黄铜的夹杂含量很低;紫铜中铜的纯度达到%,杂质只能通过静置法和扩散除去,夹杂量比较高;因此黄铜的夹杂含量要低于紫铜;20、说说对流对金属凝固组织的影响;答：金属的对流能引起金属液冲刷模壁和固液界面,造成温度起伏,导致枝晶脱落和游离,促进成分均匀化和传热;对流造成的温度起伏,可以促使枝晶熔断;在对流的作用下,熔断的枝晶将脱离模壁或凝壳,并被卷进铸锭中部的液体内,如它们来不及完全重熔,则残留部分可作为晶核长大成等轴晶;对流的冲刷作用也可促使枝晶脱落;因为铸锭在凝固过程中,由于溶质的偏析,枝晶根部产生缩颈,此处在对流的冲刷作用下易于断开,从而出现枝晶的游离过程;晶体的游离有利于金属液内部晶核的增殖,因而有利于等轴晶的形成;如果能抑制金属液内的对流,则可促进柱状晶的形成;施加稳定磁场,可消弱或抑制金属液内部的对流,阻止晶体的游离,有利于得到柱状晶;21、向金属熔体中吹入惰性气体,有什么精炼作用为什么如何提高其精炼效果答：充入惰性气体会产生吸附作用向金属熔体中导入惰性气体或加入的熔剂能产生中性气体,在气泡上浮过程中,与悬浮状态的的夹渣相遇时,夹渣便可能被吸附在气泡表面而被带出熔体;熔剂的吸附能力取决于化学组成,当增大金属与熔剂间的界面张力,金属与夹渣间的界面张力,降低夹渣与熔剂间的界面张力会加速金属与夹渣的分离;22、简述晶粒细化技术及防止偏析的主要措施;答：晶粒细化技术：增大过冷度；加强金属液流动改变浇注方式、周期性振动、搅拌；变质处理;23、简述金属氧化过程的三个主要环节及金属氧化烧损的影响因素;答：增大过冷度；搅拌；变质处理；降低浇温；加强二次冷却内扩散；外扩散；发生化学反应;金属和氧化物的性质；熔炼温度；炉气性质；炉料状态；熔炉结构及操作方法;五、问答题1.金属在熔炼过程中会发生高温氧化熔损,叙述影响金属氧化的因素及降低氧化的方法;答：影响金属氧化烧损的因素：金属及氧化物的性质纯金属氧化烧损的大小主要取决于金属的亲和力和表面氧化膜的性质;熔炼温度熔炼温度越高,氧化烧损就越大;炉气性质炉气的氧化性强,一般氧化烧损程度也大;其他因素使用不同的炉型,其熔池形状、面积和加热方式不同,氧化烧损程度也不同；在其他条件一定时,熔炼时间越长,氧化烧损也越大;降低氧化烧损的方法：选择合理炉型采用合理的加料顺序和炉料处理工艺采用覆盖剂正确控制炉温正确控制炉气性质合理的操作方法加入少量α＞1的表面活性元素;2. 熔剂在熔炼中的作用,铝合金常用熔剂配方及铜合金常用熔剂配方;答：熔剂与金属熔体直接接触,参与其间的物理化学反应和传热过程;通过对所使用的熔剂成分、性能和加入量的调整,可以提高除渣脱气精炼效果,减少金属氧化、吸气、挥发和与炉衬的相互作用,提高金属质量和收得率以及延长炉衬寿命;同时还可借熔剂来加入合金微量元素和作变质剂,以抑制一些微量杂质的有害作用,改善合金的工艺性能;此外,电渣炉中的熔剂作为电阻发热体,起着重要的精炼意义;铝合金覆盖剂50%NaCl+50%KCl 精炼剂细化剂45%NaCl+40%NaF+15%Na3AlF6铜合金常用木炭和米糠作覆盖剂;3.金属在熔炼过程常产生夹渣,请叙述夹渣种类和来源和除渣精炼原理及这些原理应用在何种合金冶炼中;答：种类：按夹渣的化学成分不同可分为氧化物、复杂氧化物、氮化物、硫化物、氯化物、氟化物、硅酸盐、碳化物、氢化物及磷化物等;按夹渣的形状可分为薄膜状和不同大小的团块状或粒状夹渣;来源：外来夹渣,由原材料带入的或在熔炼过程中进入熔体的耐火材料、溶剂、锈蚀产物、炉气中的灰尘以及工具上的污物等;内生夹渣,在金属加热及熔炼过程中,金属与炉气和其他物质相互作用生成的化合物;原理：A比重差作用,当金属熔体在高温静置时,非金属夹杂物与金属熔体比重不同,因而产生上浮或下沉;比重差作用原理主要适用于Cu及Cu合金中;B吸附作用,向金属熔体中导入惰性气体或加入溶剂产生的中性气体,在气泡上浮过程中,与悬浮状态的夹渣相遇时,夹渣便可能被吸附在气泡表面而被带出熔体;通常适用于Al及Al 合金中;C溶解作用,非金属夹杂物溶解于液态溶剂中后,可随溶剂的浮沉而脱离金属熔体;适用于Al及Al合金中;D化合作用,化合作用是以夹渣和溶剂之间有一定亲和力并能形成化合物或络合物为基础的;适用于熔炼温度较高的铜、镍等合金;E机械过滤作用,当金属熔体通过过滤介质时,对非金属夹杂物的机械阻挡作用;过滤介质间的空隙越小,厚度越大,金属熔体流速越低,机械过滤效果越好;适用于含有与熔体密度相差不大、粒度甚小而分散度极高的非金属夹杂物的金属;4.对流对金属凝固组织的影响;答：金属的对流能引起金属液冲刷模壁和固液界面,造成温度起伏,导致枝晶脱落和游离,促进成分均匀化和传热;对流造成的温度起伏,可以促使枝晶熔断;在对流的作用下．熔断的枝晶将脱离模壁或凝壳,并被卷进铸锭中部的液体内,如它们来不及完全重熔,则残留部分可作为晶核长大成等轴晶;对流的冲刷作用也可促使枝晶脱落;因为铸锭在凝固过程中,由于溶质的偏析,枝晶根部产生缩颈,此处在对流的冲刷作用下易于断开,从而出现枝晶的游离过程;晶体的游离有利于金属液内部晶核的增殖,因而有利于等轴晶的形成;如果能抑制金属液内的对流,则可促进柱状晶的形成;施加稳定磁场,可消弱或抑制金属液内部的对流,阻止晶体的游离,有利于得到柱状晶;5、常用铸造有色合金包括铸造铝合金、铸造镁合金、铸造铜合金、铸造锌合金及铸造轴承合金,下同的分类、合金牌号及其特点、掌握合金材质选用及其熔铸工艺确定的原则；6、简述Al-Si、Al-Cu、Al-Mg和Al-Z n系铸造合金的主要特点及其用途;答：铸造用的铝合金主要是由Al-Si、Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn四个二元基本合金系以及在此基础上,再添加少量其他元素形成的多元合金系组成的;1Al-Si合金系≥5%Si 该系合金具有良好的铸造性能,铝中添加硅后,能明显提高铝液的流动性和铸造充填性能；减少收缩和热裂倾向;含有较多硅的合金热膨胀系数小、耐磨性能优良;含有少量的Mg、Cu等合金元素组成的多元Al-Si合金通过热处理有明显析出强化的效果,适用于多种铸造方法;现在铸造铝铸件大多数都是采用该系合金,它是铸造铝合金中牌号最多,应用最广泛的一类合金;2Al-Cu合金系≥4%Cu该系合金添加的Cu起固溶强化的作用,所以合金具有较高的强度和耐热性能；但密度大,耐蚀性能和铸造性能较差,易产生热裂,常用于制造较高温度下<300℃工作的高强度的零件,如内燃机气缸头、增压器导风叶轮等;3Al-Mg≥５%Mg该系合金具有优异的耐蚀性、强度高、密度小、切削及抛光性能也较好；但其铸造性能差,合金液易氧化,熔炼和铸造工艺较复杂;主要用于制造在大气和海水中工作的耐腐蚀性高且承受一定冲击载荷、形状较简单的零件,如船舶配件和机械壳体等;4Al-Zn合金系Zn5-13%该系合金是研究应用最早的铸造铝合金,其主要特点是价格较低,制备工艺简单,不需要热处理就能得到较高的强度；但密度大,耐蚀性能和铸造性能较差,高温性能低;主要用于制造压铸仪表壳体类零件、模具和模板等;7、以ZL102合金为例,分析其组织形态在变质处理前后的变化;答:基本成分Si10-13%；变质处理：钠盐变质—二元变质剂;铝硅合金室温下组织为αAl和βSi两相组成;未变质时,Al-Si合金中的相呈针片状或粗大块状导致铝合金力学性能不高;变质后共晶组织为：共晶体α+β;8、试分析亚共晶和过共晶Al-Si合金变质剂及其处理特点;答: 亚共晶Al-Si合金常采用钠变质剂;特点：1变质效果稳定；2变质效果保持时间短,变质剂易吸潮,腐蚀铁质坩埚;锶变质剂属于长效变质剂;过共晶Al-Si合金的变质处理：1采用磷变质剂,在熔体中磷与铝化合形成难熔的AlP小颗粒,其晶体结构与硅相似,可作为初生硅晶体的异质晶粒；2变质工艺有三类—磷铜中间合金、含赤磷的盐类混合物和不含赤磷的盐类复合变质剂；3影响其变质效果的有关因素; 9、为什么铸造铝合金铸件容易产生气针孔缺陷如何防止此种缺陷的产生答:1在铝液凝固冷却过程中,氢原子、氢分子和化合物态氢元素分别以不同形式析出；气泡从铝液中上浮析出时,其中一部分未能上浮至液面逸出,则留在铝液内使铸件产生气孔;2防止措施：防止水分进入熔炉最大限度地清除炉料、熔剂、工具和熔炉等所附着的水分,防止合金熔炼时吸氢和氧化；排除已进入铝液中的氢气和氧化夹杂物；加大凝固时的压力或采用快速凝固的方法;10、铝合金氧化夹杂物的来源是什么常用的精炼措施有哪些答:1铝合金液的氧化：熔炼时,铝液与炉气中诸成分O2、CO2、CO、H2O接触时均产生氧化反应,反应产物Al2O3化学稳定性极高,是铝铸件中的主要氧化夹杂物;2铝液中的夹杂物：在浇注前已在铝液中形成的氧化夹杂物称为一次氧化夹杂,它在铸件中分布无规律；在浇注或转包过程中形成的氧化夹杂物成为二次氧化夹渣,大多分布在铸件壁的转角处或最后凝固的部位;3常用的精炼措施有：吸附精炼与非吸附精炼;吸附精炼：1浮游法通N2、Ar、Cl2、氯盐、无毒精炼剂；2溶剂法覆盖剂、精炼用熔剂；3过滤法精炼;非吸浮精炼：真空精炼、振动去气除渣处理;11、试分析ZL101合金T6热处理的工艺及其目的;答: ZL101合金T6热处理的工艺：固溶处理加人工时效;固溶处理：加热温度535±5℃,保温时间2-6h,冷却介质及温度：水60-100℃；人工时效：。
熔炼与铸锭
➢ 工艺过程：如右图所示。
➢ 特点和应用：
1、冷却速度快，组织致密， 机械性能好；
2、工艺简单，生产效率高； 3、适于横截面一定的钢材、
铝材和铸铁管等铸件的生产。
连续铸造工艺过程示意图
五、凝固理论的实际应用举例
一、铸锭（铸件）的宏观组织控制：三层典型组
织 1.激冷层（表面细晶区） 2.柱状晶区3.中心等轴晶区
思 考：若要避免柱状晶的出现，应采用哪种凝固方式，并 如何实现？
二 铸锭的收缩：
定义：收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过
程中，其体积或尺寸缩减的现象。
分类：分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。
浇注温
铸 液态收缩 度
锭 温
开始凝固温度
体
度 降
凝固收缩
积 收
低
凝固终止温度
缩
固态收缩
线收
室温பைடு நூலகம்
缩
防止措施：采取顺序凝固的办法避免缩孔、疏松的出现。
顺序凝固：是指通过在铸件上可能出现疏松的后大部位 安装冒口或放置冷铁等工艺措施，使铸件上远 离冒口的部位先凝固（图中Ⅰ），尔后在靠近 冒口的部位凝固（图中Ⅱ、Ⅲ），最后是冒口 本身凝固。
➢ 裂纹与变形：
在铸锭的固态收缩阶段会引起铸造应力。
铸造应力：
例：三个成份相同，但铸造温度和 铸模材料不同的铸件得到三种横截 面： A.粗等轴晶 B.细等轴晶 C. 典型三层晶带组织，试解释为何产 生不同的组织。
A 高的浇注温度，导热性差的砂模
B 低的浇注温度,导热性差的砂模
C 适中的浇注温度,导热性好的砂模
铸锭的宏观组织控制：控制晶粒的大小
a.增加过冷度 过冷度增大，N/V0增加 实际结晶时，过冷度是由冷却速度来控制的
简述细化铸态晶粒的方法
简述细化铸态晶粒的方法
细化铸态晶粒的方法
细化铸态晶粒是指采用特定的方法，使铸态晶粒变小，以提高材料性能。
铸态晶粒细化的方法有：
一、熔炼工艺改变：熔炼工艺改变是指改变加热、保温、吹气、流动等过程参数，调节液态金属的温度、流动性及吹气力、分解度等，从而控制铸态晶粒的形状及尺寸。
如采用低温加热及均匀熔炼、快速冷却等，可以减少钢晶粒的大小，提高材料的性能。
二、复合铸造：复合铸造是指通过不同材料、各种合金元素、抗拉强化材料等，在一定条件下，将各种材料添加到液态金属中，形成复合铸件，以改变铸态晶粒的形状、大小、晶粒粗糙度等，提高铸件的性能。
三、铸模技术：铸模技术是指将液态金属通过铸模塑造出不同形状及结构的铸件，以改变晶粒的形状、大小及结构等，并利用施加的压力、冲击等作用，使铸态晶粒的细化。
四、冷轧工艺：冷轧工艺是指采用冷轧方法将60~70℃的铸锭进行轧制，实现晶粒的细化，使晶粒更细小，改善材料性能和力学特性。
五、外加冲击：外加冲击是指通过外部冲击作用，如振动、冲击、挤压等，使晶粒得到细化，从而改善材料性能和力学特性。
六、热处理：热处理是指将金属材料经不同的温度和时间，在特定的气氛中加热，以改变金属的组织结构和性能。
热处理过程中，也可实现晶粒的细化，改善材料的性能。
有色金属加工-熔炼与铸锭..
金属液中气体的溶解与检测
熔体中溶解的气体：H2（70~90%）、CO2、 CO、N2、CnHm 气体的溶解机理：与金属有一定结合能力的气 体，都能不同程度溶解于金属熔体；与金属无 结合能力的气体，不溶解于金属熔体，只被吸 附 熔体中气体的危害：引起铸锭产生气孔或组织 疏松 气体含量测定：第一气泡法
铝合金牌号
铝合金牌号
1xxx系 2xxx系 3xxx系 4xxx系 5xxx系 6xxx系 7xxx系 8xxx系 9xxx系
镁合金牌号
产品牌号以英文字母加数字再加英文字母的形式表示 。前面的2位英文字母是其最主要的合金组成元素代 号(元素代号符合表1的规定)，其后的2位数字表示其 最主要的合金组成元素的大致含量。最后面的一个英 文字母为标识代号，用以标识各具体组成元素相异或 元素含量有微小差别的不同合金
火焰炉
感应炉
熔炼炉的结构
电阻反射式熔炼炉：通 过电热体放出的热量加 热炉顶和炉墙，热量再 由炉顶、炉墙以辐射方 式传递给被加热的物料， 使之不断升温熔化 固定式方形电阻反射炉 结构：炉壳、炉基、炉 底、炉墙、炉顶、炉温 控制和测量系统
静置炉
用于接受在熔炼炉中熔炼好的熔体，并在其中 进行精炼、静置和调整熔体温度，在铸造过程 中对熔体起保护作用 电阻反射炉作静置炉
确定炉料组成和配料比的基本原则
炉料组成：构成炉料的各个品种和每个品种的 品位 配料比：一炉炉料中每一种炉料所占的比例 原则：
成分原则 质量原则 工艺原则 经济原则 物料平衡原则
铸锭晶粒组织及其细化
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6.1.2 柱状晶区的形成
o 在表面细等轴晶区内，生长方向（立方金属为<100>）与散热方 向平行的晶粒优先长大，而与散热方向不平行的晶粒则被压抑。 使愈往铸锭内部晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向生长并 互相接触而形成柱状晶区。如图6-2。 o 柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。
o 固／液界面前沿温度梯度大，凝固区窄，从界面上脱落的枝晶易 于被完全熔比。
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枝晶的熔断及游离
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枝晶的熔断及游离
• 枝晶熔断现象在无对流的情况下也可发生。由于杖晶缩颈处表面 张力大，熔点较低， 在固／液两相共存温度下保温，该处有可 能被熔断，此即等温粗化模型2所示情况(见图5－9)。此外，强烈 过冷形成的细小枝晶，在结晶潜热作用下，将会被熔断而形成极 细小的粒状晶。在上述两种情况下，如有对流存在，则更易形成 等轴晶。
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6.1.2 柱状晶区的形成
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柱状晶区的影响因素
o 凡能阻止晶体脱离模壁和在固／液界面前沿形核
的因素， 均有利于扩大柱状晶区。如模壁导热性 好，激冷作用强，易形成稳定的凝壳，则柱状晶 发达。合金化程度低，溶质偏斩系数小，成分过 冷弱， 晶拉或枝晶根部不易形成缩颈而被熔断， 也较易于获得挂状晶。
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6.1.1 表面细等轴晶区的形成
o 传统的理论认为，当过热金属浇入锭模时，与模壁接触的一层液 体受到强烈激冷，产生极大过冷，并由于模壁的形核作用，因而 在模壁附近的过冷液体中大量生核，并同时生长成柱状细等轴晶。 o 液体金属的对流对表面细等轴晶区的形成有决定性的影响。 o 浇注时流柱引起的动量对流，液体内外温差引起的热对流，以及 由对流引起的温度起伏，均可促使模壁上形成的晶核粒脱落和游 离，增加凝固区内的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。但 是，如果无对流，即使有强烈的激冷， 也不一定形成细等轴晶 区。
有色金属熔炼与铸锭 ppt课件
1.熔体温度
2.金属及合金元素
3.炉膛压力
4.其他因素
夹渣和除渣精练
1.非金属夹渣物的种类和来源
氧化物、氮化物、硫化物、硅酸盐等非金属化合物在金属 中都以独立相存在—统称为非金属夹杂物。（简称夹杂或夹 渣）
▲按化学成分可分为：氧化物、复杂氧化物、氮化物、硫 化 物、氯化物、氟化物、硅酸盐、碳化物、氢化物、磷 化物等；
（1）脱氧剂与氧的亲和力应明显地大于基体金属与氧的亲和力
（2）脱氧剂在金属中的残留量应不损害金属性能
(3）脱氧剂要有适当的熔点和比重
(4）脱氧产物应不溶于金属熔体中，易于凝聚、上浮而被除去
(5）脱氧剂不稀贵，且无毒
2.脱氧方法及特点：
沉淀脱氧：5[Cu2O]+2[P]=P2O3+10[Cu] 扩散脱氧：脱氧剂加在金属熔体表面或炉渣中，脱氧反应 仅在炉渣-金属熔体界面上进行（溶于金属中的氧会不断地 按分配定律向界面扩散而脱氧
影响氧化烧损的因素及降低氧化烧损的方法
影响金属氧化烧损的因素：
一、金属及氧化物的性质
纯金属氧化烧损取决于金属与氧的亲和力和金属表面氧 化膜的性质 Mg、Li与氧亲和力大，而且a<1，氧化烧损大 Al、Be 与氧亲和力大，但a>1，氧化烧损小 Au、Ag、Pt与氧亲和力小，a>1，故很难氧化
例外情况：a>1，但线膨胀系数与基体金属不相适应则 易产生分层，断裂而脱落—显然也属于易氧化烧损金属
1.氧由气相通过边界层向氧-氧化膜界面扩散（即外扩散）
VD=DA/δ *(C0O2-CO2)
D—氧在边界层中的扩散系数，A、δ—边界层面积和 厚度
C0O2、CO2—边界层外和相界面上氧的浓度
图1-2
有色金属熔炼和铸造PPT讲稿
图中处在越下部的金属与氧的结合能力越强，由此产生 金属冶炼中的金属热还原法。
Me MO MeO M
Me 为还原剂， M为O 金属氧化物，作氧化剂。
例如： 4 Al 3TiO2 3Ti 2Al2O3
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氧化动力学机制
2.氧通过固体氧化膜向氧化膜-金属界面扩散（即内扩散）
vD
DA
(CO
2
CO' 2 )
D—氧在氧化膜中的扩散系数，δ—氧化膜的厚度
C´O2—反应界面上的浓度
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氧化动力学机制
内扩散
vD
DA
(CO
2
CO' 2 )
金属氧化机理示意图
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当前你正在浏览到的事第十八页PPTT，共七十七页。
当前你正在浏览到的事第十九页PPTT，共七十七页。
氧化热力学条件及判据
当前你正在浏览到的事第二十页PPTT，共七十七页。
• 由式(1．11)可以看出，气相氧的分压P02高，
组元含量[i%]多及活度系数大，则氧化反应 趋势大。因此，在实际熔炼条件下，元素的氧 化反应不仅与ΔG有关，而且反应物的活度 和分压也起很大作用。改变反应物或生成物 的活度与炉气中反应物的分压，可影响氧化 反应进行的顺序、趋势和限度，甚至改变反 应进行的方向。
(1)
分解压与温度的关系可以由ΔG-T关系导出。由ΔG=A+BT
及公式（1-2）可得：
RT ln pO2 =A BT
A<0
A BT A
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晶体沉积形成中心等轴晶区的过程
大量晶体在对流作用下，沿模壁下沉；部分晶体由于模壁的冷却， 积聚在模壁上形成表面细等轴晶；部分晶体由于对流作用被卷向 铸锭中部，悬浮在液体中。 随着温度的降低，对流的减弱，沉积于铸锭下部的晶体越来越多； 表面细等轴晶通过竞争生长形成柱状晶区； 中部晶体长大后与柱状晶相遇，凝固结束。
➢ 形成表面细等轴晶区的影响因素
（1）浇温高，显热的散失使模温迅速升高，过冷度迅速降低，形成 稳定晶核数减少。脱离模壁的晶粒少或易于被完全重溶，因而表面等 轴晶区窄； （2）当模壁激冷作用过强时，细等轴晶区也变窄甚至消失； （3）合金中元素含量较高时，晶粒或枝晶根部易形成缩颈而游离， 细等轴晶区变宽。
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10.2 铸锭异常晶粒组织
10.2.1 异常粗大晶粒 表层粗晶粒 悬浮晶 粗大金属间化合物
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10.2 铸锭异常晶粒组织
表层粗晶粒
通常铸锭表层为细等轴晶。但在连续铸锭表层中，宏观 组织也可能由冷隔、细晶粒和粗晶粒组成。由于传热过程受 到影响，使形成稳定凝壳的时间延迟，只有少量晶核在该处 长大成粗大晶粒。
合金凝固时，如在固/液界面前沿能始终保持较大的温度 梯度，则柱状晶区可延伸至铸锭中心，直至与由对面模 壁生长过来的柱状晶相遇为止，如图所示。
铸锭中具有单一柱状晶组织示意图
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柱状晶区的影响因素
金属液内对流的影响 对流的冲刷作用以及对流造成的温度起伏，会使晶体脱落
及游离，有利于等轴晶的形成，不利于柱状晶形成。 施加稳定磁场，或沿一个方向恒速旋转锭模，可消弱或抑制
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10.1.2 柱状晶区的形成
细晶区形成后，模壁温度升高，散热减慢， 冷速降低，过冷度减小，不再生核
在表面细等轴晶区内，生长方向（立方金 属为<100>，六方金属<10-10>）与散 热方向平行的晶粒优先长大，而与散热方 向不平行的晶粒则被压抑。愈往铸锭内部 晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向 生长并互相接触而形成柱状晶区。
柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下 形成的。
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10.1.2 柱状晶区的形成
形成柱状晶区的影响因素
凡能阻止晶体脱离模壁和在固/液界面前沿形核的因素， 均有利于扩大柱状晶区。
如模壁导热性好，激冷作用强，易形成稳定的凝壳，则柱 状晶发达。
合金化程度低，溶质偏析系数小，成分过冷弱，晶粒或枝 晶根部不易形成缩颈而被熔断，也较易于获得柱状晶。
• 凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其比重大于或小于
液体比重，也会产生对流，晶体被卷入铸锭中心，然后长 大成等轴晶。
凝固初期因比重不同引起的对流
（a）晶体比重小于金属液；（b）晶体比重大于金属液
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枝晶的熔断及游离
枝晶长大时，在其周围 会形成溶质偏析层，因而抑 制枝晶生长；由于此偏析层 很薄，枝晶一旦穿过该偏析 层，就会迅速生长变粗，在 偏析层内留下缩颈。这种带 缩颈的枝晶，在对流作用下 易被熔断，其碎块游离至铸 锭中心，在温度较低的情况 下，长成为中心等轴晶。
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10.1.3 中心等轴晶区的形成
公认的形成中心等轴晶区的方式有三种，即：
• 表面细等轴晶的游离； • 枝晶的熔断及游离； • 液面或凝壳上晶体的沉积。 • 凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其比重大
于或小于液体比重，也会产生对流，晶体被卷入 铸锭中心，然后长大成等轴晶。
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10.1.3 中心等轴晶区的形成
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10.1.2 柱状晶区的形成
形成柱状晶区的影响因素 提高浇注温度，游离晶重
熔的可能性增大，故有利 于扩大柱状晶区。
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柱状晶区的影响因素
合金凝固时，随合金含量提高，由于溶质偏析产生成分过 冷，促进晶体根部颈缩及脱落，使固/液界面的前沿晶核 增殖，不利于获得柱状晶，柱状晶区变窄。
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柱状晶区的影响因素
第十讲 铸锭晶粒组织及其细化
10.1 铸锭正常晶粒组织 10.2 铸锭异常晶粒组织 10.3 晶粒细化技术
10.1 铸锭正常晶粒组织
铁模铸锭的晶粒组织常由三个区域组成： 表面细等轴晶区（激冷晶区） 柱状晶区 中心等轴晶区
铸锭具有上述三种晶区，各自的宽窄也会 因合金成分、铸锭方法和工艺的不同而不同。
在同一铸锭条件下，纯金属多形成柱状晶， 合金则常形成粗等轴晶。
对于同一合金，用冷却强度大的连铸方法，
易于形成细长柱状晶，用铁模铸锭时可得到粗 等轴晶或柱状晶。
图 具有三个晶区的铸锭晶粒 组织示意图
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10.1.1 表面细等轴晶区的形成
➢ 形成表面薄层细等轴晶区的原因
✓ 与模壁接触的金属液薄层激冷产生极大过冷，形核率大增 ✓ 动量对流、热对流，以及由对流引起的温度起伏 ✓ 结晶快，潜热来不及散失，液-固界面温度升高，停止发展，所以薄
• 等轴晶晶核的来源
(1) 均质生核形成中心等轴晶区：中心等轴晶区是在柱状晶 区包围的残余液体中，同时过冷生核而形成。从热力学 观点看，均质生核需要较大的过冷度，这在一般铸锭条 件下是难以满足的。
(2) 成分过冷引起中心非均质生核：当出现成分过冷时， 由于固/液界面处过冷度最小，柱状晶生长被抑制，而 界面前沿过冷度较大的地方，利于非均质生核而形成等 轴晶区。
枝晶缩颈的形成示意图，虚线表示溶质偏 析层
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枝晶的熔断及游离
Slowly cooled
Quickly cooled
过共晶Co-33Ge合金形成的（a）枝晶颈缩与断开，（b）颈缩枝 晶及枝晶断开的碎块
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枝晶的熔断及游离
枝晶熔断现象在无对流的情况下 也可发生。由于枝晶缩颈处表面张力大， 熔点较低，在固/液两相共存温度下保 温，该处有可能被熔断，此即等温粗化 模型II所示情况。此外，强烈过冷形成 的细小枝晶，在结晶潜热作用下，将会 被熔断而形成极细小的粒状晶。在上述 两种情况下，如有对流存在，则更易形 成等轴晶。
金属液内部的对流，阻止晶体的游离，有利于得到柱状晶； 定向凝固，关键是保证单向导热，保持较大的温度梯度和较
小的凝固速度。
定向凝固
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柱状晶区的影响因素
在铁模中凝固比在砂模中 更易获得柱状晶。
冷却速度、传热过程、凝 壳形成。
砂模和铁模中晶体游离对比 （a）砂模；（b）铁模
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10.1.3 中心等轴晶区的形成