材料成形原理第十章偏析.ppt

重 力 偏 析 在铸锭中经常发现底部和顶部存在着明显的成分差异。这除 了是由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析外，在许多场 合，是由于固、液两相之间或互不相溶的液相之间有的密度不 同，在凝固过程中发生沉浮现象而造成的，故称重力偏析。 重力偏析产生在铸件凝固之前或刚刚开始凝固之际。绝大多数 的合金，固相密度较液相大，所以初生晶总要下沉，所谓的“结晶 雨”即指此而言，从而使铸锭上部和下部的化学成分不同。例如Cu- Pb合金，由于铜和铅的密度相差较大，液体存在分层现象，上部 含Cu多，下部含Pb多，在浇注前即使搅拌，凝固后的铸件也会产 生重力偏析。 重 力 偏 析 铸件在凝固过程中，固液两相区内的液体存在密度差，在重力作用下，发生向上或向下流动，也形成重力偏析。例如，一断面均匀的Al-4.5%Cu合金铸件，水平浇注，一端设置冒口，如图所示。 铸件从另一端沿水平方向单向凝固，在凝固前沿的固液两相区内液体沿X轴方向存在温度、成分和密度差。靠近固相边界的流体含Cu量高，密度大，在重力作用下向下流动，导致重力偏析的产生。 重 力 偏 析 在其它条件相同时，固液相之间或互不相溶的液体之间的密度差越大，则重力偏析越严重。因此，一些以W、Pb等重金属为溶质的合金或一些以铝镁等轻金属为溶质的合金，如何防止或减轻重力偏析是生产中的主要问题之一。加快结晶速度，机械搅拌液态金属可以减轻重力偏析。加入第三组元，形成高熔点、密度与液相相近的固相，先形成枝晶骨架，可阻止偏析相浮沉。例如，向Pb-Sn17%合金中加入1.5%Cu，首先形成CuPb骨架，即可减轻和消除比重偏析。 宏观偏析的预防与消除 宏观偏析是由于铸件在凝固期间固相和液相的沉浮以及未凝固的 液体在枝晶间的流动等造成的铸件各个部位间的化学成分不均匀的现 象，是一种较长距离的偏析。通过均匀化退火很难完全消除。 防止对策 ： 对于因密度差异所造成的重力偏析，可通过在熔炼时和浇注前充分搅匀合金熔液；尽量缩短合金熔液停放时间；加入某种合金元素，遏制比重偏析，铸件凝固时，强化冷却，加速凝固；合理控制铸件凝固方向等加以预防。 对于区域偏析(正常偏析或逆偏析)，不能用均匀化扩散退火方法子以消除，因为偏析的溶质元素扩散距离过长而不能奏效，故应以预防为主。主要是铸件结构应理，避免有过度肥厚断面以免在此产生区域偏析，强化冷却，使铸件迅速凝固，添 加合金元素，遏制偏析。 改善宏观偏析的基本方法 根本措施：细化晶粒，增加细等轴晶数量。等轴晶区的大小与偏析的关系见图1 。 工艺方法： 1、控制冷却速度（低过热浇注、提高外部冷却强度）。浇注温度与等轴晶数量关系见图2。 2、生核处理。其方法前面已介绍。 3、悬浮浇注。 * * §6-2宏 观 偏 析 宏观成分偏析是铸锭，特别是合金铸锭和大型铸件生产中经常遇到的一种铸造缺陷。它的形成不仅取决于合金自身的结晶特点，而且与凝固过程中的传热、传质以及液相的流动方式密切相关。本世纪以来，随着钢铁工业和科技的飞速发展，人们对凝固中出现的各种宏观偏析现象进行了大量的、系统的研究。 在保证凝固前沿为平界面时，铸件内的宏观偏析可用Scheil方程近似的描述。但在实际生产条件下，保证凝固前沿为平面是困难的，往往存在两相区。此时，铸件生产宏观偏析的途径：1）在铸件凝固早期，固相或液相的沉浮；2）在固液两相区内液体沿枝晶间的流动。下面我们将就有关宏观偏析的问题进行讨论。 一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响 研究发现，液态金属沿枝晶间的流动对铸件产生宏观 偏析起着重要的作用。金属沿枝晶间流动的原因主要是： 1）熔体本身的流动驱使固液两相区内的液体流动； 2）由于凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； 3）由于密度差而发生的对流。 在凝固过程中铸件中存在温差，因此，在同一时刻铸件各处未凝液相的数量是不同的。 一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响 1、产生宏观偏析的条件 当考虑枝晶间有液体流动时，枝晶的溶质分布可用下式描述 β—凝固收缩率; μ—等温线移动速度; ν—液体沿μ方向的流动分速度； —固液界面上固相的溶质浓度； K0—平衡分配系数； C0—原始浓度； fs—固相分数。 一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响 若干个枝晶的范围内的平均固相成分： 显然，若 等于C0 时，无宏观偏析，大于C0时，为正偏析，小 于C0时，为负偏析。 决定 值得关键为q，上式即