第五章 凝固組織的控制

1、2021-7-20金屬凝固原理第五章第五章 鑄件凝固組織控制鑄件凝固組織控制 鑄件凝固組織的形成鑄件凝固組織的形成等軸晶的晶粒細化等軸晶的晶粒細化 凝固組織中的偏析及其控制凝固組織中的偏析及其控制 凝固收縮及其控制凝固收縮及其控制半固態(tài)金屬的特性及半固態(tài)鑄造半固態(tài)金屬的特性及半固態(tài)鑄造 2021-7-20金屬凝固原理第一節(jié)第一節(jié) 鑄件凝固組織的形成鑄件凝固組織的形成 鑄件凝固過程中的溫度分布與凝固方式(a)(b)(c)(d)平界面等軸晶柱狀晶等軸晶 1 1凝固條件與晶體生長方式凝固條件與晶體生長方式 2021-7-20金屬凝固原理金屬或合金在鑄型中凝固時金屬或合金在鑄型中凝固時, ,可以分為液

2、相區(qū)、固相區(qū)和可以分為液相區(qū)、固相區(qū)和液固兩相區(qū)三個區(qū)域。液固兩相區(qū)三個區(qū)域。金屬或合金凝固分區(qū)示意圖X X鑄型固相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)液固兩相區(qū)液相區(qū)液相區(qū) 2 2金屬或合金的凝固方式金屬或合金的凝固方式 2021-7-20金屬凝固原理固液兩相區(qū)較窄時固液兩相區(qū)較窄時呈現強烈的逐層凝固逐層凝固特點；固液兩相區(qū)較寬時固液兩相區(qū)較寬時逐層凝固特征不明顯，呈現糊狀凝固糊狀凝固特點，造成液相補縮困難。固液兩相區(qū)寬度將對凝固時液相補固液兩相區(qū)寬度將對凝固時液相補縮的影響縮的影響固液兩相區(qū)固液兩相區(qū)寬度較窄寬度較窄固液兩相區(qū)寬固液兩相區(qū)寬度較寬度較寬Cu600Al548T(）C1C21X2X2021-7-

3、20金屬凝固原理凝固動態(tài)曲線 在凝固件橫斷面處設置溫度傳感器測定冷卻曲線，即溫度-時間曲線。據不同斷面的冷卻曲線，結合該合金的相圖，便可以繪出凝固件斷面液相線-固相線與凝固時間的關系-凝固動態(tài)曲線。 由凝固動態(tài)曲線可以看出合金在凝固件中的凝固方式。熱流熱流方向方向x熱流熱流方向方向2021-7-20金屬凝固原理TLTsCu600Al548T(）鑄件凝固動態(tài)曲線的繪制鑄件凝固動態(tài)曲線的繪制a)a)鑄件斷面的溫度鑄件斷面的溫度- -時間曲線時間曲線b)b)凝固動態(tài)曲線凝固動態(tài)曲線c)c)某時刻的凝固狀態(tài)某時刻的凝固狀態(tài)2021-7-20金屬凝固原理工業(yè)純鋁鑄件斷面的凝固動態(tài)曲線a)砂型鑄造b)金屬

4、型鑄造金屬及合金的凝固方式并不唯一取決于相圖，它還與凝固時的溫度梯金屬及合金的凝固方式并不唯一取決于相圖，它還與凝固時的溫度梯度相關。度相關。金屬及合金的凝固方式金屬及合金的凝固方式逐層凝固逐層凝固糊狀凝固糊狀凝固2021-7-20金屬凝固原理影響凝固方式的因素影響凝固方式的因素 凝固方式一般由合金固液相線溫度間隔和凝固件斷面溫度梯度兩凝固方式一般由合金固液相線溫度間隔和凝固件斷面溫度梯度兩個因素決定。凝固溫度間隔大的合金傾向于糊狀凝固；反之傾向于逐個因素決定。凝固溫度間隔大的合金傾向于糊狀凝固；反之傾向于逐層凝固層凝固S SS SS+LS+LS+LS+LL LT TL LT TS ST逐層凝

5、固SSS+LT TL LT TS ST糊狀凝固2021-7-20金屬凝固原理2. 2. 鑄件的典型凝固組織與形成過程鑄件的典型凝固組織與形成過程 鑄件典型凝固組織內部等軸晶區(qū)表面細晶區(qū)柱狀晶區(qū)表面細晶粒區(qū)。它是緊靠型壁的一個外殼層，由紊亂排列的細小等軸晶所組成； 柱狀晶區(qū)。由自外向內沿著熱流方向彼此平行排列的柱狀晶所組成； 內部等軸晶區(qū)。由紊亂排列的粗大等軸晶所組成。 2021-7-20金屬凝固原理 當液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時，型壁附近熔體由于受到強烈的激冷作用而大量生核加上型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和晶粒增殖等各種形式的晶粒游離過程，在鑄型表面形成了無方向性的表面細等軸晶組織。 一旦型壁晶

6、?；ハ噙B接而構成穩(wěn)定的凝固殼層，處在凝固界面前沿的晶粒便開始向內生長，在垂直于型壁的單向熱流的作用下，那些擇優(yōu)生長方向與熱流方向平行的枝晶，生長速度快，逐步淘汰取向不利的晶粒而發(fā)展成柱狀晶組織。 隨著熔體的不斷冷卻，由于生核及晶粒游離、枝晶熔斷等在柱狀晶前沿產生大量等軸晶，并形成內部等軸晶區(qū)。 Southin認為內部等軸晶區(qū)的形成不僅要求界面前方存在有等軸晶的晶核，而且還要求這些晶核長到一定的大小，并形成網絡以阻止柱狀晶區(qū)的生長。 Fredriksson等人則認為內部等軸晶區(qū)的產生是由一部分游離晶的沉淀和一部分游離晶被側面生長著的柱狀前沿捕獲后而形成的。 Wizke等及Lipton等的研究表明

7、，液相流動對凝固界面前的液相成分過冷度的形成具有重要影響，而該過冷度則是決定等軸晶形成的關鍵因素，可作為柱狀晶向等軸晶轉變的判據。2021-7-20金屬凝固原理3. 3. 等軸晶的形核等軸晶的形核（1）型壁處的晶粒游離 液態(tài)金屬在鑄型型壁的激冷作用下依附型壁形核，這些晶粒在長大過程中由于根部溶質的富集產生根部“縮頸”現象，并在流體的機械沖刷和溫度反復波動的熱沖擊下，自型壁脫落形成游離晶。 （2）枝晶熔斷 枝晶生長過程中，在樹枝晶各次分枝的根部同樣會由于溶質富集產生“縮頸”現象，并在液流沖刷和熱波動的作用下發(fā)生熔斷、脫落，形成自由晶體。 （3）表面凝固和“晶雨”的形成 表面形成的晶核由于密度比液

8、體大而下沉，另外液相的流動和表面的擾動會帶動表面形成的晶核下落形成“晶雨”。 合金的澆注過熱度對游離晶的形成具有決定性的影響液相流動對枝晶熔斷具有重要影響人為地進行表面振動有利于“晶雨”的形成 2021-7-20金屬凝固原理4. 4. 鑄件凝固組織形態(tài)的控制鑄件凝固組織形態(tài)的控制 凝固組織形態(tài)的控制主要是晶粒形態(tài)和相結構的控制。相結構在很大程度上取決于合金的成分，而晶粒形態(tài)及其尺寸則是由凝固過程決定的。 晶粒形態(tài)的控制是凝固組織控制的關鍵，其次是晶粒尺寸。 柱狀晶比較粗大，晶界面積小，并且位向一致。因而其性能具有明顯的方向性：縱向好，橫向差。此外，其凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質，特別是

9、當不同方位的柱狀晶區(qū)相遇而構成晶界時大量夾雜與氣體等在該處聚集將導致鑄件熱裂，或者使鑄件在以后的塑形加工中產生裂紋。 等軸晶區(qū)的界面積大，雜質和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向也各不相同，故性能均勻而穩(wěn)定，沒有方向性。其缺點是枝晶比較發(fā)達，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。等軸晶細化能使雜質和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項性能。一般說來，晶粒越細，其綜合性能就越好，抗疲勞性能也越高。 基于上述原因，大多數情況下希望獲得較多的甚至是全部細小的等軸晶組織。晶粒形態(tài)的控制主要是通過形核過程的控制實現的。促進形核的方法包括澆注過程控制方法、化學方法、物理方法、機械方法、傳熱條件控制方法等

10、。 2021-7-20金屬凝固原理第二節(jié)第二節(jié) 等軸晶的晶粒細化等軸晶的晶粒細化 細化晶粒的主要途徑： 控制傳熱條件促進熔體生核； 添加晶粒細化劑，即向液態(tài)金屬中引入大量形核能力很強的異質晶核，達到細化晶粒的目的； 采用機械攪拌、電磁攪拌、鑄型振動等力學方法，促使枝晶折斷、破碎，使晶粒數量增多，尺寸減小； 提高冷卻速率使液態(tài)金屬獲得大過冷度，增大形核速率； 去除液相中的異質晶核，抑制低過冷度下的形核，使合金液獲得很大過冷度，并在大過冷度下突然大量形核，獲得細小等軸晶組織。2021-7-20金屬凝固原理1. 1. 傳熱條件控制傳熱條件控制 大量實驗證實，降低澆注溫度是減少柱狀晶獲得細等軸晶的有效

11、措施之一，甚至在減少液體流動的情況下也能得到細等軸晶組織。 合理控制冷卻條件從而形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過冷可促進熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度和高的冷卻速度可以滿足上述要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這兩者不可兼得。 由于高的冷卻速度不僅使溫度梯度變大，而且在凝固初期還促使穩(wěn)定凝固殼層的過早形成。因此對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的形成，再輔以其它晶粒細化措施以得到滿意的效果。 懸浮鑄造示意圖1.合金粉2.坩堝3.金屬液流4.懸浮鑄造液 2021-7-20金屬凝固原理 2 2添加晶粒細化劑法（孕育處理）添加晶粒細化劑法（孕育處理） 異質晶核通過以下途徑產生：

12、晶粒細化劑中的高熔點化合物在熔化過程中不被完全熔化，在隨后的凝固過程中成為異質形核的核心。如在高錳鋼中加入錳鐵，在高鉻鋼中加入鉻鐵都可以直接作為欲細化相的非均質晶核。晶粒細化劑中的微量元素加入合金液后，在冷卻過程中首先形成化合物固相質點，起到異質形核核心的作用。如向鋁合金中加入微量鈦，在冷卻過程中通過包晶反應形成TiAl3。 2021-7-20金屬凝固原理合 金晶粒細化元素加入量(質量分數)/%加入方法鋁合金Ti、Zr、Ti+B、Ti+CTi+B：0.0l(Ti)、0.005(B)Ti+C：0.0l(Ti)、0.005(C)Ti：0.15 Zr：0.2中間合金：Al-Ti、Al-Ti-B、A1

13、-Ti-C鉛合金Se、Bi2Se3、Ag2Se、BeSe0.0l0.02純金屬或合金銅合金Zr、Zr+B、Zr+Mg、Zr+Mg+Fe+P0.020.04純金屬或合金鎳基高溫合金碳化物(WC、NbC)等碳化物粉末常用合金的晶粒細化劑 2021-7-20金屬凝固原理 3. 3. 動力學細化法動力學細化法（1）澆注過程控制技術利用澆注過程液流控制進行晶粒細化的幾種方法(a)中心澆注法 (b)沿型壁澆注 (c)沿型壁四周澆注 (d)斜板澆注1中間包 2冷卻水 3游離晶 4鑄型(a)(b)(c)(d)42021-7-20金屬凝固原理 （2）鑄型振動 在凝固過程中振動鑄型可使液相和固相發(fā)生相對運動，導致

14、枝晶破碎形成結晶核心。同時振動鑄型可促使“晶雨”的形成。由于“晶雨”的來源是液態(tài)金屬表面的凝固層，當液態(tài)金屬靜止時表面凝固的金屬結殼而不能下落，鑄型振動可使殼層中的枝晶破碎，形成“晶雨”。 （3）超聲波振動 超聲振動可在液相中產生空化作用，形成空隙，當這些空隙崩潰時，液體迅速補充，液體流動的動量很大，產生很高的壓力，起到促進形核的作用。 （4）液相攪拌 采用機械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的運動，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達到細化晶粒的目的。其中機械和電磁攪拌方法不僅使晶粒細化，而且可使晶粒球化，獲得流動性很好的半固態(tài)金屬，可進行半固態(tài)鑄造或半固態(tài)擠壓。2021-7-20金屬

15、凝固原理第三節(jié)第三節(jié) 凝固組織中的偏析及其控制凝固組織中的偏析及其控制 1 1凝固組織中的微觀偏析及其控制凝固組織中的微觀偏析及其控制 微觀偏析按其形式分為胞狀偏析、枝晶偏析和晶界偏析。它們的表現形式雖不同，但形成機理是相似的，都是合金在結晶過程中溶質再分配的必然結果，其中枝晶偏析是微觀偏析的主要表現形式。 胞狀偏析 晶界偏析 低合金鋼柱狀晶的等濃度面2021-7-20金屬凝固原理01*SS00011kfCk Ck2Sf/D影響微觀偏析的主要因素是： 局部凝固時間 或凝固速率 隨著局部凝固時間的增大，擴散時間延長，促進了成分的均勻化，偏析減輕。合理的方法是快速凝固使枝晶細化，然后進行均勻化退火

16、處理。 f 合金元素的固相擴散系數 合金元素的固相擴散系數越大，凝固過程的擴散就越充分，該元素的偏析也就越輕。SD 溶質平衡分配系數 小于1時，其值越小，偏析越嚴重。 0k2021-7-20金屬凝固原理枝晶偏析在凝固后的均勻化處理 把鑄件加熱到低于固相線100200oC，長期保溫，使溶質原子充分擴散， 220Sexp/AAD 0A0maxminACC 假設枝晶偏析值近似地為正弦波，根據擴散第二定律可解出在一定溫度下經時間后的偏析幅值A： 鑄態(tài)合金枝晶偏析的初始幅值，可見，均勻化時間取決于枝晶間距和擴散系數。枝晶間距越小，均勻化退火時原子擴散路程越短，故均勻化時間越短。因此，凡能細化枝晶的各種工

17、藝措施均有利于以后的均勻化退火。偏析元素的擴散系數愈大，在其它條件相同時，均勻化退火時間愈短。2021-7-20金屬凝固原理2 2凝固組織中的宏觀偏析及其控制凝固組織中的宏觀偏析及其控制鑄件各部位之間化學成分的差異 鑄件產生宏觀偏析的規(guī)律與鑄件的凝固特點密切相關。當鑄件以逐層凝固方式凝固時，宏觀偏析的產生主要與結晶過程中的溶質再分配有關，可用Scheil方程近似地描述；當鑄件以糊狀凝固方式凝固時，鑄件產生宏觀偏析的原因主要是凝固早期固相或液相的沉浮以及枝晶間的液體流動。 液態(tài)金屬沿枝晶間流動的原因主要有：凝固收縮（或膨脹）的抽吸作用促使液體流動；冷卻時液相和固相的收縮；由于密度差而發(fā)生的對流；

18、大容積內液體對流向枝晶間的穿透；固一液兩相區(qū)內氣體的形成。2021-7-20金屬凝固原理2021-7-20金屬凝固原理 2021-7-20金屬凝固原理以Al-Cu( )合金為例，該合金凝固時收縮率為0.057 Cu4.5%CAl-Cu合金相圖液體流動速度等于零的地方，對于凝固時收縮的合金來說將產生正偏析。 因為對于凝固時收縮的合金來說，它和凝固時沒有體積變化的合金（凝固時體積不收縮也不膨脹）相比，固相分率減少，與之相對應，也就是說液相分率增加，而液相內溶質濃度是高的，因此，該地區(qū)的最終溶質平均濃度 會增加，形成正偏析。SC會增加，形成正偏析， 2021-7-20金屬凝固原理細小斷面積為粗大處的

19、1/9，在斷面突然變化的地方，在鑄件的心部，液體金屬為了補償下部鑄件的收縮，其流動速度必須很大，即接近于大斷面處的9倍。 /0.06 v R/0.54 v R如果在大斷面處，其宏觀偏析為“0”，其：這樣，在斷面突變處： 顯然，這里會產生大的負偏析，2021-7-20金屬凝固原理減少宏觀偏析的措施1 vR消除宏觀偏析的條件是：（因為此時 ）S0CC也就是：1）v與R兩者方向相反；2) /v R的絕對值要小，即v要小，而R要大。 保證合金成分，使凝固過程中液體的密度差減到最小。因為 液體的密度差是促使液體流動的因素之一。 適當的鑄件或鑄錠高度。因為液體的靜壓頭愈大，流動愈會 加劇。 加入孕育劑細化

20、枝晶組織，使流動阻力增加，從而減小流動 速度。 在凝固開始階段，用加速液體對流的辦法，可以細化晶粒， 但在凝固過程中，應該使液體的對流運動停止。如果自然對 流速度較大，應該外加磁場使對流運動停止?？梢韵胂?，離 心鑄件的宏觀偏析是大的。 加大冷卻速度，縮短固/液兩相區(qū)的凝固時間，盡量使R R值增 大。澆注溫度太高、澆注速度太快，均會延緩鑄件冷卻，從 而使宏觀偏析加劇。2021-7-20金屬凝固原理第三節(jié)第三節(jié) 凝固收縮及其控制凝固收縮及其控制 1. 凝固過程中的收縮LSSLL1VVVVV 1）純金屬對于純金屬，凝固通常是在恒定的溫度下完成的，凝固期間的體收縮只是相變收縮。凝固收縮率 定義為：2021-7-20金屬凝固原理2）共晶合金2021-7-20金屬凝固原理3）固溶體合金2021-7-20金屬凝固原理4）共晶系合金2021-7-20金屬凝固原理 2. 縮松的形成與控制I區(qū)：固相尚未形成骨架，凝固收縮通過 液相的流動和固相的運動得到補縮；II區(qū)：固相雖已經形成骨架而不能運動，但 枝晶間液相的流動通道仍是暢通的， 凝固收縮可以得到液相補充；III區(qū)：液相被枝晶分割、封閉，其中的殘 余液相凝固產生的收縮得不到補充 而形成孔洞（縮松）。 凝