第三講連鑄坯宏觀組織及控制課件

關(guān)于連鑄：關(guān)于連鑄：1,Ladle2,Tundish3,Mold4,PlasmaTorch5,Stopper6,StraightPartminimum2Meters1,Ladle第三講連鑄坯宏觀組織及控制第三講連鑄坯宏觀組織及控制第一節(jié)鑄坯（錠）的宏觀組織第二節(jié)表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成第三節(jié)內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理第四節(jié)鑄坯宏觀結(jié)晶組織的控制第五節(jié)焊接熔池凝固及控制第一節(jié)鑄坯（錠）的宏觀組織第一節(jié)鑄坯(錠)的宏觀組織1-激冷晶區(qū)的細(xì)小等軸晶;2-晶粒垂直于型壁排列的柱狀晶區(qū)，且平行于熱流方向.3-晶粒較為粗大的內(nèi)部等軸晶區(qū)第一節(jié)鑄坯(錠)的宏觀組織幾種不同類(lèi)型的鑄件宏觀組織示意圖（a）只有柱狀晶;（b）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶;（c）三個(gè)晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶幾種不同類(lèi)型的鑄件宏觀組織示意圖

一般情況下，連鑄坯從邊緣到中心也是由激冷層、柱狀晶帶和錠心帶組成，與鋼錠無(wú)本質(zhì)區(qū)別。只是由于冷卻強(qiáng)度大，連鑄坯的激冷層往往要厚些，柱狀晶較發(fā)達(dá)但不如鋼錠那么粗大，錠心帶也是粗大等軸晶組成。連鑄坯整個(gè)結(jié)構(gòu)比鋼錠致密，晶粒也要細(xì)一些，且液相穴很長(zhǎng)的鑄坯凝固，鋼水補(bǔ)縮困難，易產(chǎn)生中心疏松。鑄坯與鋼錠組織區(qū)別：鑄坯與鋼錠組織區(qū)別：①激冷層：鑄坯表皮由細(xì)小等軸晶組成，叫激冷層，是在結(jié)晶器彎月面處冷卻速度最高的條件下形成的。寬度一般為2～5mm，主要決定于鋼水過(guò)熱度，澆注溫度越高，激冷層就越薄；溫度越低，激冷層就厚一些。②柱狀晶區(qū)：鑄坯激冷層形成過(guò)程中的收縮，使結(jié)晶器彎月面以下約100～150mm的器壁處產(chǎn)生了氣隙，降低了傳熱速度。同時(shí)，鋼液內(nèi)部向外散熱使激冷層溫度升高，不再產(chǎn)生新的晶核。在鋼液定向傳熱得到發(fā)展的條件下，柱狀晶帶開(kāi)始形成?？拷だ鋵拥闹鶢罹Ш芗?xì)，基本上不分叉。從縱斷面看，柱狀晶并不完全垂直于表面而是向上傾斜一定角度（約10°），從外緣向中心，柱狀晶個(gè)數(shù)由多變少呈竹林狀。柱狀晶的發(fā)展是不規(guī)則的，在某些部位可能會(huì)貫穿鑄坯中心形成穿晶結(jié)構(gòu)。對(duì)于弧形連鑄機(jī)，鑄坯低倍結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱(chēng)性。由于重力作用，晶體下沉，抑制了外弧柱狀晶生長(zhǎng)，故內(nèi)弧側(cè)柱狀晶比外弧側(cè)要長(zhǎng)些，且鑄坯內(nèi)裂紋也常常集中在內(nèi)弧側(cè)。③中心等軸晶區(qū)：隨著凝固前沿的推移，凝固層和凝固前沿的溫度梯度逐漸減小，兩相區(qū)寬度不斷擴(kuò)大，鑄坯心部鋼水溫度降至液相線溫度后，大量等軸晶產(chǎn)生并迅速長(zhǎng)大，形成無(wú)規(guī)則排列的等軸晶帶。中心區(qū)有可見(jiàn)的不致密的疏松和縮孔并伴隨有元素的偏析（如S、P、C、Mn）。與鋼錠比較，由于連鑄坯柱狀晶的發(fā)展，中心等軸晶區(qū)要窄得多，晶粒也細(xì)一些。三個(gè)晶區(qū)的特征①激冷層：鑄坯表皮由細(xì)小等軸晶組成，叫激冷層，是在結(jié)晶器彎月柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對(duì)于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點(diǎn)。如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要了解各晶區(qū)組織的形成機(jī)理。柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對(duì)于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)第三講連鑄坯宏觀組織及控制第二節(jié)表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成第二節(jié)表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成

一旦型壁附近的晶粒互相連結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長(zhǎng)，表面激冷細(xì)晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。一、表面激冷區(qū)的形成一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)

當(dāng)表層細(xì)晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細(xì)晶區(qū)前面的液體散熱能力下降，過(guò)冷度也下降。但是在各方向上散熱能力的下降是不同的。垂直于模壁的方向顯出散熱優(yōu)勢(shì)，有利于晶粒逆著傳熱方向不斷地向液相區(qū)生長(zhǎng)。而在平行模壁方向散熱能力較差，并且晶粒徑向僅能長(zhǎng)大較短距離相鄰晶粒就互相接觸，停止生長(zhǎng)。因此在細(xì)晶區(qū)形成后，接著形成了一個(gè)柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)金屬較致密，沿柱狀晶軸向強(qiáng)度很高，但近于平行的柱狀晶晶粒之間的徑向結(jié)合強(qiáng)度卻較低。柱狀晶區(qū)有明顯的各向異性。當(dāng)對(duì)鑄錠進(jìn)行塑性變形時(shí)柱狀晶區(qū)易出現(xiàn)晶間開(kāi)裂。當(dāng)表層細(xì)晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細(xì)晶區(qū)

另外，當(dāng)不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)柱狀晶區(qū)的交界。此處的雜質(zhì)、氣泡、縮松等較多，成為鑄錠的脆弱結(jié)合面。當(dāng)鑄錠接受塑性變形時(shí)此處也易開(kāi)裂。因此，除塑性極好的一些有色金屬的鑄錠外，并不希望獲得柱狀晶區(qū)。在鑄造工藝上，常采用振動(dòng)方法來(lái)破壞柱狀晶區(qū)的形成和長(zhǎng)大，也常采用變質(zhì)處理來(lái)阻礙柱狀晶長(zhǎng)大，并促進(jìn)中心等軸晶區(qū)的擴(kuò)大來(lái)減少柱狀晶區(qū)。另外，避免金屬液過(guò)熱澆注也會(huì)防止柱狀晶區(qū)過(guò)大。另外，當(dāng)不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)柱

當(dāng)柱狀晶向液相中生長(zhǎng)到一定深度后，垂直于模壁方向的散熱優(yōu)熱將不再明顯。尤其是當(dāng)已凝固區(qū)隨溫度下降而使體積收縮與模壁之間出現(xiàn)間隙時(shí)傳熱速度降低，剩余液相金屬的冷卻速度也會(huì)進(jìn)一步降低，溫度梯度減小，趨于均勻冷卻，柱狀晶的生長(zhǎng)將會(huì)變慢。此時(shí)剩余液體中也會(huì)有一些新晶粒的形成并長(zhǎng)大。因無(wú)散熱優(yōu)勢(shì)方向，新晶粒將會(huì)長(zhǎng)成等軸晶粒。又因剩余液體散熱慢，過(guò)冷度較小，產(chǎn)生的自發(fā)晶核數(shù)量有限，故晶粒長(zhǎng)得較大(但若有非自發(fā)晶核存在，晶粒不會(huì)長(zhǎng)得很大)。從而在相鄰柱狀晶區(qū)的鑄錠心部地區(qū)形成一個(gè)晶粒較粗的等軸晶區(qū)。由于此區(qū)是最后凝固的，因此，一些低熔點(diǎn)的雜質(zhì)或合金元素可能偏多些，以及液體補(bǔ)充不足而出現(xiàn)中心偏析及疏松。當(dāng)柱狀晶向液相中生長(zhǎng)到一定深度后，垂直于模壁方向二、柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝固層某些晶粒為基底向內(nèi)生長(zhǎng)，發(fā)展成由外向內(nèi)生長(zhǎng)的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長(zhǎng)迅速。柱狀晶區(qū)開(kāi)始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)的存在與否及寬窄程度取決于上述兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會(huì)有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示二、柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱鑄型液態(tài)金屬柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示鑄液態(tài)金屬柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示柱狀晶結(jié)構(gòu)有以下弱點(diǎn)：①柱狀晶的枝干較純，而枝晶偏析較嚴(yán)重，熱變形后由于枝晶偏析區(qū)被延伸，組織具有帶狀特性。這樣使鋼的力學(xué)性能具有明顯的方向性，特別是使鋼的橫向性能和韌性降低；②在柱狀晶交界面，由于雜質(zhì)（硫、磷夾雜物）的沉積，構(gòu)成了薄弱面，是裂紋容易擴(kuò)展的地方，加工時(shí)易脆裂；③柱狀晶充分發(fā)展時(shí)，鑄坯可形成穿晶結(jié)構(gòu)，會(huì)造成中心疏松和縮孔，降低了致密度，增加了中心偏析。因此，抑制柱狀晶生長(zhǎng)而擴(kuò)大等軸晶區(qū)，是改善鑄坯質(zhì)量的一個(gè)重要任務(wù)。連鑄坯中柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的相對(duì)大小主要決定于澆注溫度。澆注溫度高，柱狀晶區(qū)就寬。低碳鋼過(guò)熱度大于20℃，柱狀晶寬度就急劇增加，因此，接近鋼種的液相線溫度澆注是擴(kuò)大等軸晶區(qū)的有效手段。但是，鋼水過(guò)熱度控制得很低（如小于10℃），在操作上有一定難度，易使水口凍結(jié)，且使鑄坯夾雜物增加。因此，保持鋼水在一定過(guò)熱度下澆注（如30℃）。

柱狀晶結(jié)構(gòu)有以下弱點(diǎn)：為擴(kuò)大等軸晶區(qū)需采取以下措施：⑴結(jié)晶器加入微型冷卻劑：在結(jié)晶器內(nèi)加入鋼帶或微型鋼塊，以消除鋼水過(guò)熱度，使其迅速地在液相線溫度凝固；⑵噴吹金屬粉末：在結(jié)晶器內(nèi)噴入不同尺寸的金屬粉，以吸收過(guò)熱和提供結(jié)晶核心，擴(kuò)大等軸晶區(qū)；⑶控制二冷區(qū)冷卻水量：二冷水量大，鑄坯表面溫度低，鑄坯內(nèi)外溫度梯度大，有利于柱狀晶生長(zhǎng)，柱狀晶區(qū)就寬；⑷加入形核劑。在結(jié)晶器內(nèi)加入形核劑，以增加結(jié)晶核心數(shù)量，擴(kuò)大等軸晶區(qū)；對(duì)形核劑要求：①在鋼液溫度下為固體；②在鋼液溫度下不分解為元素而進(jìn)入鋼中；③不上浮而存在于凝固前沿；④形核劑盡可能與鋼水潤(rùn)濕，晶格彼此接近，使形核劑與鋼液間有黏附作用。常用的形核劑物質(zhì)有Al2O3、ZrO2、TiO2、V2O5、AlN、VN、ZrN等。為擴(kuò)大等軸晶區(qū)需采取以下措施：⑸采用電磁攪拌：上述四種措施在實(shí)際應(yīng)用中要么還不成熟，如材料制備、工藝參數(shù)選擇、對(duì)結(jié)晶器液面干擾等問(wèn)題還需探討，要么效果有限，而電磁攪拌是最具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的方法。電磁攪拌的作用是在電磁力作用下使鋼水產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)流動(dòng)，使凝固前沿的樹(shù)枝晶熔斷或折斷，而枝晶碎片作為等軸晶核心長(zhǎng)大而擴(kuò)大等軸晶區(qū)，同時(shí)消除了樹(shù)枝晶搭橋，改善鑄坯中心疏松和縮孔，減輕了中心偏析。電磁攪拌還可消除皮下氣孔和皮下夾雜，改善表面質(zhì)量，提高鋼的純凈度，減小凝固前沿鋼液溫度梯度，即允許鋼液有更高的過(guò)熱度，促進(jìn)坯殼厚度的均勻性，這將有利于防止鑄坯產(chǎn)生裂紋和發(fā)生漏鋼事故，可提高拉速。電磁攪拌器可以安裝在結(jié)晶器（M-EMS）、二冷區(qū)（S-EMS）和凝固末端（F-EMS）。M-EMS除了改善鑄坯中心疏松、中心偏析外幾乎包括了電磁攪拌的所有功能，作用最明顯，效果最好；S-EMS的作用是在接近凝固終點(diǎn)再次攪拌由等軸晶和鋼液組成的兩相區(qū)，可以進(jìn)一步減輕包括高碳鋼在內(nèi)的鑄坯中心偏析。可以采用單獨(dú)攪拌，也可以是聯(lián)合攪拌。⑸采用電磁攪拌：上述四種措施在實(shí)際應(yīng)用中要么還不成熟，如材料第三節(jié)內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理一、“成分過(guò)冷”理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論四、單個(gè)等軸晶形成過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示第三節(jié)內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理一、“成分過(guò)冷”理論一、“成分過(guò)冷”理論

該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來(lái)越富集，從而使界面前方成分過(guò)冷逐漸增大。當(dāng)成分過(guò)冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時(shí)，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。一、“成分過(guò)冷”理論該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)成分過(guò)冷1111成分過(guò)冷1111二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論在澆注的過(guò)程中及凝固的初期激冷,等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成,澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等軸晶區(qū)。二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論在澆注為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶呢?圖5-5型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離a)晶體密度比熔體小的情況;b)晶體密度比熔體大的情況為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶

溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”，具有“脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成凝固殼,另一方面，在澆注過(guò)程和凝固初期存在的對(duì)流容易沖斷“脖頸”，使晶體脫落并游離出去。圖5-6晶體與型壁交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)處產(chǎn)圖5-7游離晶體的生長(zhǎng)、局部熔化與增殖圖5-7游離晶體的生長(zhǎng)、局部熔化與增殖三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長(zhǎng)著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱(chēng)為“枝晶熔斷”理論。液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過(guò)程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來(lái)源，稱(chēng)為“結(jié)晶雨”理論。三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長(zhǎng)著的柱狀目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機(jī)理起主導(dǎo)作用，在另一種情況下，可能是另一種機(jī)理在起作用，或者是幾種機(jī)理的綜合作用，而各自作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很第三節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制思路:

晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過(guò)冷熔體獨(dú)立生核的能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對(duì)大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個(gè)結(jié)果所決定的。凡能強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核，促進(jìn)晶粒游離，以及有助于游離晶的殘存與增殖的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。

第三節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制思路:第三節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制

以高碳鋼為例：因?yàn)楦咛间摴桃簝上鄥^(qū)溫度達(dá)到131℃，故中等過(guò)熱度的鋼液也有其柱狀晶強(qiáng)烈增大趨勢(shì)，在凝固后期由于連鑄坯斷面中心柱狀樹(shù)枝晶的搭橋而形成小鋼錠的凝固結(jié)晶現(xiàn)象，鑄坯產(chǎn)生中心偏析。過(guò)熱度越低，中心偏析的評(píng)級(jí)越低。

兩個(gè)需要注意的概念：

(1)由成分決定的固液相線寬度越大，柱狀晶越發(fā)達(dá)；

(2)由溫度梯度決定的兩相區(qū)越寬，柱狀晶不發(fā)達(dá)。具體到連鑄二冷強(qiáng)度大時(shí)，溫度梯度變大，凝固前沿糊狀區(qū)（固液兩相區(qū)）變窄，利于柱狀晶生長(zhǎng)。第三節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制以高碳鋼為一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件合理的澆注工藝?yán)鋮s條件的控制合理的澆注工藝合理的澆注工藝澆注溫度澆注方式合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細(xì)化等軸晶的有效措施。但過(guò)低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動(dòng)性，導(dǎo)致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。通過(guò)改變澆注方式強(qiáng)化對(duì)流對(duì)型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進(jìn)細(xì)等軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷。合理的澆注工藝澆注溫度合理降低澆注溫度是減少柱鑄型中間澆注單孔上注沿型壁六孔澆注圖5-8不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織鑄型中間澆注單孔上注水流冷卻的斜板澆注方法水流冷卻的斜板澆注方法第三講連鑄坯宏觀組織及控制冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過(guò)冷，從而促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度GL和高的冷卻速度R可以滿(mǎn)足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這二者不可兼得。對(duì)薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。對(duì)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，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到滿(mǎn)意的效果。懸浮澆注法可同時(shí)滿(mǎn)足小的GL與高的R的要求。冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)懸浮澆注法是在澆注過(guò)程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中，從而改變金屬液凝固過(guò)程，達(dá)到細(xì)化組織、減小偏析、減小鑄造應(yīng)力的目的的一種工藝方法。懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)懸浮澆注法是在澆注過(guò)程中將一定懸浮澆注法的特點(diǎn)

1)顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚大斷面力學(xué)性能均勻性；

2)減小凝固收縮，使冒口減小15～35%；

3)減少縮松，提高鑄件致密性；

4)減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向；

5)改善宏觀偏析；

6)提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況；

7)可以實(shí)現(xiàn)澆注過(guò)程合金化。懸浮澆注法的特點(diǎn)

1)顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善技術(shù)原理：通過(guò)加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、晶體學(xué)和熱作用，強(qiáng)制金屬液生核，并改變鑄型中金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。

適用范圍：各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金件。不需要特殊設(shè)備，僅要求簡(jiǎn)單輔助工裝。技術(shù)原理：通過(guò)加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、晶體學(xué)和熱作二、孕育處理孕育處理是澆注之前或澆注過(guò)程中向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。澄清兩個(gè)概念：孕育(Inoculation)主要是影響生核過(guò)程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（Modification）則是改變晶體的生長(zhǎng)機(jī)理，從而影響晶體形貌。變質(zhì)在改變共晶合金的非金屬相的結(jié)晶形貌上有著重要的應(yīng)用，而在等軸晶組織的獲得和細(xì)化中采用的則是孕育方法。二、孕育處理孕育處理是澆注之前或澆注過(guò)程中向孕育劑作用機(jī)理的兩類(lèi)觀點(diǎn)孕育主要起非自發(fā)形核作用通過(guò)在生長(zhǎng)界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹(shù)枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)

孕育劑能與液相中某些元素反應(yīng)生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核孕育劑作用機(jī)理的兩類(lèi)觀點(diǎn)孕育主要起非自發(fā)形核作用通過(guò)在生長(zhǎng)界合金種類(lèi)孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0.1~0.2鐵合金V0.06~0.30B0.005~0.01鑄鐵Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，與Si-Fe復(fù)合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；復(fù)合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過(guò)共晶Al-Si合金P≥0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金銅合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02~0.04純金屬或中間合金鎳基高溫合金WC,NbC碳化物粉末表5-1合金常用孕育劑的主要元素情況合金種類(lèi)孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)孕育期和衰退期。在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過(guò)程，或與合金液反應(yīng)生成化合物，起細(xì)化作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤(rùn)濕，逐漸達(dá)到最佳的細(xì)化效果。當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最佳值時(shí)澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類(lèi)的不同，達(dá)到最佳細(xì)化效果所需要的時(shí)間也不同。幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時(shí)間出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開(kāi)的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和具體的處理方法來(lái)選擇。孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)孕育

高碳鋼連鑄坯存在的最大質(zhì)量問(wèn)題是中心縮松、中心偏析嚴(yán)重。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是擴(kuò)大鑄坯等軸晶區(qū)比例，細(xì)化晶粒。本文以Fe-C合金作為形核劑，研究了形核劑含碳量對(duì)高碳鋼凝固過(guò)程的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明，向鋼液中加入形核劑可有效地?cái)U(kuò)大等軸晶區(qū)。對(duì)高碳鋼，中碳鐵合金形核劑既可擴(kuò)大等軸晶區(qū)，又可細(xì)化晶粒；而低碳形核劑可以擴(kuò)大等軸晶區(qū)，但細(xì)化晶粒效果差。為有效地發(fā)揮形核劑的作用，對(duì)不同鋼種要合理地選擇形核劑含碳量。Centralshrinkageporosityandsegregationaremaindefectsofhigh-carbonsteelbillets．ThekeytosolvetheseproblemsiSenlargingequiaxedgrainzoneandfininggrainsize．Fe-Calloysaretakenasnucleatingagentsandtheefectsofcarboncontentofnucleatingagentsonsolidificationprocessofhigh—carbonsteeIarestudied．Theresultsshowthataddingmediumcarbonnucleatingagentsintohighcarbonsteelgradecanefectivelyenlargeequiaxedgrainzoneandfinegrainsize；addinglowcarbonnucleatingagentsintohighcarbonsteelgradecanonlyenlargeequiaxedgrainzone．Inordertoexploitnucleatingagents’advantagestothealI，diferentnucleatingagentsmustbeselectedseriouslyaccordingtodiferentsteeIgrades．Themediumcarbonalloynucleatingagentsaresuitableforhigh-carbonsteelgrade．高碳鋼連鑄坯存在的最大質(zhì)量問(wèn)題是中心縮松、中心

還有一種孕育——電脈沖孕育：電脈沖孕育處理是指通過(guò)對(duì)合金熔體施加脈沖電場(chǎng)從而達(dá)到控制合金凝固，細(xì)化金屬凝固組織的目的。研究發(fā)現(xiàn)，利用脈沖電流處理可以使金屬的凝固溫度升高，凝固時(shí)間縮短，溫度梯度減小，使金屬更趨向于體積凝固方式，凝固組織細(xì)化，力學(xué)性能得到改善；可以使凝固組織由粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶，大幅度細(xì)化晶粒尺寸；使奧氏體不銹鋼的柱狀晶間距明顯細(xì)，并增加凝固組織中奧氏體的相對(duì)含量；使高碳當(dāng)量的過(guò)共晶灰口鑄鐵中出現(xiàn)大量D型過(guò)冷石墨和發(fā)達(dá)的奧氏體枝晶，細(xì)化共晶團(tuán)尺寸。在溫度較高的液相中，電脈沖對(duì)凝固組織細(xì)化無(wú)任何作用。在枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中，電脈沖無(wú)法使晶體熔化或折斷，但它可以促使型壁上的晶粒脫落、游離，并在液相中自由移動(dòng)，成為等軸晶生長(zhǎng)的核心，從而達(dá)到了細(xì)化晶粒的目的，如圖所示。還有一種孕育——電脈沖孕育：電脈沖孕育處理是指三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化

1．鑄型振動(dòng)2．超聲波振動(dòng)3．液相攪拌4．流變鑄造三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化1．鑄型振動(dòng)1．鑄型振動(dòng)在凝固過(guò)程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶破碎形成結(jié)晶核心。離心鑄造時(shí)若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小等軸晶，說(shuō)明液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所起的細(xì)化晶粒作用。振動(dòng)還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動(dòng)鑄型可促使“晶雨”的形成。立式離心鑄造機(jī)1．鑄型振動(dòng)在凝固過(guò)程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，2．超聲波振動(dòng)

超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰時(shí)，液體迅速補(bǔ)充，液體流動(dòng)的動(dòng)量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)壓力增加時(shí)凝固的合金熔點(diǎn)溫度也要增加，從而提高了凝固過(guò)冷度，造成形核率的提高，使晶粒細(xì)化。2．超聲波振動(dòng)超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用超聲波通常是指1s內(nèi)振動(dòng)20000次以上的高頻聲波，在介質(zhì)傳導(dǎo)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生周期性的應(yīng)力和聲壓變化，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生局部的高溫高壓效應(yīng)。超聲振動(dòng)的高能量及其它的特殊效應(yīng)，極大地提高了對(duì)凝固的作用效果。利用超聲波冶金可以細(xì)化晶粒，去氣除渣，細(xì)化枝晶網(wǎng)胞。功率超聲是超聲波的一個(gè)分支，應(yīng)用于金屬凝固過(guò)程中時(shí)有5個(gè)基本作用：（1）線性交變振動(dòng)作用；（2）大振幅聲波；（3）非線性振動(dòng)；（4）聲空化作用；（5）聲流作用。這些作用應(yīng)用于金屬液中可以產(chǎn)生攪拌、霧化、分散、沖擊破碎等作用可以促進(jìn)合金形核并抑制其長(zhǎng)大，還可提高溫度和化學(xué)成分的均勻性，改善合金成分的偏析等。超聲波通常是指1s內(nèi)振動(dòng)20000次以上的3.振動(dòng)喂帶技術(shù)向結(jié)晶器內(nèi)的金屬液中連續(xù)喂人接近母液成分的金屬棒或帶，在金屬棒或帶融化吸收鋼水過(guò)熱度的基礎(chǔ)上，通過(guò)振動(dòng)使金屬棒或帶的前端兩相區(qū)內(nèi)的枝晶以晶核的方式被彈射到鋼液中，成為其后凝固形成等軸晶的晶核來(lái)源。通過(guò)將處于高頻振動(dòng)狀態(tài)的鋼帶插入與其成分相同的鋼液中，觀察并分析鋼帶的熔化、形核及彈射至溶池內(nèi)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，尤其是有無(wú)振動(dòng)條件下鋼帶的完全熔化時(shí)間。當(dāng)振動(dòng)鋼帶持續(xù)不斷地插入鋼液熔池時(shí)，鋼帶在熔池中能夠快速熔化產(chǎn)生細(xì)小枝晶，這不僅能夠起到降低鋼液中心過(guò)熱度的作用，還可以借助于振動(dòng)將細(xì)小破碎的晶粒彈射到金屬液中，起到促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的作用，從而提高鑄坯組織中的等軸晶比例，改善內(nèi)部質(zhì)量。3.振動(dòng)喂帶技術(shù)4.振動(dòng)激發(fā)金屬液形核技術(shù)當(dāng)一種帶有冷卻結(jié)構(gòu)且高頻振動(dòng)的晶核發(fā)射器插入金屬液時(shí)，金屬液將在晶核發(fā)射器棒體的表面迅速凝固形核、長(zhǎng)大，這就是振動(dòng)激發(fā)形核技術(shù)。在棒體的高頻振動(dòng)作用下，其表面形成的晶粒將被折斷或與基體剝離，并被連續(xù)不斷地彈射到金屬液中，成為凝固過(guò)程中抑制柱狀晶生長(zhǎng)、形成大量等軸晶的晶核來(lái)。4.振動(dòng)激發(fā)金屬液形核技術(shù)當(dāng)一種帶有冷卻結(jié)構(gòu)且5．液相攪拌

采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對(duì)固相的運(yùn)動(dòng)，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。

連鑄過(guò)程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時(shí)，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。5．液相攪拌采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相

電磁攪拌器(EMS)的實(shí)質(zhì)是借助在鑄坯液中感生的電磁力來(lái)強(qiáng)化鋼水的運(yùn)動(dòng)。在鋼水附近施加電磁攪拌以后，電磁攪拌器產(chǎn)生的低頻交變電磁場(chǎng)穿透鋼水，與鋼水間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得鋼液的磁通量發(fā)生變化，相當(dāng)于磁場(chǎng)以一定的速度切割鋼液，使其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流又與感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，作用于鋼液的每個(gè)體積元上，從而驅(qū)動(dòng)鋼液的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)原理、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)原理、直線電動(dòng)機(jī)原理和固定磁場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體被感應(yīng)受力的原理，電磁攪拌力的產(chǎn)生相應(yīng)有4種類(lèi)型：靜止磁場(chǎng)與液芯通電型電磁攪拌的電磁力；感應(yīng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型電磁攪拌的電磁力；行波磁場(chǎng)電磁攪拌的電磁力；鋼水注流的電磁制動(dòng)。根據(jù)電磁攪拌器安裝形式和位置不同，EMS主要分為二冷區(qū)電磁攪拌(S—EMS)和結(jié)晶器電磁攪拌(M—EMS)，如圖2所示。電磁攪拌技術(shù)的核心就是利用電磁力控制凝固過(guò)程的流動(dòng)現(xiàn)象，改善鑄坯的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和軋材性能。電磁攪拌器(EMS)的實(shí)質(zhì)是借助在鑄坯液電磁攪拌對(duì)鑄坯等軸晶帶的作用：

柱狀晶特別發(fā)達(dá)，是鑄坯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和弱點(diǎn)。擴(kuò)大和細(xì)化等軸晶帶，可以增加鑄坯的抗裂性、減輕或消除中心疏松與中心偏析，并能改善鑄坯的熱加工性能和軋材質(zhì)量。而等軸晶帶的發(fā)展，主要取決于3個(gè)基本條件：液芯內(nèi)有充分的晶核；凝固前沿的兩相區(qū)范圍盡量寬；兩相區(qū)內(nèi)有較大的成分過(guò)冷。電磁攪拌可通過(guò)流動(dòng)母液對(duì)樹(shù)枝晶前端的動(dòng)力折斷作用和熔蝕作用而產(chǎn)生大量晶枝碎片，供作晶核。同時(shí)，強(qiáng)力流動(dòng)可大大加速液芯的傳熱而使過(guò)熱度迅速消失、兩相區(qū)迅速擴(kuò)大。另外，強(qiáng)力流動(dòng)加速傳質(zhì)，使凝固前沿?cái)U(kuò)散邊界層減薄而濃度梯度增大，使兩相區(qū)內(nèi)成分過(guò)冷增強(qiáng)。這三者恰好是等軸晶發(fā)展的三要素，所以電磁攪拌是擴(kuò)大鑄坯等軸晶帶的有效措施。電磁攪拌推動(dòng)液芯流動(dòng)而產(chǎn)生對(duì)凝固前沿樹(shù)枝晶的沖刷和熔蝕，使得樹(shù)枝晶前沿變得比較平齊光滑；同時(shí)，數(shù)學(xué)模擬表明，即使電磁攪拌安裝在連鑄機(jī)上部，由于它促使液芯過(guò)熱度的迅速消失，也會(huì)使尖銳狹窄的液相穴底部變得圓滑而較寬。其結(jié)果就可以避免凝固前沿的樹(shù)枝晶搭橋現(xiàn)象，從而避免液相穴底部形成“小鋼錠縮孔”。加之電磁攪拌產(chǎn)生的大量碎枝晶核向液相穴底部沉淀充填和競(jìng)相長(zhǎng)大，就可形成較致密的等軸晶結(jié)構(gòu)，從而減輕縮孔、疏松的發(fā)生。電磁攪拌對(duì)鑄坯等軸晶帶的作用：6.輕壓下技術(shù)

輕壓下技術(shù)是從收縮輥縫技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，它是通過(guò)在連鑄坯液芯末端附近施加適當(dāng)壓力，產(chǎn)生一定的壓下量來(lái)補(bǔ)償鑄坯的凝固收縮量。一方面可以消除或減少鑄坯收縮形成的內(nèi)部空隙，防止晶間富集溶質(zhì)元素的鋼液向鑄坯中心橫向流動(dòng)；另一方面，輕壓下所產(chǎn)生的擠壓作用還可以促進(jìn)液芯中溶質(zhì)元素富集的鋼液沿拉坯方向反向流動(dòng)，使溶質(zhì)元素在鋼液中重新分配，從而使鑄坯的凝固組織更加均勻致密，起到改善中心偏析和減少中心疏松的目的。輕壓下技術(shù)對(duì)鑄坯的凝固組織也有一定的影響，在輕壓下的作用下，心未凝固的液態(tài)鋼液運(yùn)動(dòng)加劇，坯殼與液態(tài)交界面的初生枝晶被打斷并重新融化成許多細(xì)小的破碎枝晶。這些細(xì)小的枝晶成為中心過(guò)冷鋼液的形核核心，加速了中心鋼液的形核速率，因此中心細(xì)小的等軸晶晶帶比未使用輕壓下技術(shù)的鑄坯要高。6.輕壓下技術(shù)第三講連鑄坯宏觀組織及控制7．流變鑄造

流變鑄造又稱(chēng)半固態(tài)鑄造，這種方法是當(dāng)液體金屬凝固達(dá)50～60％時(shí)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高速攪拌，使金屬成為半固態(tài)漿液，將半固態(tài)漿液凝固成坯料或擠壓至鑄型凝固成形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加趨于細(xì)小而圓整，機(jī)械性能顯著提高。這種細(xì)小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動(dòng)性而容易成形。因?yàn)樗臏囟冗h(yuǎn)低于液相線溫度，所以對(duì)于黑色金屬的壓鑄件來(lái)說(shuō)，能大大減輕金屬對(duì)模具的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴(kuò)大黑色金屬壓鑄的應(yīng)用范圍。7．流變鑄造流變鑄造又稱(chēng)半固態(tài)鑄造，這種方法是當(dāng)液體傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織

傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織第五節(jié)焊接熔池凝固及控制

一、熔池凝固條件二、熔池結(jié)晶特征三、熔池結(jié)晶組織的細(xì)化第五節(jié)焊接熔池凝固及控制一、熔池凝固條件一、熔池凝固條件體積小、冷速快溫差大、過(guò)熱度高動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程液態(tài)金屬對(duì)流激烈一、熔池凝固條件體積小、冷速快1.熔池金屬的體積小，冷卻速度快在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有30cm3

，重量不超過(guò)100g;周?chē)焕鋺B(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，通常可達(dá)4～100℃/s，遠(yuǎn)高于一般鑄件的冷卻速度;由于冷卻快，溫度梯度大，致使焊縫中柱狀晶得到充分發(fā)展。這也是造成高碳、高合金鋼以及鑄鐵材料焊接性差的主要原因之一。1.熔池金屬的體積小，冷卻速度快在一般電弧焊條件下，熔池2.溫差大、過(guò)熱溫度高熔池金屬中不同區(qū)域因加熱與冷卻速度很快，熔池中心和邊緣存在較大的溫度梯度，例如，對(duì)于電弧焊接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達(dá)2100～2300℃，而熔池后部表面溫度只有1600℃左右，熔池平均溫度為1700±100℃。由于過(guò)熱溫度高，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點(diǎn)數(shù)大為減少，這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。2.溫差大、過(guò)熱溫度高熔池金屬中不同區(qū)域因加熱與冷卻速3.動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程處于熱源移動(dòng)方向前端的母材不斷熔化，連同過(guò)渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在電弧吹力作用下，對(duì)流至熔池后部。隨著熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即開(kāi)始凝固。因此，凝固過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行并隨熔池前進(jìn)。圖5-11熔池的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶3.動(dòng)態(tài)凝固過(guò)程處于熱源移動(dòng)方向前端的母材不斷熔化，連同4.液態(tài)金屬對(duì)流激烈熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，如電弧的機(jī)械力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，使熔池金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和對(duì)流，在熔池上部其方向一般從熔池頭部向尾部流動(dòng)，而在熔池底部的流動(dòng)方向與之正好相反，這一點(diǎn)有利于熔池金屬成分分布的均勻化與純凈化。4.液態(tài)金屬對(duì)流激烈熔池中存在許多復(fù)雜的作用力二、熔池結(jié)晶特征

聯(lián)生結(jié)晶柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化熔池凝固組織形態(tài)的多樣性二、熔池結(jié)晶特征聯(lián)生結(jié)晶1.聯(lián)生結(jié)晶在熔池中存在兩種現(xiàn)成固相表面：一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)（在正常情況下所起作用不大）；另一種就是熔池邊界未熔母材晶粒表面，非自發(fā)形核就依附在這個(gè)表面，在較小的過(guò)冷度下以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長(zhǎng)，稱(chēng)為聯(lián)生結(jié)晶(也稱(chēng)外延生長(zhǎng))。1.聯(lián)生結(jié)晶在熔池中存在兩種現(xiàn)成固相表面2.柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化典型的焊接熔池形狀像不標(biāo)準(zhǔn)的半橢球。熔池的形狀和大小，受母材的熱物理性質(zhì)、尺寸和焊接方法以及工藝參數(shù)等因素的影響。焊接速度增大,L增加,Bmax減小.2.柱狀晶生長(zhǎng)方向與速度的變化典型的焊接熔池的最大散熱方向是液相等溫線的法線方向,晶體生長(zhǎng)方向與最大散熱方向正好相反,因此在生長(zhǎng)過(guò)程中不斷改變方向,形成彎曲狀柱狀晶。生長(zhǎng)速度R與焊接速度υ滿(mǎn)足關(guān)系式:在熔合區(qū)上晶粒開(kāi)始成長(zhǎng)的瞬時(shí)（圖中

H和F點(diǎn)）,晶粒生長(zhǎng)線速度R為零，即焊縫邊緣的生長(zhǎng)速度最慢。而在熱源移動(dòng)后面的焊縫中心（D點(diǎn)），晶粒生長(zhǎng)速度R與焊接速度υ相等，生長(zhǎng)最快。一般情況下，由于等溫線是彎曲的，其曲線上各點(diǎn)的法線方向不斷地改變，因此晶粒生長(zhǎng)的有利方向也隨之變化，形成了特有的彎曲柱狀晶的形態(tài)。熔池的最大散熱方向是液相等溫線的法線方向,晶體生長(zhǎng)方向與最大焊接速度大時(shí)，焊接熔池長(zhǎng)度增加,柱狀晶趨向垂直于焊縫中心線生長(zhǎng);焊接速度越慢,柱狀晶越彎曲。最后結(jié)晶的低熔點(diǎn)夾雜物易被推移到焊縫中心區(qū)域，形成脆弱的結(jié)合面，因此垂直于焊縫中心線的柱狀晶，易導(dǎo)致縱向熱裂紋的產(chǎn)生。焊接速度快焊接速度慢焊接速度大時(shí)，焊接熔池長(zhǎng)度增加,柱狀晶趨向垂直于焊縫中心線3.熔池凝固組織形態(tài)的多樣性在熔池兩側(cè)翼邊界，由于結(jié)晶速度R非常小，溫度梯度G較大，G/R則很大，成分過(guò)冷接近于零，滿(mǎn)足平面晶生長(zhǎng)的條件。隨著凝固界面遠(yuǎn)離熔合區(qū)邊界向焊縫中心推進(jìn)時(shí),結(jié)晶速度R逐漸增大，而溫度梯度G減小,G/R逐步減小，成分過(guò)冷逐漸增大，平面生長(zhǎng)將轉(zhuǎn)為胞狀生長(zhǎng)；隨著成分過(guò)冷的進(jìn)一步加大，樹(shù)枝晶生長(zhǎng)的方式逐漸占主導(dǎo)地位，在到達(dá)熔池尾端結(jié)束凝固時(shí)，成分過(guò)冷度最大，有可能形成等軸樹(shù)枝晶區(qū)。3.熔池凝固組織形態(tài)的多樣性在熔池兩側(cè)翼邊界，由于結(jié)晶速三、熔池結(jié)晶組織的細(xì)化

通過(guò)提高形核率和抑制晶粒長(zhǎng)大兩個(gè)方面1．變質(zhì)處理通過(guò)焊接材料向熔池加入一定量的合金元素(如B、Mo、V、Ti、Nb等),作為熔池中非自發(fā)晶核的質(zhì)點(diǎn),從而使焊縫晶粒細(xì)化。2．振動(dòng)結(jié)晶采用振動(dòng)的方法來(lái)打斷正在成長(zhǎng)的柱狀晶，增大晶粒游離傾向，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。振動(dòng)方式主要有機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)和電磁攪拌。3．焊接工藝采用恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚧胧部筛纳迫鄢啬探Y(jié)晶。主要方法是小線能量、多層焊和錘擊焊道表面等。三、熔池結(jié)晶組織的細(xì)化通過(guò)提高形核率和抑制作業(yè)1、描述表面細(xì)晶區(qū)的形成理論（思考題）2、描述柱狀晶的形成理論3、描述等軸晶形成的理論（重點(diǎn)掌握）作業(yè)1、描述表面細(xì)晶區(qū)的形成理論（思考題）關(guān)于連鑄：關(guān)于連鑄：1,Ladle2,Tundish3,Mold4,PlasmaTorch5,Stopper6,StraightPartminimum2Meters1,Ladle第三講連鑄坯宏觀組織及控制第三講連鑄坯宏觀組織及控制第一節(jié)鑄坯（錠）的宏觀組織第二節(jié)表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成第三節(jié)內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理第四節(jié)鑄坯宏觀結(jié)晶組織的控制第五節(jié)焊接熔池凝固及控制第一節(jié)鑄坯（錠）的宏觀組織第一節(jié)鑄坯(錠)的宏觀組織1-激冷晶區(qū)的細(xì)小等軸晶;2-晶粒垂直于型壁排列的柱狀晶區(qū)，且平行于熱流方向.3-晶粒較為粗大的內(nèi)部等軸晶區(qū)第一節(jié)鑄坯(錠)的宏觀組織幾種不同類(lèi)型的鑄件宏觀組織示意圖（a）只有柱狀晶;（b）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶;（c）三個(gè)晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶幾種不同類(lèi)型的鑄件宏觀組織示意圖

一般情況下，連鑄坯從邊緣到中心也是由激冷層、柱狀晶帶和錠心帶組成，與鋼錠無(wú)本質(zhì)區(qū)別。只是由于冷卻強(qiáng)度大，連鑄坯的激冷層往往要厚些，柱狀晶較發(fā)達(dá)但不如鋼錠那么粗大，錠心帶也是粗大等軸晶組成。連鑄坯整個(gè)結(jié)構(gòu)比鋼錠致密，晶粒也要細(xì)一些，且液相穴很長(zhǎng)的鑄坯凝固，鋼水補(bǔ)縮困難，易產(chǎn)生中心疏松。鑄坯與鋼錠組織區(qū)別：鑄坯與鋼錠組織區(qū)別：①激冷層：鑄坯表皮由細(xì)小等軸晶組成，叫激冷層，是在結(jié)晶器彎月面處冷卻速度最高的條件下形成的。寬度一般為2～5mm，主要決定于鋼水過(guò)熱度，澆注溫度越高，激冷層就越??；溫度越低，激冷層就厚一些。②柱狀晶區(qū)：鑄坯激冷層形成過(guò)程中的收縮，使結(jié)晶器彎月面以下約100～150mm的器壁處產(chǎn)生了氣隙，降低了傳熱速度。同時(shí)，鋼液內(nèi)部向外散熱使激冷層溫度升高，不再產(chǎn)生新的晶核。在鋼液定向傳熱得到發(fā)展的條件下，柱狀晶帶開(kāi)始形成?？拷だ鋵拥闹鶢罹Ш芗?xì)，基本上不分叉。從縱斷面看，柱狀晶并不完全垂直于表面而是向上傾斜一定角度（約10°），從外緣向中心，柱狀晶個(gè)數(shù)由多變少呈竹林狀。柱狀晶的發(fā)展是不規(guī)則的，在某些部位可能會(huì)貫穿鑄坯中心形成穿晶結(jié)構(gòu)。對(duì)于弧形連鑄機(jī)，鑄坯低倍結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱(chēng)性。由于重力作用，晶體下沉，抑制了外弧柱狀晶生長(zhǎng)，故內(nèi)弧側(cè)柱狀晶比外弧側(cè)要長(zhǎng)些，且鑄坯內(nèi)裂紋也常常集中在內(nèi)弧側(cè)。③中心等軸晶區(qū)：隨著凝固前沿的推移，凝固層和凝固前沿的溫度梯度逐漸減小，兩相區(qū)寬度不斷擴(kuò)大，鑄坯心部鋼水溫度降至液相線溫度后，大量等軸晶產(chǎn)生并迅速長(zhǎng)大，形成無(wú)規(guī)則排列的等軸晶帶。中心區(qū)有可見(jiàn)的不致密的疏松和縮孔并伴隨有元素的偏析（如S、P、C、Mn）。與鋼錠比較，由于連鑄坯柱狀晶的發(fā)展，中心等軸晶區(qū)要窄得多，晶粒也細(xì)一些。三個(gè)晶區(qū)的特征①激冷層：鑄坯表皮由細(xì)小等軸晶組成，叫激冷層，是在結(jié)晶器彎月柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對(duì)于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點(diǎn)。如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要了解各晶區(qū)組織的形成機(jī)理。柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對(duì)于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)第三講連鑄坯宏觀組織及控制第二節(jié)表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成第二節(jié)表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成

一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長(zhǎng)，表面激冷細(xì)晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。一、表面激冷區(qū)的形成一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)

當(dāng)表層細(xì)晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細(xì)晶區(qū)前面的液體散熱能力下降，過(guò)冷度也下降。但是在各方向上散熱能力的下降是不同的。垂直于模壁的方向顯出散熱優(yōu)勢(shì)，有利于晶粒逆著傳熱方向不斷地向液相區(qū)生長(zhǎng)。而在平行模壁方向散熱能力較差，并且晶粒徑向僅能長(zhǎng)大較短距離相鄰晶粒就互相接觸，停止生長(zhǎng)。因此在細(xì)晶區(qū)形成后，接著形成了一個(gè)柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)金屬較致密，沿柱狀晶軸向強(qiáng)度很高，但近于平行的柱狀晶晶粒之間的徑向結(jié)合強(qiáng)度卻較低。柱狀晶區(qū)有明顯的各向異性。當(dāng)對(duì)鑄錠進(jìn)行塑性變形時(shí)柱狀晶區(qū)易出現(xiàn)晶間開(kāi)裂。當(dāng)表層細(xì)晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細(xì)晶區(qū)

另外，當(dāng)不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)柱狀晶區(qū)的交界。此處的雜質(zhì)、氣泡、縮松等較多，成為鑄錠的脆弱結(jié)合面。當(dāng)鑄錠接受塑性變形時(shí)此處也易開(kāi)裂。因此，除塑性極好的一些有色金屬的鑄錠外，并不希望獲得柱狀晶區(qū)。在鑄造工藝上，常采用振動(dòng)方法來(lái)破壞柱狀晶區(qū)的形成和長(zhǎng)大，也常采用變質(zhì)處理來(lái)阻礙柱狀晶長(zhǎng)大，并促進(jìn)中心等軸晶區(qū)的擴(kuò)大來(lái)減少柱狀晶區(qū)。另外，避免金屬液過(guò)熱澆注也會(huì)防止柱狀晶區(qū)過(guò)大。另外，當(dāng)不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)柱

當(dāng)柱狀晶向液相中生長(zhǎng)到一定深度后，垂直于模壁方向的散熱優(yōu)熱將不再明顯。尤其是當(dāng)已凝固區(qū)隨溫度下降而使體積收縮與模壁之間出現(xiàn)間隙時(shí)傳熱速度降低，剩余液相金屬的冷卻速度也會(huì)進(jìn)一步降低，溫度梯度減小，趨于均勻冷卻，柱狀晶的生長(zhǎng)將會(huì)變慢。此時(shí)剩余液體中也會(huì)有一些新晶粒的形成并長(zhǎng)大。因無(wú)散熱優(yōu)勢(shì)方向，新晶粒將會(huì)長(zhǎng)成等軸晶粒。又因剩余液體散熱慢，過(guò)冷度較小，產(chǎn)生的自發(fā)晶核數(shù)量有限，故晶粒長(zhǎng)得較大(但若有非自發(fā)晶核存在，晶粒不會(huì)長(zhǎng)得很大)。從而在相鄰柱狀晶區(qū)的鑄錠心部地區(qū)形成一個(gè)晶粒較粗的等軸晶區(qū)。由于此區(qū)是最后凝固的，因此，一些低熔點(diǎn)的雜質(zhì)或合金元素可能偏多些，以及液體補(bǔ)充不足而出現(xiàn)中心偏析及疏松。當(dāng)柱狀晶向液相中生長(zhǎng)到一定深度后，垂直于模壁方向二、柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝固層某些晶粒為基底向內(nèi)生長(zhǎng)，發(fā)展成由外向內(nèi)生長(zhǎng)的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長(zhǎng)迅速。柱狀晶區(qū)開(kāi)始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)的存在與否及寬窄程度取決于上述兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會(huì)有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示二、柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱鑄型液態(tài)金屬柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示鑄液態(tài)金屬柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示柱狀晶結(jié)構(gòu)有以下弱點(diǎn)：①柱狀晶的枝干較純，而枝晶偏析較嚴(yán)重，熱變形后由于枝晶偏析區(qū)被延伸，組織具有帶狀特性。這樣使鋼的力學(xué)性能具有明顯的方向性，特別是使鋼的橫向性能和韌性降低；②在柱狀晶交界面，由于雜質(zhì)（硫、磷夾雜物）的沉積，構(gòu)成了薄弱面，是裂紋容易擴(kuò)展的地方，加工時(shí)易脆裂；③柱狀晶充分發(fā)展時(shí)，鑄坯可形成穿晶結(jié)構(gòu)，會(huì)造成中心疏松和縮孔，降低了致密度，增加了中心偏析。因此，抑制柱狀晶生長(zhǎng)而擴(kuò)大等軸晶區(qū)，是改善鑄坯質(zhì)量的一個(gè)重要任務(wù)。連鑄坯中柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的相對(duì)大小主要決定于澆注溫度。澆注溫度高，柱狀晶區(qū)就寬。低碳鋼過(guò)熱度大于20℃，柱狀晶寬度就急劇增加，因此，接近鋼種的液相線溫度澆注是擴(kuò)大等軸晶區(qū)的有效手段。但是，鋼水過(guò)熱度控制得很低（如小于10℃），在操作上有一定難度，易使水口凍結(jié)，且使鑄坯夾雜物增加。因此，保持鋼水在一定過(guò)熱度下澆注（如30℃）。

柱狀晶結(jié)構(gòu)有以下弱點(diǎn)：為擴(kuò)大等軸晶區(qū)需采取以下措施：⑴結(jié)晶器加入微型冷卻劑：在結(jié)晶器內(nèi)加入鋼帶或微型鋼塊，以消除鋼水過(guò)熱度，使其迅速地在液相線溫度凝固；⑵噴吹金屬粉末：在結(jié)晶器內(nèi)噴入不同尺寸的金屬粉，以吸收過(guò)熱和提供結(jié)晶核心，擴(kuò)大等軸晶區(qū)；⑶控制二冷區(qū)冷卻水量：二冷水量大，鑄坯表面溫度低，鑄坯內(nèi)外溫度梯度大，有利于柱狀晶生長(zhǎng)，柱狀晶區(qū)就寬；⑷加入形核劑。在結(jié)晶器內(nèi)加入形核劑，以增加結(jié)晶核心數(shù)量，擴(kuò)大等軸晶區(qū)；對(duì)形核劑要求：①在鋼液溫度下為固體；②在鋼液溫度下不分解為元素而進(jìn)入鋼中；③不上浮而存在于凝固前沿；④形核劑盡可能與鋼水潤(rùn)濕，晶格彼此接近，使形核劑與鋼液間有黏附作用。常用的形核劑物質(zhì)有Al2O3、ZrO2、TiO2、V2O5、AlN、VN、ZrN等。為擴(kuò)大等軸晶區(qū)需采取以下措施：⑸采用電磁攪拌：上述四種措施在實(shí)際應(yīng)用中要么還不成熟，如材料制備、工藝參數(shù)選擇、對(duì)結(jié)晶器液面干擾等問(wèn)題還需探討，要么效果有限，而電磁攪拌是最具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的方法。電磁攪拌的作用是在電磁力作用下使鋼水產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)流動(dòng)，使凝固前沿的樹(shù)枝晶熔斷或折斷，而枝晶碎片作為等軸晶核心長(zhǎng)大而擴(kuò)大等軸晶區(qū)，同時(shí)消除了樹(shù)枝晶搭橋，改善鑄坯中心疏松和縮孔，減輕了中心偏析。電磁攪拌還可消除皮下氣孔和皮下夾雜，改善表面質(zhì)量，提高鋼的純凈度，減小凝固前沿鋼液溫度梯度，即允許鋼液有更高的過(guò)熱度，促進(jìn)坯殼厚度的均勻性，這將有利于防止鑄坯產(chǎn)生裂紋和發(fā)生漏鋼事故，可提高拉速。電磁攪拌器可以安裝在結(jié)晶器（M-EMS）、二冷區(qū)（S-EMS）和凝固末端（F-EMS）。M-EMS除了改善鑄坯中心疏松、中心偏析外幾乎包括了電磁攪拌的所有功能，作用最明顯，效果最好；S-EMS的作用是在接近凝固終點(diǎn)再次攪拌由等軸晶和鋼液組成的兩相區(qū)，可以進(jìn)一步減輕包括高碳鋼在內(nèi)的鑄坯中心偏析?？梢圆捎脝为?dú)攪拌，也可以是聯(lián)合攪拌。⑸采用電磁攪拌：上述四種措施在實(shí)際應(yīng)用中要么還不成熟，如材料第三節(jié)內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理一、“成分過(guò)冷”理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論四、單個(gè)等軸晶形成過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示第三節(jié)內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理一、“成分過(guò)冷”理論一、“成分過(guò)冷”理論

該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來(lái)越富集，從而使界面前方成分過(guò)冷逐漸增大。當(dāng)成分過(guò)冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時(shí)，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。一、“成分過(guò)冷”理論該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)成分過(guò)冷1111成分過(guò)冷1111二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論在澆注的過(guò)程中及凝固的初期激冷,等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成,澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等軸晶區(qū)。二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論在澆注為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶呢?圖5-5型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離a)晶體密度比熔體小的情況;b)晶體密度比熔體大的情況為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶

溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”，具有“脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成凝固殼,另一方面，在澆注過(guò)程和凝固初期存在的對(duì)流容易沖斷“脖頸”，使晶體脫落并游離出去。圖5-6晶體與型壁交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)處產(chǎn)圖5-7游離晶體的生長(zhǎng)、局部熔化與增殖圖5-7游離晶體的生長(zhǎng)、局部熔化與增殖三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長(zhǎng)著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱(chēng)為“枝晶熔斷”理論。液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過(guò)程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來(lái)源，稱(chēng)為“結(jié)晶雨”理論。三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長(zhǎng)著的柱狀目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機(jī)理起主導(dǎo)作用，在另一種情況下，可能是另一種機(jī)理在起作用，或者是幾種機(jī)理的綜合作用，而各自作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很第三節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制思路:

晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過(guò)冷熔體獨(dú)立生核的能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對(duì)大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個(gè)結(jié)果所決定的。凡能強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核，促進(jìn)晶粒游離，以及有助于游離晶的殘存與增殖的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。

第三節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制思路:第三節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制

以高碳鋼為例：因?yàn)楦咛间摴桃簝上鄥^(qū)溫度達(dá)到131℃，故中等過(guò)熱度的鋼液也有其柱狀晶強(qiáng)烈增大趨勢(shì)，在凝固后期由于連鑄坯斷面中心柱狀樹(shù)枝晶的搭橋而形成小鋼錠的凝固結(jié)晶現(xiàn)象，鑄坯產(chǎn)生中心偏析。過(guò)熱度越低，中心偏析的評(píng)級(jí)越低。

兩個(gè)需要注意的概念：

(1)由成分決定的固液相線寬度越大，柱狀晶越發(fā)達(dá)；

(2)由溫度梯度決定的兩相區(qū)越寬，柱狀晶不發(fā)達(dá)。具體到連鑄二冷強(qiáng)度大時(shí)，溫度梯度變大，凝固前沿糊狀區(qū)（固液兩相區(qū)）變窄，利于柱狀晶生長(zhǎng)。第三節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制以高碳鋼為一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件合理的澆注工藝?yán)鋮s條件的控制合理的澆注工藝合理的澆注工藝澆注溫度澆注方式合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細(xì)化等軸晶的有效措施。但過(guò)低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動(dòng)性，導(dǎo)致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。通過(guò)改變澆注方式強(qiáng)化對(duì)流對(duì)型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進(jìn)細(xì)等軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷。合理的澆注工藝澆注溫度合理降低澆注溫度是減少柱鑄型中間澆注單孔上注沿型壁六孔澆注圖5-8不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織鑄型中間澆注單孔上注水流冷卻的斜板澆注方法水流冷卻的斜板澆注方法第三講連鑄坯宏觀組織及控制冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過(guò)冷，從而促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度GL和高的冷卻速度R可以滿(mǎn)足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這二者不可兼得。對(duì)薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。對(duì)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，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到滿(mǎn)意的效果。懸浮澆注法可同時(shí)滿(mǎn)足小的GL與高的R的要求。冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)懸浮澆注法是在澆注過(guò)程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中，從而改變金屬液凝固過(guò)程，達(dá)到細(xì)化組織、減小偏析、減小鑄造應(yīng)力的目的的一種工藝方法。懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)懸浮澆注法是在澆注過(guò)程中將一定懸浮澆注法的特點(diǎn)

1)顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚大斷面力學(xué)性能均勻性；

2)減小凝固收縮，使冒口減小15～35%；

3)減少縮松，提高鑄件致密性；

4)減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向；

5)改善宏觀偏析；

6)提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況；

7)可以實(shí)現(xiàn)澆注過(guò)程合金化。懸浮澆注法的特點(diǎn)

1)顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善技術(shù)原理：通過(guò)加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、晶體學(xué)和熱作用，強(qiáng)制金屬液生核，并改變鑄型中金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。

適用范圍：各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金件。不需要特殊設(shè)備，僅要求簡(jiǎn)單輔助工裝。技術(shù)原理：通過(guò)加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、晶體學(xué)和熱作二、孕育處理孕育處理是澆注之前或澆注過(guò)程中向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。澄清兩個(gè)概念：孕育(Inoculation)主要是影響生核過(guò)程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（Modification）則是改變晶體的生長(zhǎng)機(jī)理，從而影響晶體形貌。變質(zhì)在改變共晶合金的非金屬相的結(jié)晶形貌上有著重要的應(yīng)用，而在等軸晶組織的獲得和細(xì)化中采用的則是孕育方法。二、孕育處理孕育處理是澆注之前或澆注過(guò)程中向孕育劑作用機(jī)理的兩類(lèi)觀點(diǎn)孕育主要起非自發(fā)形核作用通過(guò)在生長(zhǎng)界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹(shù)枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)

孕育劑能與液相中某些元素反應(yīng)生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核孕育劑作用機(jī)理的兩類(lèi)觀點(diǎn)孕育主要起非自發(fā)形核作用通過(guò)在生長(zhǎng)界合金種類(lèi)孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0.1~0.2鐵合金V0.06~0.30B0.005~0.01鑄鐵Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，與Si-Fe復(fù)合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；復(fù)合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過(guò)共晶Al-Si合金P≥0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金銅合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02~0.04純金屬或中間合金鎳基高溫合金WC,NbC碳化物粉末表5-1合金常用孕育劑的主要元素情況合金種類(lèi)孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)孕育期和衰退期。在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過(guò)程，或與合金液反應(yīng)生成化合物，起細(xì)化作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤(rùn)濕，逐漸達(dá)到最佳的細(xì)化效果。當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最佳值時(shí)澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類(lèi)的不同，達(dá)到最佳細(xì)化效果所需要的時(shí)間也不同。幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時(shí)間出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開(kāi)的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和具體的處理方法來(lái)選擇。孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)孕育

高碳鋼連鑄坯存在的最大質(zhì)量問(wèn)題是中心縮松、中心偏析嚴(yán)重。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是擴(kuò)大鑄坯等軸晶區(qū)比例，細(xì)化晶粒。本文以Fe-C合金作為形核劑，研究了形核劑含碳量對(duì)高碳鋼凝固過(guò)程的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明，向鋼液中加入形核劑可有效地?cái)U(kuò)大等軸晶區(qū)。對(duì)高碳鋼，中碳鐵合金形核劑既可擴(kuò)大等軸晶區(qū)，又可細(xì)化晶粒；而低碳形核劑可以擴(kuò)大等軸晶區(qū)，但細(xì)化晶粒效果差。為有效地發(fā)揮形核劑的作用，對(duì)不同鋼種要合理地選擇形核劑含碳量。Centralshrinkageporosityandsegregationaremaindefectsofhigh-carbonsteelbillets．ThekeytosolvetheseproblemsiSenlargingequiaxedgrainzoneandfininggrainsize．Fe-Calloysaretakenasnucleatingagentsandtheefectsofcarboncontentofnucleatingagentsonsolidificationprocessofhigh—carbonsteeIarestudied．Theresultsshowthataddingmediumcarbonnucleatingagentsintohighcarbonsteelgradecanefectivelyenlargeequiaxedgrainzoneandfinegrainsize；addinglowcarbonnucleatingagentsintohighcarbonsteelgradecanonlyenlargeequiaxedgrainzone．Inordertoexploitnucleatingagents’advantagestothealI，diferentnucleatingagentsmustbeselectedseriouslyaccordingtodiferentsteeIgrades．Themediumcarbonalloynucleatingagentsaresuitableforhigh-carbonsteelgrade．高碳鋼連鑄坯存在的最大質(zhì)量問(wèn)題是中心縮松、中心

還有一種孕育——電脈沖孕育：電脈沖孕育處理是指通過(guò)對(duì)合金熔體施加脈沖電場(chǎng)從而達(dá)到控制合金凝固，細(xì)化金屬凝固組織的目的。研究發(fā)現(xiàn)，利用脈沖電流處理可以使金屬的凝固溫度升高，凝固時(shí)間縮短，溫度梯度減小，使金屬更趨向于體積凝固方式，凝固組織細(xì)化，力學(xué)性能得到改善；可以使凝固組織由粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶，大幅度細(xì)化晶粒尺寸；使奧氏體不銹鋼的柱狀晶間距明顯細(xì)，并增加凝固組織中奧氏體的相對(duì)含量；使高碳當(dāng)量的過(guò)共晶灰口鑄鐵中出現(xiàn)大量D型過(guò)冷石墨和發(fā)達(dá)的奧氏體枝晶，細(xì)化共晶團(tuán)尺寸。在溫度較高的液相中，電脈沖對(duì)凝固組織細(xì)化無(wú)任何作用。在枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中，電脈沖無(wú)法使晶體熔化或折斷，但它可以促使型壁上的晶粒脫落、游離，并在液相中自由移動(dòng)，成為等軸晶生長(zhǎng)的核心，從而達(dá)到了細(xì)化晶粒的目的，如圖所示。還有一種孕育——電脈沖孕育：電脈沖孕育處理是指三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化

1．鑄型振動(dòng)2．超聲波振動(dòng)3．液相攪拌4．流變鑄造三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化1．鑄型振動(dòng)1．鑄型振動(dòng)在凝固過(guò)程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶破碎形成結(jié)晶核心。離心鑄造時(shí)若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小等軸晶，說(shuō)明液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所起的細(xì)化晶粒作用。振動(dòng)還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動(dòng)鑄型可促使“晶雨”的形成。立式離心鑄造機(jī)1．鑄型振動(dòng)在凝固過(guò)程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，2．超聲波振動(dòng)

超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰時(shí)，液體迅速補(bǔ)充，液體流動(dòng)的動(dòng)量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)壓力增加時(shí)凝固的合金熔點(diǎn)溫度也要增加，從而提高了凝固過(guò)冷度，造成形核率的提高，使晶粒細(xì)化。2．超聲波振動(dòng)超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用超聲波通常是指1s內(nèi)振動(dòng)20000次以上的高頻聲波，在介質(zhì)傳導(dǎo)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生周期性的應(yīng)力和聲壓變化，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生局部的高溫高壓效應(yīng)。超聲振動(dòng)的高能量及其它的特殊效應(yīng)，極大地提高了對(duì)凝固的作用效果。利用超聲波冶金可以細(xì)化晶粒，去氣除渣，細(xì)化枝晶網(wǎng)胞。功率超聲是超聲波的一個(gè)分支，應(yīng)用于金屬凝固過(guò)程中時(shí)有5個(gè)基本作用：（1）線性交變振動(dòng)作用；（2）大振幅聲波；（3）非線性振動(dòng)；（4）聲空化作用；（5）聲流作用。這些作用應(yīng)用于金屬液中可以產(chǎn)生攪拌、霧化、分散、沖擊破碎等作用可以促進(jìn)合金形核并抑制其長(zhǎng)大，還可提高溫度和化學(xué)成分的均勻性，改善合金成分的偏析等。超聲波通常是指1s內(nèi)振動(dòng)20000次以上的3.振動(dòng)喂帶技術(shù)向結(jié)晶器內(nèi)的金屬液中連續(xù)喂人接近母液成分的金屬棒或帶，在金屬棒或帶融化吸收鋼水過(guò)熱度的基礎(chǔ)上，通過(guò)振動(dòng)使金屬棒或帶的前端兩相區(qū)內(nèi)的枝晶以晶核的方式被彈射到鋼液中，成為其后凝固形成等軸晶的晶核來(lái)源。通過(guò)將處于高頻振動(dòng)狀態(tài)的鋼帶插入與其成分相同的鋼液中，觀察并分析鋼帶的熔化、形核及彈射至溶池內(nèi)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，尤其是有無(wú)振動(dòng)條件下鋼帶的完全熔化時(shí)間。當(dāng)振動(dòng)鋼帶持續(xù)不斷地插入鋼液熔池時(shí)，鋼帶在熔池中能夠快速熔化產(chǎn)生細(xì)小枝晶，這不僅能夠起到降低鋼液中心過(guò)熱度的作用，還可以借助于振動(dòng)將細(xì)小破碎的晶粒彈射到金屬液中，起到促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的作用，從而提高鑄坯組織中的等軸晶比例，改善內(nèi)部質(zhì)量。3.振動(dòng)喂帶技術(shù)4.振動(dòng)激發(fā)金屬液形核技術(shù)當(dāng)一種帶有冷卻結(jié)構(gòu)且高頻振動(dòng)的晶核發(fā)射器插入金屬液時(shí)，金屬液將在晶核發(fā)射器棒體的表面迅速凝固形核、長(zhǎng)大，這就是振動(dòng)激發(fā)形核技術(shù)。在棒體的高頻振動(dòng)作用下，其表面形成的晶粒將被折斷或與基體剝離，并被連續(xù)不斷地彈射到金屬液中，成為凝固過(guò)程中抑制柱狀晶生長(zhǎng)、形成大量等軸晶的晶核來(lái)。4.振動(dòng)激發(fā)金屬液形核技術(shù)當(dāng)一種帶有冷卻結(jié)構(gòu)且5．液相攪拌

采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對(duì)固相的運(yùn)動(dòng)，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。

連鑄過(guò)程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時(shí)，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。5．液相攪拌采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相

電磁攪拌器(EMS)的實(shí)質(zhì)是借助在鑄坯液中感生的電磁力來(lái)強(qiáng)化鋼水的運(yùn)動(dòng)。在鋼水附近施加電磁攪拌以后，電磁攪拌器產(chǎn)生的低頻交變電磁場(chǎng)穿透鋼水，與鋼水間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得鋼液的磁通量發(fā)生變化，相當(dāng)于磁場(chǎng)以一定的速度切割鋼液，使其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流又與感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，作用于鋼液的每個(gè)體積元上，從而驅(qū)動(dòng)鋼液的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)原理、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)原理、直線電動(dòng)機(jī)原理和固定磁場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體被感應(yīng)受力的原理，電磁攪拌力的產(chǎn)生相應(yīng)有4種類(lèi)型：靜止磁場(chǎng)與液芯通電型電磁攪拌的電磁力；感應(yīng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型電磁攪拌的電磁力；行波磁場(chǎng)電磁攪拌的電磁力；鋼水注流的電磁制動(dòng)。根據(jù)電磁攪拌器安裝形式和位置不同，EMS主要分為二冷區(qū)電磁攪拌(S—EMS)和結(jié)晶器電磁攪拌(M—EMS)，如圖2所示。電磁攪拌技術(shù)的核心就是利用電磁力控制凝固過(guò)程的流動(dòng)現(xiàn)象，改善鑄坯的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和軋材性能。電磁攪拌器(EMS