第三講連鑄坯宏觀組織及控制課件

關于連鑄：關于連鑄：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)內部等軸晶的形成機理第四節(jié)鑄坯宏觀結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-晶粒較為粗大的內部等軸晶區(qū)第一節(jié)鑄坯(錠)的宏觀組織幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖（a）只有柱狀晶;（b）表面細等軸晶加柱狀晶;（c）三個晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶幾種不同類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，與鋼錠無本質區(qū)別。只是由于冷卻強度大，連鑄坯的激冷層往往要厚些，柱狀晶較發(fā)達但不如鋼錠那么粗大，錠心帶也是粗大等軸晶組成。連鑄坯整個結構比鋼錠致密，晶粒也要細一些，且液相穴很長的鑄坯凝固，鋼水補縮困難，易產生中心疏松。鑄坯與鋼錠組織區(qū)別：鑄坯與鋼錠組織區(qū)別：①激冷層：鑄坯表皮由細小等軸晶組成，叫激冷層，是在結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)：鑄坯激冷層形成過程中的收縮，使結晶器彎月面以下約100～150mm的器壁處產生了氣隙，降低了傳熱速度。同時，鋼液內部向外散熱使激冷層溫度升高，不再產生新的晶核。在鋼液定向傳熱得到發(fā)展的條件下，柱狀晶帶開始形成?？拷だ鋵拥闹鶢罹Ш芗?，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，在某些部位可能會貫穿鑄坯中心形成穿晶結構。對于弧形連鑄機，鑄坯低倍結構具有不對稱性。由于重力作用，晶體下沉，抑制了外弧柱狀晶生長，故內弧側柱狀晶比外弧側要長些，且鑄坯內裂紋也常常集中在內弧側。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)寬度不斷擴大，鑄坯心部鋼水溫度降至液相線溫度后，大量等軸晶產生并迅速長大，形成無規(guī)則排列的等軸晶帶。中心區(qū)有可見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，晶粒也細一些。三個晶區(qū)的特征①激冷層：鑄坯表皮由細小等軸晶組成，叫激冷層，是在結晶器彎月柱狀晶的特點是各向異性，對于諸如磁性材料、發(fā)動機和螺旋漿葉片等這些強調單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點。如何在技術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)組織的形成機理。柱狀晶的特點是各向異性，對于諸如磁性材料、發(fā)動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結而構成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉為柱狀晶區(qū)由外向內的生長，表面激冷細晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉變得也就越快，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

當表層細晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細晶區(qū)前面的液體散熱能力下降，過冷度也下降。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，有利于晶粒逆著傳熱方向不斷地向液相區(qū)生長。而在平行模壁方向散熱能力較差，并且晶粒徑向僅能長大較短距離相鄰晶粒就互相接觸，停止生長。因此在細晶區(qū)形成后，接著形成了一個柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)金屬較致密，沿柱狀晶軸向強度很高，但近于平行的柱狀晶晶粒之間的徑向結合強度卻較低。柱狀晶區(qū)有明顯的各向異性。當對鑄錠進行塑性變形時柱狀晶區(qū)易出現(xiàn)晶間開裂。當表層細晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細晶區(qū)

另外，當不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時，會產生一個柱狀晶區(qū)的交界。此處的雜質、氣泡、縮松等較多，成為鑄錠的脆弱結合面。當鑄錠接受塑性變形時此處也易開裂。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，常采用振動方法來破壞柱狀晶區(qū)的形成和長大，也常采用變質處理來阻礙柱狀晶長大，并促進中心等軸晶區(qū)的擴大來減少柱狀晶區(qū)。另外，避免金屬液過熱澆注也會防止柱狀晶區(qū)過大。另外，當不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時，會產生一個柱

當柱狀晶向液相中生長到一定深度后，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)間隙時傳熱速度降低，剩余液相金屬的冷卻速度也會進一步降低，溫度梯度減小，趨于均勻冷卻，柱狀晶的生長將會變慢。此時剩余液體中也會有一些新晶粒的形成并長大。因無散熱優(yōu)勢方向，新晶粒將會長成等軸晶粒。又因剩余液體散熱慢，過冷度較小，產生的自發(fā)晶核數(shù)量有限，故晶粒長得較大(但若有非自發(fā)晶核存在，晶粒不會長得很大)。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，一些低熔點的雜質或合金元素可能偏多些，以及液體補充不足而出現(xiàn)中心偏析及疏松。當柱狀晶向液相中生長到一定深度后，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等軸晶凝固層某些晶粒為基底向內生長，發(fā)展成由外向內生長的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長迅速。柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產生，而結束于內部等軸晶區(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因素綜合作用的結果。如果在凝固初期就使得內部產生等軸晶的晶核，將會有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長過程的動態(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)金屬柱狀晶生長過程的動態(tài)演示鑄液態(tài)金屬柱狀晶生長過程的動態(tài)演示柱狀晶結構有以下弱點：①柱狀晶的枝干較純，而枝晶偏析較嚴重，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（硫、磷夾雜物）的沉積，構成了薄弱面，是裂紋容易擴展的地方，加工時易脆裂；③柱狀晶充分發(fā)展時，鑄坯可形成穿晶結構，會造成中心疏松和縮孔，降低了致密度，增加了中心偏析。因此，抑制柱狀晶生長而擴大等軸晶區(qū)，是改善鑄坯質量的一個重要任務。連鑄坯中柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的相對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大等軸晶區(qū)的有效手段。但是，鋼水過熱度控制得很低（如小于10℃），在操作上有一定難度，易使水口凍結，且使鑄坯夾雜物增加。因此，保持鋼水在一定過熱度下澆注（如30℃）。

柱狀晶結構有以下弱點：為擴大等軸晶區(qū)需采取以下措施：⑴結晶器加入微型冷卻劑：在結晶器內加入鋼帶或微型鋼塊，以消除鋼水過熱度，使其迅速地在液相線溫度凝固；⑵噴吹金屬粉末：在結晶器內噴入不同尺寸的金屬粉，以吸收過熱和提供結晶核心，擴大等軸晶區(qū)；⑶控制二冷區(qū)冷卻水量：二冷水量大，鑄坯表面溫度低，鑄坯內外溫度梯度大，有利于柱狀晶生長，柱狀晶區(qū)就寬；⑷加入形核劑。在結晶器內加入形核劑，以增加結晶核心數(shù)量，擴大等軸晶區(qū)；對形核劑要求：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。常用的形核劑物質有Al2O3、ZrO2、TiO2、V2O5、AlN、VN、ZrN等。為擴大等軸晶區(qū)需采取以下措施：⑸采用電磁攪拌：上述四種措施在實際應用中要么還不成熟，如材料制備、工藝參數(shù)選擇、對結晶器液面干擾等問題還需探討，要么效果有限，而電磁攪拌是最具實際應用價值的方法。電磁攪拌的作用是在電磁力作用下使鋼水產生強制對流循環(huán)流動，使凝固前沿的樹枝晶熔斷或折斷，而枝晶碎片作為等軸晶核心長大而擴大等軸晶區(qū)，同時消除了樹枝晶搭橋，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熱度，促進坯殼厚度的均勻性，這將有利于防止鑄坯產生裂紋和發(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再次攪拌由等軸晶和鋼液組成的兩相區(qū)，可以進一步減輕包括高碳鋼在內的鑄坯中心偏析?？梢圆捎脝为殧嚢?，也可以是聯(lián)合攪拌。⑸采用電磁攪拌：上述四種措施在實際應用中要么還不成熟，如材料第三節(jié)內部等軸晶的形成機理一、“成分過冷”理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論三、枝晶熔斷及結晶雨理論四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示第三節(jié)內部等軸晶的形成機理一、“成分過冷”理論一、“成分過冷”理論

該理論認為，隨著凝固層向內推移，固相散熱能力逐漸削弱，內部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。當成分過冷大到足以發(fā)生非均質生核時，便導致內部等軸晶的形成。一、“成分過冷”理論該理論認為，隨著凝固層向內成分過冷1111成分過冷1111二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論在澆注的過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濃度大的合金容易得到等軸晶

溶質的偏析容易使晶體在與型壁的交會處產生“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，在澆注過程和凝固初期存在的對流容易沖斷“脖頸”，使晶體脫落并游離出去。圖5-6晶體與型壁交會處產生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離溶質的偏析容易使晶體在與型壁的交會處產圖5-7游離晶體的生長、局部熔化與增殖圖5-7游離晶體的生長、局部熔化與增殖三、枝晶熔斷及結晶雨理論生長著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導致了內部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。液面冷卻產生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時內部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結晶雨”理論。三、枝晶熔斷及結晶雨理論生長著的柱狀目前比較統(tǒng)一的看法是內部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機理起主導作用，在另一種情況下，可能是另一種機理在起作用，或者是幾種機理的綜合作用，而各自作用的大小當由具體的凝固條件所決定。目前比較統(tǒng)一的看法是內部等軸晶區(qū)的形成很第三節(jié)鑄件宏觀結晶組織的控制思路:

晶區(qū)的形成和轉變乃是過冷熔體獨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基本條件綜合作用的結果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細就是由這個結果所決定的。凡能強化熔體獨立生核，促進晶粒游離，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，從而擴大等軸晶區(qū)的范圍，并細化等軸晶組織。

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

以高碳鋼為例：因為高碳鋼固液兩相區(qū)溫度達到131℃，故中等過熱度的鋼液也有其柱狀晶強烈增大趨勢，在凝固后期由于連鑄坯斷面中心柱狀樹枝晶的搭橋而形成小鋼錠的凝固結晶現(xiàn)象，鑄坯產生中心偏析。過熱度越低，中心偏析的評級越低。

兩個需要注意的概念：

(1)由成分決定的固液相線寬度越大，柱狀晶越發(fā)達；

(2)由溫度梯度決定的兩相區(qū)越寬，柱狀晶不發(fā)達。具體到連鑄二冷強度大時，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。第三節(jié)鑄件宏觀結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、動力學細化一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件合理的澆注工藝冷卻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、獲得及細化等軸晶的有效措施。但過低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動性，導致澆不足和冷隔等缺陷的產生。通過改變澆注方式強化對流對型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進細等軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導致鑄件產生相應的缺陷。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)域和獲得大的過冷，從而促進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。對薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導能力的鑄型。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，再輔以其他晶粒細化措施以得到滿意的效果。懸浮澆注法可同時滿足小的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入法的澆注系統(tǒng)懸浮澆注法是在澆注過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程，達到細化組織、減小偏析、減小鑄造應力的目的的一種工藝方法。懸浮澆注用渦流導入法的澆注系統(tǒng)懸浮澆注法是在澆注過程中將一定懸浮澆注法的特點

1)顯著細化鑄件組織，提高力學性能，改善鑄件厚大斷面力學性能均勻性；

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)可以實現(xiàn)澆注過程合金化。懸浮澆注法的特點

1)顯著細化鑄件組織，提高力學性能，改善技術原理：通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學、晶體學和熱作用，強制金屬液生核，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。不需要特殊設備，僅要求簡單輔助工裝。技術原理：通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學、晶體學和熱作二、孕育處理孕育處理是澆注之前或澆注過程中向液態(tài)金屬中添加少量物質以達到細化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。澄清兩個概念：孕育(Inoculation)主要是影響生核過程和促進晶粒游離以細化晶粒；而變質（Modification）則是改變晶體的生長機理，從而影響晶體形貌。變質在改變共晶合金的非金屬相的結晶形貌上有著重要的應用，而在等軸晶組織的獲得和細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程中向孕育劑作用機理的兩類觀點孕育主要起非自發(fā)形核作用通過在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產生縮頸，促進枝晶熔斷和游離而細化晶粒。孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質

孕育劑能與液相中某些元素反應生成較穩(wěn)定的化合物而產生非自發(fā)生核在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結晶相提前彌散析出而生核孕育劑作用機理的兩類觀點孕育主要起非自發(fā)形核作用通過在生長界合金種類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復合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；復合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過共晶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)歷一個孕育期和衰退期。在孕育期內，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過程，或與合金液反應生成化合物，起細化作用的異質固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達到最佳的細化效果。當細化效果達到最佳值時澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類的不同，達到最佳細化效果所需要的時間也不同。幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時間出現(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。一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開的前提下，應盡量降低處理溫度。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)歷一個孕育

高碳鋼連鑄坯存在的最大質量問題是中心縮松、中心偏析嚴重。解決這一問題的關鍵是擴大鑄坯等軸晶區(qū)比例，細化晶粒。本文以Fe-C合金作為形核劑，研究了形核劑含碳量對高碳鋼凝固過程的影響機理。研究結果表明，向鋼液中加入形核劑可有效地擴大等軸晶區(qū)。對高碳鋼，中碳鐵合金形核劑既可擴大等軸晶區(qū)，又可細化晶粒；而低碳形核劑可以擴大等軸晶區(qū)，但細化晶粒效果差。為有效地發(fā)揮形核劑的作用，對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量問題是中心縮松、中心

還有一種孕育——電脈沖孕育：電脈沖孕育處理是指通過對合金熔體施加脈沖電場從而達到控制合金凝固，細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，凝固組織細化，力學性能得到改善；可以使凝固組織由粗大柱狀晶轉變?yōu)榧毿〉容S晶，大幅度細化晶粒尺寸；使奧氏體不銹鋼的柱狀晶間距明顯細，并增加凝固組織中奧氏體的相對含量；使高碳當量的過共晶灰口鑄鐵中出現(xiàn)大量D型過冷石墨和發(fā)達的奧氏體枝晶，細化共晶團尺寸。在溫度較高的液相中，電脈沖對凝固組織細化無任何作用。在枝晶生長過程中，電脈沖無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，成為等軸晶生長的核心，從而達到了細化晶粒的目的，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、動力學細化

1．鑄型振動2．超聲波振動3．液相攪拌4．流變鑄造三、動力學細化1．鑄型振動1．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，導致枝晶破碎形成結晶核心。離心鑄造時若周期改變旋轉方向可獲得細小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運動所起的細化晶粒作用。振動還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動鑄型可促使“晶雨”的形成。立式離心鑄造機1．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，2．超聲波振動

超聲波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。當壓力增加時凝固的合金熔點溫度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶粒細化。2．超聲波振動超聲波振動可在液相中產生空化作用超聲波通常是指1s內振動20000次以上的高頻聲波，在介質傳導時，將會產生周期性的應力和聲壓變化，同時也會產生局部的高溫高壓效應。超聲振動的高能量及其它的特殊效應，極大地提高了對凝固的作用效果。利用超聲波冶金可以細化晶粒，去氣除渣，細化枝晶網(wǎng)胞。功率超聲是超聲波的一個分支，應用于金屬凝固過程中時有5個基本作用：（1）線性交變振動作用；（2）大振幅聲波；（3）非線性振動；（4）聲空化作用；（5）聲流作用。這些作用應用于金屬液中可以產生攪拌、霧化、分散、沖擊破碎等作用可以促進合金形核并抑制其長大，還可提高溫度和化學成分的均勻性，改善合金成分的偏析等。超聲波通常是指1s內振動20000次以上的3.振動喂帶技術向結晶器內的金屬液中連續(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熱度的基礎上，通過振動使金屬棒或帶的前端兩相區(qū)內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源。通過將處于高頻振動狀態(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的動態(tài)過程，尤其是有無振動條件下鋼帶的完全熔化時間。當振動鋼帶持續(xù)不斷地插入鋼液熔池時，鋼帶在熔池中能夠快速熔化產生細小枝晶，這不僅能夠起到降低鋼液中心過熱度的作用，還可以借助于振動將細小破碎的晶粒彈射到金屬液中，起到促進柱狀晶向等軸晶轉變的作用，從而提高鑄坯組織中的等軸晶比例，改善內部質量。3.振動喂帶技術4.振動激發(fā)金屬液形核技術當一種帶有冷卻結構且高頻振動的晶核發(fā)射器插入金屬液時，金屬液將在晶核發(fā)射器棒體的表面迅速凝固形核、長大，這就是振動激發(fā)形核技術。在棒體的高頻振動作用下，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，成為凝固過程中抑制柱狀晶生長、形成大量等軸晶的晶核來。4.振動激發(fā)金屬液形核技術當一種帶有冷卻結構且5．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。

連鑄過程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質量，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量要求較高時，電磁攪拌技術便成為首選。5．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

電磁攪拌器(EMS)的實質是借助在鑄坯液中感生的電磁力來強化鋼水的運動。在鋼水附近施加電磁攪拌以后，電磁攪拌器產生的低頻交變電磁場穿透鋼水，與鋼水間產生相對運動，使得鋼液的磁通量發(fā)生變化，相當于磁場以一定的速度切割鋼液，使其內部產生感應電流。這種感應電流又與感應器產生的磁場相互作用產生電磁力，作用于鋼液的每個體積元上，從而驅動鋼液的運動。根據(jù)直流電動機原理、感應電動機原理、直線電動機原理和固定磁場下運動導體被感應受力的原理，電磁攪拌力的產生相應有4種類型：靜止磁場與液芯通電型電磁攪拌的電磁力；感應旋轉磁場型電磁攪拌的電磁力；行波磁場電磁攪拌的電磁力；鋼水注流的電磁制動。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)和結晶器電磁攪拌(M—EMS)，如圖2所示。電磁攪拌技術的核心就是利用電磁力控制凝固過程的流動現(xiàn)象，改善鑄坯的結構、質量和軋材性能。電磁攪拌器(EMS)的實質是借助在鑄坯液電磁攪拌對鑄坯等軸晶帶的作用：

柱狀晶特別發(fā)達，是鑄坯的結構特點和弱點。擴大和細化等軸晶帶，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量。而等軸晶帶的發(fā)展，主要取決于3個基本條件：液芯內有充分的晶核；凝固前沿的兩相區(qū)范圍盡量寬；兩相區(qū)內有較大的成分過冷。電磁攪拌可通過流動母液對樹枝晶前端的動力折斷作用和熔蝕作用而產生大量晶枝碎片，供作晶核。同時，強力流動可大大加速液芯的傳熱而使過熱度迅速消失、兩相區(qū)迅速擴大。另外，強力流動加速傳質，使凝固前沿擴散邊界層減薄而濃度梯度增大，使兩相區(qū)內成分過冷增強。這三者恰好是等軸晶發(fā)展的三要素，所以電磁攪拌是擴大鑄坯等軸晶帶的有效措施。電磁攪拌推動液芯流動而產生對凝固前沿樹枝晶的沖刷和熔蝕，使得樹枝晶前沿變得比較平齊光滑；同時，數(shù)學模擬表明，即使電磁攪拌安裝在連鑄機上部，由于它促使液芯過熱度的迅速消失，也會使尖銳狹窄的液相穴底部變得圓滑而較寬。其結果就可以避免凝固前沿的樹枝晶搭橋現(xiàn)象，從而避免液相穴底部形成“小鋼錠縮孔”。加之電磁攪拌產生的大量碎枝晶核向液相穴底部沉淀充填和競相長大，就可形成較致密的等軸晶結構，從而減輕縮孔、疏松的發(fā)生。電磁攪拌對鑄坯等軸晶帶的作用：6.輕壓下技術

輕壓下技術是從收縮輥縫技術的基礎上發(fā)展而來，它是通過在連鑄坯液芯末端附近施加適當壓力，產生一定的壓下量來補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部空隙，防止晶間富集溶質元素的鋼液向鑄坯中心橫向流動；另一方面，輕壓下所產生的擠壓作用還可以促進液芯中溶質元素富集的鋼液沿拉坯方向反向流動，使溶質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。輕壓下技術對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)鋼液運動加劇，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小的破碎枝晶。這些細小的枝晶成為中心過冷鋼液的形核核心，加速了中心鋼液的形核速率，因此中心細小的等軸晶晶帶比未使用輕壓下技術的鑄坯要高。6.輕壓下技術第三講連鑄坯宏觀組織及控制7．流變鑄造

流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當液體金屬凝固達50～60％時，在氬氣保護下進行高速攪拌，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)晶體隨攪拌轉速的增加趨于細小而圓整，機械性能顯著提高。這種細小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動性而容易成形。因為它的溫度遠低于液相線溫度，所以對于黑色金屬的壓鑄件來說，能大大減輕金屬對模具的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴大黑色金屬壓鑄的應用范圍。7．流變鑄造流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當液體傳統(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、熔池結晶特征三、熔池結晶組織的細化第五節(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、過熱度高動態(tài)凝固過程液態(tài)金屬對流激烈一、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100g;周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，通?？蛇_4～100℃/s，遠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，對于電弧焊接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達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℃。由于過熱溫度高，非自發(fā)形核的原始質點數(shù)大為減少，這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。2.溫差大、過熱溫度高熔池金屬中不同區(qū)域因加熱與冷卻速3.動態(tài)凝固過程處于熱源移動方向前端的母材不斷熔化，連同過渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在電弧吹力作用下，對流至熔池后部。隨著熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即開始凝固。因此，凝固過程是連續(xù)進行并隨熔池前進。圖5-11熔池的運動狀態(tài)下結晶3.動態(tài)凝固過程處于熱源移動方向前端的母材不斷熔化，連同4.液態(tài)金屬對流激烈熔池中存在許多復雜的作用力，如電弧的機械力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，使熔池金屬產生強烈的攪拌和對流，在熔池上部其方向一般從熔池頭部向尾部流動，而在熔池底部的流動方向與之正好相反，這一點有利于熔池金屬成分分布的均勻化與純凈化。4.液態(tài)金屬對流激烈熔池中存在許多復雜的作用力二、熔池結晶特征

聯(lián)生結晶柱狀晶生長方向與速度的變化熔池凝固組織形態(tài)的多樣性二、熔池結晶特征聯(lián)生結晶1.聯(lián)生結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的懸浮質點（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)形核就依附在這個表面，在較小的過冷度下以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長，稱為聯(lián)生結晶(也稱外延生長)。1.聯(lián)生結晶在熔池中存在兩種現(xiàn)成固相表面2.柱狀晶生長方向與速度的變化典型的焊接熔池形狀像不標準的半橢球。熔池的形狀和大小，受母材的熱物理性質、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,晶體生長方向與最大散熱方向正好相反,因此在生長過程中不斷改變方向,形成彎曲狀柱狀晶。生長速度R與焊接速度υ滿足關系式:在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時（圖中

H和F點）,晶粒生長線速度R為零，即焊縫邊緣的生長速度最慢。而在熱源移動后面的焊縫中心（D點），晶粒生長速度R與焊接速度υ相等，生長最快。一般情況下，由于等溫線是彎曲的，其曲線上各點的法線方向不斷地改變，因此晶粒生長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,晶體生長方向與最大焊接速度大時，焊接熔池長度增加,柱狀晶趨向垂直于焊縫中心線生長;焊接速度越慢,柱狀晶越彎曲。最后結晶的低熔點夾雜物易被推移到焊縫中心區(qū)域，形成脆弱的結合面，因此垂直于焊縫中心線的柱狀晶，易導致縱向熱裂紋的產生。焊接速度快焊接速度慢焊接速度大時，焊接熔池長度增加,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翼邊界，由于結晶速度R非常小，溫度梯度G較大，G/R則很大，成分過冷接近于零，滿足平面晶生長的條件。隨著凝固界面遠離熔合區(qū)邊界向焊縫中心推進時,結晶速度R逐漸增大，而溫度梯度G減小,G/R逐步減小，成分過冷逐漸增大，平面生長將轉為胞狀生長；隨著成分過冷的進一步加大，樹枝晶生長的方式逐漸占主導地位，在到達熔池尾端結束凝固時，成分過冷度最大，有可能形成等軸樹枝晶區(qū)。3.熔池凝固組織形態(tài)的多樣性在熔池兩側翼邊界，由于結晶速三、熔池結晶組織的細化

通過提高形核率和抑制晶粒長大兩個方面1．變質處理通過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)晶核的質點,從而使焊縫晶粒細化。2．振動結晶采用振動的方法來打斷正在成長的柱狀晶，增大晶粒游離傾向，達到細化晶粒的目的。振動方式主要有機械振動、超聲振動和電磁攪拌。3．焊接工藝采用恰當?shù)暮附庸に嚧胧?，也可改善熔池凝固結晶。主要方法是小線能量、多層焊和錘擊焊道表面等。三、熔池結晶組織的細化通過提高形核率和抑制作業(yè)1、描述表面細晶區(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（重點掌握）作業(yè)1、描述表面細晶區(qū)的形成理論（思考題）關于連鑄：關于連鑄：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)內部等軸晶的形成機理第四節(jié)鑄坯宏觀結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-晶粒較為粗大的內部等軸晶區(qū)第一節(jié)鑄坯(錠)的宏觀組織幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖（a）只有柱狀晶;（b）表面細等軸晶加柱狀晶;（c）三個晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶幾種不同類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，與鋼錠無本質區(qū)別。只是由于冷卻強度大，連鑄坯的激冷層往往要厚些，柱狀晶較發(fā)達但不如鋼錠那么粗大，錠心帶也是粗大等軸晶組成。連鑄坯整個結構比鋼錠致密，晶粒也要細一些，且液相穴很長的鑄坯凝固，鋼水補縮困難，易產生中心疏松。鑄坯與鋼錠組織區(qū)別：鑄坯與鋼錠組織區(qū)別：①激冷層：鑄坯表皮由細小等軸晶組成，叫激冷層，是在結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)：鑄坯激冷層形成過程中的收縮，使結晶器彎月面以下約100～150mm的器壁處產生了氣隙，降低了傳熱速度。同時，鋼液內部向外散熱使激冷層溫度升高，不再產生新的晶核。在鋼液定向傳熱得到發(fā)展的條件下，柱狀晶帶開始形成?？拷だ鋵拥闹鶢罹Ш芗殻旧喜环植?。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，在某些部位可能會貫穿鑄坯中心形成穿晶結構。對于弧形連鑄機，鑄坯低倍結構具有不對稱性。由于重力作用，晶體下沉，抑制了外弧柱狀晶生長，故內弧側柱狀晶比外弧側要長些，且鑄坯內裂紋也常常集中在內弧側。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)寬度不斷擴大，鑄坯心部鋼水溫度降至液相線溫度后，大量等軸晶產生并迅速長大，形成無規(guī)則排列的等軸晶帶。中心區(qū)有可見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，晶粒也細一些。三個晶區(qū)的特征①激冷層：鑄坯表皮由細小等軸晶組成，叫激冷層，是在結晶器彎月柱狀晶的特點是各向異性，對于諸如磁性材料、發(fā)動機和螺旋漿葉片等這些強調單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點。如何在技術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)組織的形成機理。柱狀晶的特點是各向異性，對于諸如磁性材料、發(fā)動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結而構成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉為柱狀晶區(qū)由外向內的生長，表面激冷細晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉變得也就越快，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粒互相連結

當表層細晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細晶區(qū)前面的液體散熱能力下降，過冷度也下降。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，有利于晶粒逆著傳熱方向不斷地向液相區(qū)生長。而在平行模壁方向散熱能力較差，并且晶粒徑向僅能長大較短距離相鄰晶粒就互相接觸，停止生長。因此在細晶區(qū)形成后，接著形成了一個柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)金屬較致密，沿柱狀晶軸向強度很高，但近于平行的柱狀晶晶粒之間的徑向結合強度卻較低。柱狀晶區(qū)有明顯的各向異性。當對鑄錠進行塑性變形時柱狀晶區(qū)易出現(xiàn)晶間開裂。當表層細晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細晶區(qū)

另外，當不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時，會產生一個柱狀晶區(qū)的交界。此處的雜質、氣泡、縮松等較多，成為鑄錠的脆弱結合面。當鑄錠接受塑性變形時此處也易開裂。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，常采用振動方法來破壞柱狀晶區(qū)的形成和長大，也常采用變質處理來阻礙柱狀晶長大，并促進中心等軸晶區(qū)的擴大來減少柱狀晶區(qū)。另外，避免金屬液過熱澆注也會防止柱狀晶區(qū)過大。另外，當不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時，會產生一個柱

當柱狀晶向液相中生長到一定深度后，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)間隙時傳熱速度降低，剩余液相金屬的冷卻速度也會進一步降低，溫度梯度減小，趨于均勻冷卻，柱狀晶的生長將會變慢。此時剩余液體中也會有一些新晶粒的形成并長大。因無散熱優(yōu)勢方向，新晶粒將會長成等軸晶粒。又因剩余液體散熱慢，過冷度較小，產生的自發(fā)晶核數(shù)量有限，故晶粒長得較大(但若有非自發(fā)晶核存在，晶粒不會長得很大)。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，一些低熔點的雜質或合金元素可能偏多些，以及液體補充不足而出現(xiàn)中心偏析及疏松。當柱狀晶向液相中生長到一定深度后，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等軸晶凝固層某些晶粒為基底向內生長，發(fā)展成由外向內生長的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長迅速。柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產生，而結束于內部等軸晶區(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因素綜合作用的結果。如果在凝固初期就使得內部產生等軸晶的晶核，將會有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長過程的動態(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)金屬柱狀晶生長過程的動態(tài)演示鑄液態(tài)金屬柱狀晶生長過程的動態(tài)演示柱狀晶結構有以下弱點：①柱狀晶的枝干較純，而枝晶偏析較嚴重，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（硫、磷夾雜物）的沉積，構成了薄弱面，是裂紋容易擴展的地方，加工時易脆裂；③柱狀晶充分發(fā)展時，鑄坯可形成穿晶結構，會造成中心疏松和縮孔，降低了致密度，增加了中心偏析。因此，抑制柱狀晶生長而擴大等軸晶區(qū)，是改善鑄坯質量的一個重要任務。連鑄坯中柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的相對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大等軸晶區(qū)的有效手段。但是，鋼水過熱度控制得很低（如小于10℃），在操作上有一定難度，易使水口凍結，且使鑄坯夾雜物增加。因此，保持鋼水在一定過熱度下澆注（如30℃）。

柱狀晶結構有以下弱點：為擴大等軸晶區(qū)需采取以下措施：⑴結晶器加入微型冷卻劑：在結晶器內加入鋼帶或微型鋼塊，以消除鋼水過熱度，使其迅速地在液相線溫度凝固；⑵噴吹金屬粉末：在結晶器內噴入不同尺寸的金屬粉，以吸收過熱和提供結晶核心，擴大等軸晶區(qū)；⑶控制二冷區(qū)冷卻水量：二冷水量大，鑄坯表面溫度低，鑄坯內外溫度梯度大，有利于柱狀晶生長，柱狀晶區(qū)就寬；⑷加入形核劑。在結晶器內加入形核劑，以增加結晶核心數(shù)量，擴大等軸晶區(qū)；對形核劑要求：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。常用的形核劑物質有Al2O3、ZrO2、TiO2、V2O5、AlN、VN、ZrN等。為擴大等軸晶區(qū)需采取以下措施：⑸采用電磁攪拌：上述四種措施在實際應用中要么還不成熟，如材料制備、工藝參數(shù)選擇、對結晶器液面干擾等問題還需探討，要么效果有限，而電磁攪拌是最具實際應用價值的方法。電磁攪拌的作用是在電磁力作用下使鋼水產生強制對流循環(huán)流動，使凝固前沿的樹枝晶熔斷或折斷，而枝晶碎片作為等軸晶核心長大而擴大等軸晶區(qū)，同時消除了樹枝晶搭橋，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熱度，促進坯殼厚度的均勻性，這將有利于防止鑄坯產生裂紋和發(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再次攪拌由等軸晶和鋼液組成的兩相區(qū)，可以進一步減輕包括高碳鋼在內的鑄坯中心偏析?？梢圆捎脝为殧嚢?，也可以是聯(lián)合攪拌。⑸采用電磁攪拌：上述四種措施在實際應用中要么還不成熟，如材料第三節(jié)內部等軸晶的形成機理一、“成分過冷”理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論三、枝晶熔斷及結晶雨理論四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示第三節(jié)內部等軸晶的形成機理一、“成分過冷”理論一、“成分過冷”理論

該理論認為，隨著凝固層向內推移，固相散熱能力逐漸削弱，內部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。當成分過冷大到足以發(fā)生非均質生核時，便導致內部等軸晶的形成。一、“成分過冷”理論該理論認為，隨著凝固層向內成分過冷1111成分過冷1111二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論在澆注的過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濃度大的合金容易得到等軸晶

溶質的偏析容易使晶體在與型壁的交會處產生“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，在澆注過程和凝固初期存在的對流容易沖斷“脖頸”，使晶體脫落并游離出去。圖5-6晶體與型壁交會處產生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離溶質的偏析容易使晶體在與型壁的交會處產圖5-7游離晶體的生長、局部熔化與增殖圖5-7游離晶體的生長、局部熔化與增殖三、枝晶熔斷及結晶雨理論生長著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導致了內部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。液面冷卻產生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時內部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結晶雨”理論。三、枝晶熔斷及結晶雨理論生長著的柱狀目前比較統(tǒng)一的看法是內部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機理起主導作用，在另一種情況下，可能是另一種機理在起作用，或者是幾種機理的綜合作用，而各自作用的大小當由具體的凝固條件所決定。目前比較統(tǒng)一的看法是內部等軸晶區(qū)的形成很第三節(jié)鑄件宏觀結晶組織的控制思路:

晶區(qū)的形成和轉變乃是過冷熔體獨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基本條件綜合作用的結果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細就是由這個結果所決定的。凡能強化熔體獨立生核，促進晶粒游離，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，從而擴大等軸晶區(qū)的范圍，并細化等軸晶組織。

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

以高碳鋼為例：因為高碳鋼固液兩相區(qū)溫度達到131℃，故中等過熱度的鋼液也有其柱狀晶強烈增大趨勢，在凝固后期由于連鑄坯斷面中心柱狀樹枝晶的搭橋而形成小鋼錠的凝固結晶現(xiàn)象，鑄坯產生中心偏析。過熱度越低，中心偏析的評級越低。

兩個需要注意的概念：

(1)由成分決定的固液相線寬度越大，柱狀晶越發(fā)達；

(2)由溫度梯度決定的兩相區(qū)越寬，柱狀晶不發(fā)達。具體到連鑄二冷強度大時，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。第三節(jié)鑄件宏觀結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、動力學細化一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件合理的澆注工藝冷卻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、獲得及細化等軸晶的有效措施。但過低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動性，導致澆不足和冷隔等缺陷的產生。通過改變澆注方式強化對流對型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進細等軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導致鑄件產生相應的缺陷。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)域和獲得大的過冷，從而促進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。對薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導能力的鑄型。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，再輔以其他晶粒細化措施以得到滿意的效果。懸浮澆注法可同時滿足小的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入法的澆注系統(tǒng)懸浮澆注法是在澆注過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程，達到細化組織、減小偏析、減小鑄造應力的目的的一種工藝方法。懸浮澆注用渦流導入法的澆注系統(tǒng)懸浮澆注法是在澆注過程中將一定懸浮澆注法的特點

1)顯著細化鑄件組織，提高力學性能，改善鑄件厚大斷面力學性能均勻性；

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)可以實現(xiàn)澆注過程合金化。懸浮澆注法的特點

1)顯著細化鑄件組織，提高力學性能，改善技術原理：通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學、晶體學和熱作用，強制金屬液生核，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。不需要特殊設備，僅要求簡單輔助工裝。技術原理：通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學、晶體學和熱作二、孕育處理孕育處理是澆注之前或澆注過程中向液態(tài)金屬中添加少量物質以達到細化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。澄清兩個概念：孕育(Inoculation)主要是影響生核過程和促進晶粒游離以細化晶粒；而變質（Modification）則是改變晶體的生長機理，從而影響晶體形貌。變質在改變共晶合金的非金屬相的結晶形貌上有著重要的應用，而在等軸晶組織的獲得和細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程中向孕育劑作用機理的兩類觀點孕育主要起非自發(fā)形核作用通過在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產生縮頸，促進枝晶熔斷和游離而細化晶粒。孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質

孕育劑能與液相中某些元素反應生成較穩(wěn)定的化合物而產生非自發(fā)生核在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結晶相提前彌散析出而生核孕育劑作用機理的兩類觀點孕育主要起非自發(fā)形核作用通過在生長界合金種類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復合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；復合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過共晶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)歷一個孕育期和衰退期。在孕育期內，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過程，或與合金液反應生成化合物，起細化作用的異質固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達到最佳的細化效果。當細化效果達到最佳值時澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類的不同，達到最佳細化效果所需要的時間也不同。幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時間出現(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。一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開的前提下，應盡量降低處理溫度。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)歷一個孕育

高碳鋼連鑄坯存在的最大質量問題是中心縮松、中心偏析嚴重。解決這一問題的關鍵是擴大鑄坯等軸晶區(qū)比例，細化晶粒。本文以Fe-C合金作為形核劑，研究了形核劑含碳量對高碳鋼凝固過程的影響機理。研究結果表明，向鋼液中加入形核劑可有效地擴大等軸晶區(qū)。對高碳鋼，中碳鐵合金形核劑既可擴大等軸晶區(qū)，又可細化晶粒；而低碳形核劑可以擴大等軸晶區(qū)，但細化晶粒效果差。為有效地發(fā)揮形核劑的作用，對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量問題是中心縮松、中心

還有一種孕育——電脈沖孕育：電脈沖孕育處理是指通過對合金熔體施加脈沖電場從而達到控制合金凝固，細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，凝固組織細化，力學性能得到改善；可以使凝固組織由粗大柱狀晶轉變?yōu)榧毿〉容S晶，大幅度細化晶粒尺寸；使奧氏體不銹鋼的柱狀晶間距明顯細，并增加凝固組織中奧氏體的相對含量；使高碳當量的過共晶灰口鑄鐵中出現(xiàn)大量D型過冷石墨和發(fā)達的奧氏體枝晶，細化共晶團尺寸。在溫度較高的液相中，電脈沖對凝固組織細化無任何作用。在枝晶生長過程中，電脈沖無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，成為等軸晶生長的核心，從而達到了細化晶粒的目的，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、動力學細化

1．鑄型振動2．超聲波振動3．液相攪拌4．流變鑄造三、動力學細化1．鑄型振動1．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，導致枝晶破碎形成結晶核心。離心鑄造時若周期改變旋轉方向可獲得細小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運動所起的細化晶粒作用。振動還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動鑄型可促使“晶雨”的形成。立式離心鑄造機1．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，2．超聲波振動

超聲波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。當壓力增加時凝固的合金熔點溫度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶粒細化。2．超聲波振動超聲波振動可在液相中產生空化作用超聲波通常是指1s內振動20000次以上的高頻聲波，在介質傳導時，將會產生周期性的應力和聲壓變化，同時也會產生局部的高溫高壓效應。超聲振動的高能量及其它的特殊效應，極大地提高了對凝固的作用效果。利用超聲波冶金可以細化晶粒，去氣除渣，細化枝晶網(wǎng)胞。功率超聲是超聲波的一個分支，應用于金屬凝固過程中時有5個基本作用：（1）線性交變振動作用；（2）大振幅聲波；（3）非線性振動；（4）聲空化作用；（5）聲流作用。這些作用應用于金屬液中可以產生攪拌、霧化、分散、沖擊破碎等作用可以促進合金形核并抑制其長大，還可提高溫度和化學成分的均勻性，改善合金成分的偏析等。超聲波通常是指1s內振動20000次以上的3.振動喂帶技術向結晶器內的金屬液中連續(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熱度的基礎上，通過振動使金屬棒或帶的前端兩相區(qū)內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源。通過將處于高頻振動狀態(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的動態(tài)過程，尤其是有無振動條件下鋼帶的完全熔化時間。當振動鋼帶持續(xù)不斷地插入鋼液熔池時，鋼帶在熔池中能夠快速熔化產生細小枝晶，這不僅能夠起到降低鋼液中心過熱度的作用，還可以借助于振動將細小破碎的晶粒彈射到金屬液中，起到促進柱狀晶向等軸晶轉變的作用，從而提高鑄坯組織中的等軸晶比例，改善內部質量。3.振動喂帶技術4.振動激發(fā)金屬液形核技術當一種帶有冷卻結構且高頻振動的晶核發(fā)射器插入金屬液時，金屬液將在晶核發(fā)射器棒體的表面迅速凝固形核、長大，這就是振動激發(fā)形核技術。在棒體的高頻振動作用下，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，成為凝固過程中抑制柱狀晶生長、形成大量等軸晶的晶核來。4.振動激發(fā)金屬液形核技術當一種帶有冷卻結構且5．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。

連鑄過程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質量，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量要求較高時，電磁攪拌技術便成為首選。5．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

電磁攪拌器(EMS)的實質是借助在鑄坯液中感生的電磁力來強化鋼水的運動。在鋼水附近施加電磁攪拌以后，電磁攪拌器產生的低頻交變電磁場穿透鋼水，與鋼水間產生相對運動，使得鋼液的磁通量發(fā)生變化，相當于磁場以一定的速度切割鋼液，使其內部產生感應電流。這種感應電流又與感應器產生的磁場相互作用產生電磁力，作用于鋼液的每個體積元上，從而驅動鋼液的運動。根據(jù)直流電動機原理、感應電動機原理、直線電動機原理和固定磁場下運動導體被感應受力的原理，電磁攪拌力的產生相應有4種類型：靜止磁場與液芯通電型電磁攪拌的電磁力；感應旋轉磁場型電磁攪拌的電磁力；行波磁場電磁攪拌的電磁力；鋼水注流的電磁制動。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)和結晶器電磁攪拌(M—EMS)，如圖2所示。電磁攪拌技術的核心就是利用電磁力控制凝固過程的流動現(xiàn)象，改善鑄坯的結構、質量和軋材性能。電磁攪拌器(EMS