鑄件凝固組織的形成及控制

第五章鑄件凝固組織的形成與控制一、鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機理二、鑄件宏觀凝固組織的控制一、鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機理（一）鑄件的宏觀組織（二）表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成（三）內(nèi)部等軸晶的形成機理（一）鑄件的宏觀組織激冷晶區(qū)由無規(guī)則的細(xì)小等軸晶組成;柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向.內(nèi)部等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大，各向同性;表層急冷細(xì)晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)圖5-2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(xì)等軸晶加柱狀晶;（c）三個晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用情況下，希望鑄件宏觀組織獲得各向同性的等軸細(xì)晶粒組織。為此，應(yīng)創(chuàng)造條件抑制晶體的柱狀長大，而促使內(nèi)部等軸晶的形成和等軸晶細(xì)化。就斷裂而論，裂紋最易沿晶界擴(kuò)展(特別是存在著溶質(zhì)及雜質(zhì)偏析時)。柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成強度、塑性、韌性在柱狀晶的橫向方向大幅度下降，對熱裂敏感，腐蝕介質(zhì)中易成為集中的腐蝕通道。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(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。如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要學(xué)習(xí)各晶區(qū)組織的形成機理。返回（二）表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成表面激冷區(qū)的形成

柱狀晶區(qū)的形成表面激冷區(qū)的形成傳統(tǒng)理論：型壁附近熔體由于受到強烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而大量非均質(zhì)生核,各種形式的游離晶粒也是形成表面細(xì)等軸晶的“晶核”來源。這些晶核在過冷熔體中采取枝晶方式生長，由于其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也可向過冷熔體中散失，從而形成了無方向性的表面細(xì)等軸晶組織。澆注時液流的沖刷和澆注結(jié)束液體內(nèi)外溫度場引起的對流，引起晶體脫落和增殖溶質(zhì)再分配引起的頸縮一旦型壁附近的晶?；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，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。鑄型冷卻能力的雙重性！無對流時，即使冷卻速度很大也不出現(xiàn)表面細(xì)晶層。大野篤美Al-0.1%Ti750℃澆注到用冰水激冷的薄壁不銹鋼杯中，鑄錠外部為柱狀晶。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，發(fā)展成由外向內(nèi)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

，并且抑制取向不利的晶體生長，這個互相競爭淘汰的晶體長大過程稱為“晶體的擇優(yōu)生長”。柱狀晶區(qū)開始于穩(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，將會有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長過程的動態(tài)演示如果界面前沿始終不利于等軸晶的形成與生長，柱狀晶區(qū)就可以一直延伸到鑄件的中心，直到與對面型壁生長出的柱狀晶相遇為止，從而形成“穿晶組織”柱狀晶生長過程的動態(tài)演示鑄型液態(tài)金屬（三）內(nèi)部等軸晶的形成機理

“成分過冷”理論激冷等軸晶型壁脫落與游離理論

枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論“成分過冷”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)原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。當(dāng)成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。如：采用很強的生核劑時，可使整個鑄件斷面獲得細(xì)等軸晶。

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(kuò)大等軸晶區(qū)。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溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會處產(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(chǎn)生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離圖5-7游離晶體的生長、局部熔化與增殖枝晶熔斷及結(jié)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(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為“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，下落過程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結(jié)晶雨”理論。a)7500C水淬,搖動b)在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)大野篤美的實驗等軸晶不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶目前比較統(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，可能是這種機理起主導(dǎo)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(dāng)由具體的凝固條件所決定。二、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(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個結(jié)果所決定的。凡能強化熔體獨立生核，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。一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理三、動力學(xué)細(xì)化合理的澆注工藝?yán)鋮s條件的控制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。但過低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動性，導(dǎo)致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)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(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。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低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法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(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(dǎo)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(xì)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。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(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)料斗離心集液包直澆道懸浮澆注法的特點

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)可以實現(xiàn)澆注過程合金化。技術(shù)原理：通過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，僅要求簡單輔助工裝。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(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。

孕育(Inoculation)主要是影響生核過程和促進(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機理，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。孕育劑作用機理孕育主要起非自發(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(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。促使界面前沿熔體內(nèi)的非勻質(zhì)形核成分過冷，溶質(zhì)富集會抑制晶體生長速度，使晶粒細(xì)化。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含強成分過冷元素的生核劑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(fù)合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+C

Ti: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(nèi)，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(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)到最佳值時澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類的不同，達(dá)到最佳細(xì)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(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選擇。鑄型涂覆層的處理1.鑄型涂覆劑與鑄件金屬同種材料。2.鑄型涂覆層與鑄件金屬具有相似的晶體結(jié)構(gòu)。3.揮發(fā)性涂料。促使等軸晶從型壁脫落及使枝晶破碎。三、動力學(xué)細(xì)化1．鑄型振動2．超聲波振動3．液相攪拌4．流變鑄造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(dǎo)致枝晶破碎形成結(jié)晶核心。離心鑄造時若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運動所起的細(xì)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2．超聲波振動超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰時，液體迅速補充，液體流動的動量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)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(xì)化。3．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(dá)到細(xì)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(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，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。4．流變鑄造流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當(dāng)液體金屬凝固達(dá)50～60％時，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性而容易成形。因為它的溫度遠(yuǎn)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(kuò)大黑色金屬壓鑄的應(yīng)用范圍。傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織

液態(tài)金屬在特殊條件下的凝固成形一、快速凝固二、定向凝固一、快速凝固（一）快速凝固簡介（二）快速凝固方法（三）快速凝固顯微組織（四）金屬玻璃（一）快速凝固簡介快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過程?？旖缑嫱七M(jìn)速率大于10mm/s冷卻速率達(dá)到104~109K/s固-液界面的移動速率趕上或超過原子間擴(kuò)散速率時，晶體將來不及轉(zhuǎn)移成分，界面固、液相成分不再平衡。完全擴(kuò)散平衡固-液界面局部平衡非穩(wěn)定界面局部平衡界面不平衡凝固中的固、液界面溶質(zhì)成分定義：在比常規(guī)工藝過程(冷速不超過102℃/s)快得多的冷速下，合金以極快的速度從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。冷速※快速凝固的組織特征快速凝固的實質(zhì)在于通過某種技術(shù)手段，使液態(tài)合金在很大的冷卻速度下達(dá)到足夠大的過冷度，使凝固過程盡可能按無溶質(zhì)再分配、無擴(kuò)散、無偏析的模式進(jìn)行。

顯著擴(kuò)大合金的固溶極限；超細(xì)的晶粒度；少偏析或無偏析；形成亞穩(wěn)相；形成非晶相；高的點缺陷密度?！焖倌毯辖鸬男阅芴攸c高強度及高韌性；高耐蝕性；高抗蠕變能力；使不銹鋼成為理想的核反應(yīng)內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)材料；某些晶態(tài)合金也與非晶合金一樣具有良好的磁學(xué)、電學(xué)和超導(dǎo)能力；非晶合金具有一系列極有價值的性能特點?！鶆恿W(xué)激冷凝固技術(shù)※熱力學(xué)深過冷凝固技術(shù)液相微粒的霧化法；經(jīng)過特殊處理的塊體材料快速凝固；（二）快速凝固方法1、把金屬或合金熔體分散成小液滴也稱之為霧化技術(shù)、乳化技術(shù)或噴射成形技術(shù)，以使這些小液滴在凝固前達(dá)到很大的過冷度。霧化法的裝置2、使液流保持一個很小的截面，并與高效冷卻（散熱）器接觸，如熔體旋轉(zhuǎn)法或薄截面連續(xù)鑄造法。熔體旋轉(zhuǎn)法3、使材料的一個薄層快速熔化并與無限大散熱器緊密接觸，散熱器通常是同一種材料或相關(guān)的材料，如電子或激光束表面脈沖/移動熔化。表面熔化法深過冷法深過冷法是另一類快速凝固方法，其核心是:消除合金液中的異質(zhì)形核核心。熔融玻璃凈化法通過熔融玻璃對合金液的凈化作用，消除合金液中的異質(zhì)形核核心。懸浮熔煉法（電磁懸浮、靜電懸浮、聲懸?。┩ㄟ^無容器熔煉消除合金熔體與容器接觸對形核的促進(jìn)作用。（三）快速凝固顯微組織凝固在很大的過冷度和很高的冷卻速率下進(jìn)行，凝固組織中會出現(xiàn)非平衡相?？梢园褱囟忍荻菺和生長速率R聯(lián)系起來，用GR空間表示顯微組織的變化和枝晶間距（偏析間距）的變化：對鑄件和鑄錠，通常GR=10-3~101K/s，但對霧化法，GR=102~106K/s。相應(yīng)地，偏析間距λ從1000μm減小到0.01μm。＜（四）金屬玻璃金屬玻璃（也稱非晶態(tài)合金）是Duwez等人在1960年首先發(fā)現(xiàn)的，他們通過對熔融Au80Si20合金快速冷淬獲得了金屬玻璃。金屬玻璃保留了液態(tài)金屬的短程有序的類似原子簇的結(jié)構(gòu)，微觀組織中不存在晶界、位錯和偏析等缺陷，其結(jié)構(gòu)類似于普通玻璃

?？焖倌痰腁l-Fe-V-Si合金組織金屬玻璃的拉伸強度可高達(dá)3～4GPa，并具有很好的耐腐蝕性能、優(yōu)異的軟磁性能、優(yōu)良的超導(dǎo)性能、較高的熱穩(wěn)定性和較低的表面活性，已經(jīng)或可望應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)材料、磁性材料、聲學(xué)材料、仿生材料、光學(xué)材料、體育器材以及電子材料等多個方面。能否發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的影響因素主要有冷卻速率、形核密度和材料特性。對應(yīng)于一定的合金熔體，欲