金属铸锭组织

金属铸锭组织一、实验意义和目的金属的结晶，是形核和长大的过程，铸锭结晶后的组织，其晶粒大小决定于形核和长大速率，也就是取决于过冷度的大小和非自发形核的作用。而晶粒的形状还与结晶过程中的散热条件有关。柱状晶与粗大等轴晶区的发展程度与下列因素有关：（1）冷却速度。冷却速度越大，则表面与中心的温差越大，柱状晶体越能向内发展，中心等轴晶区也就越小。可以改变铸模的温度，使铸锭的组织发生变化。导热性良好的铜模与导热性稍差的钢模、水冷金属模、空气冷却的金属模相比，相同材料的厚壁金属模与薄壁金属模相比，前者的柱状晶发展较显著。而若采用预热砂模，则可能出现全部粗大的等轴晶。（2）浇注条件。提高浇注时的液体温度以及提高浇注速度，则促使柱状晶区发展。因为在这样的浇注条件下，注入锭模的液体温度高，内外温度梯度大，促使柱状晶长大；柱状晶向内长大时，如果内部液体要结晶，其温度必须降低到熔点以下，才能产生等轴晶晶核，故要放出较多的热量，即需要更长时间，这样柱状晶就有充分时间向内生长而不受阻。此外，由于内部液体温度高，即过热大，非自发形核的机会也就减少，这也是促使柱状晶发展的一个原因。（3）凝固条件。浇注时，把液体进行机械振动或用超声波振动，可以使柱状晶区大大减小。当振动的频率足够大或体积不大，脆弱的树枝晶振碎，这些细的枝晶可作为晶核。（4）外来杂质的影响。浇注时，在液体中加入少量可以作为变质剂的元素、合金或化合物，从而促使非自发形核，使铸锭组织细化，这一过程称之为变质处理。如在Al的熔液中加入细的Ti粉，结晶后使晶粒大大细化，这可能是由于Ti在Al中形成TiAl而促使非自发形核的缘故。本实验目的是观察金属铸锭的3个晶区的形态，分析浇注条件（钢锭模的厚度、锭模的材料、锭模的温度、液体金属的过热度）对3个晶区的影响。二、实验设备和材料1．金属坩埚；2．箱式加热炉及炉温控制仪表；3．纯铝块；4．厚壁金属模2个，壁厚10mm；薄壁金属模2个，壁厚5mm；砂模2个，壁厚70mm；5．铁夹钳2把；钢锯4把；台钳4部。三、实验步骤本实验用纯铝做样品，坩埚内放入铝块，在箱式炉内加热，加热温度要高于铝的熔点150℃，使之熔化。待试样完全熔化后浇注，观察其三种晶区的分布和形态。试验前将厚薄不同的金属模、砂模准备好，并摆放整齐，注意便于浇注金属液体。图3-1金属模结构尺寸图（1）将铝块放入坩埚，放到箱式电阻炉中加热到熔点以上100～150℃，使铝块熔化，保温30min；（2）将铝液分别浇入厚薄不同的金属模、砂模及预热的金属模中（取出熔化好的试样时为防止烫伤带石棉手套，夹紧化铝坩埚，对准好浇注口，缓慢地将铝液浇入不同的铸型）；（3）在相同的冷却条件下，铝液完全结晶后脱掉金属模和砂模。并立即在铸锭上分别打上相应条件的标记；（4）完全冷却的铝锭，夹在台钳上用手工钢锯沿中心线纵向剖开铝锭至离下端10～15mm处；（5）距铝锭下端10～15mm处，垂直铝锭轴线方向切断铝锭使其成三块。（6）用砂纸将铝锭剖开面磨平；（7）用王水（HCl︰HNO3=3︰1）热侵腐蚀（注意在实验过程中防止酸液喷溅污染衣物或烧伤皮肤）后用热水洗涤，即可直接进行观察，分析浇注条件对三个不同晶区的影响。（８）改变浇注温度，重复上述实验。四、实验内容简述金属结晶得到的三种晶区是由铸件的冷却条件决定的。液态金属倒入铸锭模中，结晶首先由模壁开始，在靠近模壁处过冷度最大，加上模壁凸凹不平，结晶核心产生多，这些核心长大时，很快就相互碰撞，因此就形成了细小的等轴晶，这一晶区称为细小等轴晶区或第一晶区。在第一晶区形成的过程中，模壁的温度已经升高，温度梯度减少。与液体接触的晶粒要长大，很快上、下、左、右相互碰撞，在这些方向长大受到限制，唯一不受限制的方向是向液体内长大，而这时由于垂直模壁方向散热最快，就形成了许多与模壁垂直的粗大晶粒—柱状晶，这一晶区称为柱状晶区或第二晶区。由于模壁温度继续升高，温度梯度减少，散热速度逐渐下降，柱状晶长大速度也逐渐减小。与金属液体交错的柱状晶的前沿被液体冲刷又溶于液体中，在金属液体中又造成了很多结晶核心。由于各方向散热速度基本相同，所以这些核心各自向各个方向长大，从而在铸锭心部形成了许多位向不同的粗大等轴晶这一晶区称为粗等轴晶区或第三晶区。金属铸锭就是由这三个晶区组成，改变浇注条件将改变这三个晶区特别是柱状晶区和粗等轴晶区的大小。生产上一般都希望铸锭中柱状晶区窄些，等轴晶区宽些，晶粒细小些。为了达到以上目的，生产上一般采用：（1）液体的过热度尽量小，以便在液体中保留足够的结晶核心，细化结晶后的晶粒；（2）减小温度梯度，阻止和减少柱状晶的发展，促使等轴晶区的形成。（3）加强流动运动，有利于破碎粗大晶粒，给各个晶粒造成相同的长大条件以利于等轴晶的发展；（4）人为地添加促进结晶核心形成的元素或合金，提高形核率，细化晶粒。