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1第五章铸件凝固组织的形成与控制Chapter5FormationandControlofSolidificationMicrostructureofCastings2第一节铸件宏观凝固组织的特征及形成机理一、铸件宏观凝固组织的特征铸锭截面典型宏观组织示意图1.表面细晶粒区是紧靠铸型壁的激冷组织，也称激冷区，由无规则排列的细小等轴晶所组成。2.柱状晶区由垂直于型壁（沿热流方向）彼此平行排列的柱状晶粒所组成。3.内部等轴晶区由各向同性的等轴晶组成。等轴晶的尺寸比表面细晶粒区的晶粒尺寸粗大。3通常激冷区较薄，只有几个晶粒厚，其余两个晶区相对较厚。4铸件宏观凝固组织中的晶区数及其相对厚度并不是一成不变的，而是随着合金的成分和冷却凝固条件的改变而变化，有时可以形成无中心等轴晶或全部由等轴晶组成的宏观组织。决定铸件性能的重要因素是柱状晶区与等轴晶区的相对量，表面细晶粒区的影响很有限。力学性能：表层硬；柱状区有方向性；中心疏松、多杂质5二、铸件宏观凝固组织的形成机理1.表面细晶粒区的形成铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。细化程度取决于：型壁散热条件所决定的过冷度和凝固区域的宽度。型壁附近熔体内大量的非均匀形核由于溶质的再分配，在枝晶根部产生缩颈，在液态金属作用下枝晶熔断或型壁晶粒脱落形成各种形式的晶粒游离——形成表面细等轴晶区的“晶核”6前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层因为稳定的凝固壳层造成界面处晶粒单向散热的条件，从而促使晶粒逆着热流方向择优生长而形成柱状晶。因此稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面细晶粒区也就越窄；一旦型壁晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，柱状晶区就直接由凝固层向内发展，表面细晶粒区将不复存在。抑制铸件形成稳定凝固壳层是通过型壁晶粒游离实现的。导致型壁晶粒游离的内因是晶粒根部由于溶质再分配而形成的低熔点缩颈、而其外因则为液态金属的流动。在不存在溶质再分配的纯金属铸件中或在无对流的结晶条件下，即使借助于激冷也无法形成表面细晶粒区。表面细晶粒区中的等轴晶粒不仅来源于过冷熔体中的异质形核，而且也还来自包括型壁晶粒脱落、枝晶熔断和晶粒增殖等各种形式的晶粒游离。至于何者更为重要，视具体凝固条件而定。72.柱状晶区的形成稳定凝固壳层产生——柱状晶区开始内部等轴晶区形成——柱状晶区结束柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素综合作用结果。生长方式：择优生长8各枝晶主干方向互不相同，主干与热流方向相平行的枝晶生长迅速，优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。竞争淘汰离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰的就越多，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。9控制柱状晶区继续发展的关健因素是内部等轴晶区的出现；如果界面前方始终不利于等轴晶的形成与生长，则柱状晶区可以一直延伸到铸件中心。直到与对面型壁长出的柱状晶相遇为止，从而形成所谓的穿晶组织、如果界面前方有利于等轴晶的产生与发展，则会阻止柱状晶区的进一步扩展而在内部形成等轴晶，例如，随着浇注温度的提高，柱状晶区的宽度增大。当浇注条件一定时，随着合金元素含量的增加，游离的晶核数量增加，则柱状晶区的宽度减小。对于纯金属，则铸态组织常常全部为柱状晶。103.内部等轴晶区的形成内部等轴晶区的形成是由于剩余熔体内部晶核自由生长的结果。关于等轴晶晶核来源及形成有四种理论(1)过冷熔体直接形核理论：随着柱状晶层向内推移和溶质再分配，在固－液界面前沿产生成分过冷，当成分过冷的过冷度大于异质生核所需过冷度时，则产生晶核并长大，导致内部等轴晶的形成。11(2)激冷晶游离理论：浇注期间和凝固初期的激冷晶游离随着液流漂移到铸件心部，通过增殖，长大形成内部等轴晶。凝固初期形成的激冷游离晶因浇温低，浇注中形成的激冷游离晶12(3)型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论：型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖——理论基点为溶质再分配。溶质浓度再分配→界面前沿液态金属凝固点降低→实际过冷度减小。溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。晶体根部紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，偏析程度最为严重，生长受到强烈抑制。远离根部，界面前方的溶质易于通过扩散和对流而均匀化，面临较大的过冷，其生长速度要快得多。故在晶体生长过程中将产生根部“缩颈”现象，生成头大根小的晶粒。熔点最低而又最脆弱的缩颈极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离。型壁晶粒脱落13图枝晶分枝“缩颈”的形成a)b)c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图。V为生长方向。d)环乙烷的枝晶，可见分枝缩颈枝干生长侧面溶质偏析层阻碍侧面的生长，偶然产生的凸出部分突破此层，进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。14氯化铵的枝晶熔断15晶粒增殖:处于自由状态下的游离晶一般具有树枝晶结构，在液流中漂移时不断通过不同的温度区域和浓度区域，受到温度波动和浓度波动的冲击→表面反复局部熔化和反复生长→分枝根部缩颈可能断开而破碎成几部分→在低温下各自生长为新的游离晶。16液态金属的流动形式浇注过程中的流动凝固期间的对流自然对流强迫对流铸型和液面处温度低、密度大而下沉中心部分温度较高、密度小而上浮溶质再分配引起界面前沿液体成分和密度的变化游离晶体和液态金属之间密度差异浇注过程中的注入动量、电磁搅拌、机械搅拌液态金属流动的作用17液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是通过影响其传热和传质过程而实现的：1)传热方面：液态金属的流动加速其过热热量的散失，使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于30s）从浇注温度下降到凝固温度。2)传质方面：液态金属流动的最大作用在于导致游离晶粒的漂移和堆积，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。同时改变界面前沿的溶质分布状态，加速流体宏观成分的均匀化。18（4）“结晶雨”游离理论根据这一理论，凝固初期在液面处的过冷熔体中产生过冷并形成晶核及生长成小晶体，这些小晶体或顶部凝固层脱落的分枝由于密度比液态金属大而像雨滴似地降落，形成游离晶体。这些小晶体在生长的柱状晶前面的液态金属中长大形成内部等轴晶。液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分枝→→密度比液体大→下沉→产生晶粒游离。多发生在大型铸锭的凝固过程中19迄今的研究表明，上述四种理论均有试验依据。因而可以认为在铸锭或铸件凝固过程中，这四种内部等轴晶形成机理都是存在的。但它们的相对作用则取决于凝固的实际条件。在一种条件下可能是某种理论起主导作用，在另一种条件下可能是其他理论起主导作用，或者几种机理共同起作用。实际上，中心等轴晶区的形成大多是几个机理综合作用的结果，可以根据上述四种机理采用综合措施对铸锭或铸件的宏观组织正确地予以控制。20铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成。晶区的形成和转变是过冷熔体独立形核能力和各种形式晶粒游离、漂移与沉积的程度这两个基本条件综合作用的结果。决定了铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细。21第二节铸件宏观凝固组织的控制一、铸件宏观组织对铸件性能的影响表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。(1)柱状晶：生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。但柱状晶比较粗大，晶界面积小，排列位向一致，其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体，将导致铸件热裂。22(2)等轴晶：晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。晶粒越细综合性能越好。对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱状晶，增加其致密度；对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组织；对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。23二、铸件宏观组织的控制途径和措施铸件一般希望获得全部细等轴晶组织，为获得这种组织则要求抑制柱状晶的产生和生长，创造有利于等轴晶形成的条件来达到。1.向熔体中加入强生核剂控制金属和合金铸态组织的重要方法之一是控制形核。在实际生产中应用的主要方法是向液态金属中添加生核剂或称孕育剂，进行孕育处理。加入生核剂的目的是强化非均质形核。孕育(Inoculation)主要是影响生核过程，通过增加晶核数实现细化晶粒；变质(Modification)则主要是改变晶体的生长过程，通过变质元素的选择性分布实现改变晶体的生长形貌。两者在概念上是不同的。24(1)直接作为外加晶核的生核剂这种生核剂通常是与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属、非金属碎粒，它们与要细化相间具有较小的界面能，润湿角小，直接作为有效衬底促进非自发生核。例：在浇注高锰钢铸件时，将钨粉或锰铁碎屑(粒度1~2mm)撒钢液表面，以实现悬浮浇注，也能有效的细化钢的晶粒。(2)生核剂中的元素能与液态金属中的某元素形成较高熔点的稳定化合物。通过反应形成的这些化合物与欲细化相间具有界面共格对应关系和较小的界面能。过共晶Al-Si合金中的初生Si变质。变质剂：P或P-Cu变质机理：Al+P=AlP(熔点：1600℃)AlP的晶格结构和Si晶体均为金刚石型点阵晶格常数：AlP，54.5nm，Si，54.2nm25(3)通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂例：铸铁的孕育处理，在铁水中加SiFe，由于SiFe中含有一定的Al、Ca等，4Al+3(SiO2)=2Al2O3+3[Si][Si]在铁水中富集，促进该区碳的活度增加，有利于石墨形成。(4)含强成分过冷元素的生核剂。强成分过冷元素即为偏析系数大的元素，其作用主要有三个方面：a.富集使枝晶产生缩颈——晶粒的游离；b.强成分过冷也能强化界面前沿熔体内部的非均质形核；c.强成分过冷元素的界面富集对晶体生长具有抑制作用，降低晶体生长速度，也使晶粒细化。26P-Cu合金27大多数孕育剂的有效性均与其在液态金属中的存在时间有关，即存在着随着时间的延长，孕育效果减弱甚至消失的孕育衰退现象。因此，生核剂的作用效果还与孕育处理工艺密切相关。通常孕育处理温度越高，孕育衰退越快。孕育剂的粒度也要根据处理温度和具体的处理方法、液态金属的体积等因素来选择。2.控制浇注条件(1)采用较低的浇注温度生产实践表明，降低浇注温度是减少柱状晶、获得细等轴晶的有效措施之一，尤其是导热性较差的合金效果更为显著。较低的浇注温度有利于游离晶粒更多地残存下来；熔体的过热度小也易于产生较多的游离晶粒。这两个方面均对等轴晶的形成和细化有利。28292．加强液体在浇注和凝固期间的流动游离晶体的产生与液态金属的流动密切相关。凡是能够增加液流对型壁的冲刷和促进液态金属内部产生对流的浇注工艺均能扩大并细化等轴晶区。图不同浇注工艺铸锭的宏观组织中心顶注法靠近型壁（6孔）顶注法30313.铸型性质和铸件结构(1)铸型激冷能力的影响。对于薄壁铸件，激冷可以使整个断面同时产生较大的过冷。铸型蓄热系数越大，整个熔体的生核能力越强。因此采用金属型铸造比采用砂型铸造更易获得细等轴晶的断面组织。对于壁较厚或导热性较差的金属，铸型的激冷作用只产生于铸件的表面层，相反在内部易造成较大温度梯度而促使形成柱状晶。(2)液态金属与铸型表面的润湿角。液态金属与铸型表面的润湿性好，即接触角小，在铸型表面易于形成稳定的凝固壳，有利于柱状晶的形成与生长。反之，则有利于等轴晶的形成与细化。(3)铸型表面的粗糙度。随着表面粗糙度的提高，柱状晶尺寸减少，等轴晶面积率提高。324．动态下结晶细化等轴晶在铸件凝固过程中，采用某种物理方法，如振动（机械振动、