金屬凝固的宏觀組織與凝固方式

1、金屬凝固的宏觀組織與凝固方式第1頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四 7-1 宏觀凝固組織的形成與控制 7-2 凝固方式與凝固時間第2頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四7-1 宏觀凝固組織的形成與控制 一、凝固過程中液體金屬的流動 1.澆注及凝固過程中液體的流動形式 （1）澆注時存在液流的沖刷（強制對流） 液流沖刷澆道、型壁及已凝固層的 生長界面。 （2）澆注時及澆注完畢后液體存在 自然對流 液體金屬表面以及液體金屬與型 壁或凝固層的接觸區(qū)，溫度低、密 度大而下沉，熱的密度小的金屬液 上浮，形成自然對流。圖7.1 液體中的自然對流第3頁，共54頁，

2、2022年，5月20日，13點14分，星期四（3）存在著枝晶間及分枝間的液體流動（微觀流動） 枝晶凝固時，發(fā)生收縮而產(chǎn)生負壓，液體被吸入枝 晶分枝而產(chǎn)生微觀流動第4頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四2.液體的流動對凝固過程的影響 （1）頂部晶體的沉積（鑄錠上部形成等軸晶）不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶圖7.2 在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)（大野篤美的實驗）第5頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四（2）型壁上晶體的脫落及晶體的增殖在澆注的過程中及凝固初期的激冷,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) 。圖7.3第6頁，共54頁

3、，2022年，5月20日，13點14分，星期四圖7.4 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呢? 第7頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四溶質(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7.5 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 第8頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四圖

4、7.6 游離晶體的生長、局部熔化與增殖第9頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四（3）枝晶分枝的熔斷脫落 枝晶生長時，其分枝也因成分過冷而形成細的“脖頸”， 遇高溫液體時，產(chǎn)生熔斷脫落。圖7.7 枝晶分枝“縮頸”的形成a）、b）、c）為二、三次分枝時縮頸形成過程示意圖（虛線表示溶質(zhì)富集層，V為枝晶生長方向） d）環(huán)己烷（Cyclohexane）的枝晶，可明顯看出分枝的縮頸第10頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四二、宏觀凝固組織的形成及影響因素1.表面細等軸晶區(qū)的形成2.內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成3.中心等軸晶區(qū)的形成第11頁，共54頁，2022年，5月20日

5、，13點14分，星期四圖7.8 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 第12頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四金屬凝固的典型宏觀組織內(nèi)部柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)表面細等軸晶區(qū)1.表層細等軸晶區(qū)2.內(nèi)部柱狀晶區(qū)：晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向3.中心等軸晶區(qū)：晶粒較為粗大圖7.9 鑄錠凝固的典型宏觀組織第13頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四1.表面細等軸晶區(qū)的形成 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異質(zhì)生核（必要條件）,各種形式的晶粒游離也是形

6、成表面細等軸晶的“晶核”來源（充分條件）。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等軸晶組織。 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)由型壁向內(nèi)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，表面細等軸晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面細等軸晶區(qū)也就越窄。圖7.10 表面細晶粒區(qū)第14頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四2.內(nèi)部柱狀晶區(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中某些一次分枝與散熱方向（垂直于型壁）相反的晶粒擇優(yōu)向

7、生長，發(fā)展成由外向液體內(nèi)生長的柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于中心等軸晶區(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。柱狀晶向內(nèi)部生長的條件是界面前沿存在一個較窄的成分過冷區(qū)。圖7.11 內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成第15頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四鑄型液態(tài)金屬圖7.12 柱狀晶生長過程的動態(tài)演示第16頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四3.中心等軸晶區(qū)的形成 柱狀晶在向液體內(nèi)生長過程中，不斷排出多余的低熔點溶質(zhì)，使凝固溫度降低（即T

8、X線變陡），同時放出結(jié)晶潛熱，使鑄件中心液體溫度升高，液體的實際結(jié)晶溫度降低（即GL線變?。?，在界面前沿存在較大成分過冷，當(dāng)TC(max) T*時，便在鑄件中心的液體中獨立生核和長大，且此時枝晶的生長受鑄型散熱方向的影響小，在各個方向上生長成比較均勻的粗大等軸晶。 型壁上晶體的脫離隨液流進入鑄件中心區(qū)域，增加了中心等軸晶區(qū) 晶體上分枝的熔斷脫落進入鑄件中心區(qū)形成中心等軸晶區(qū) 頂部晶體的沉積進入鑄件中心區(qū)而形成中心等軸晶圖7.13 游離晶促使中心等軸晶形成第17頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四思路: 晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨立生核能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔

9、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就是由這個結(jié)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。 三、宏觀凝固組織的控制第18頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四 根據(jù)液態(tài)成形件不同的使用性能，其凝固宏觀組織的要求是不同的。對一些特殊性能要求的成形件，需要獲得單一柱狀晶（如航空發(fā)動機的葉片、磁鋼等）甚至單晶（單晶體葉片），而大量的情況是希望液態(tài)成形件獲得細小等軸晶，使其具有優(yōu)良的各向同性的綜合機械性能。這里重點講述等軸晶的獲得及細

10、化。第19頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四 獲得細等軸晶的措施措施加強液體金屬在澆注及凝固期間的流動（動力學(xué)細化）孕育處理外加晶核采用生核劑采用強成分過冷元素提高冷卻速度（V冷），降低澆注溫度（t澆 ）（控制澆注工藝及冷卻條件）外部工藝措施內(nèi)部措施第20頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四1.增大冷卻速度（V冷）和降低澆注溫度（t澆）V冷鑄型激冷能力t澆t型b2（金屬型）第21頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四合理的澆注工藝冷卻條件的控制圖7.14第22頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四合理的澆注工

11、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(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(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷。 第23頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四 鑄型中間頂注 沿型壁單孔頂注 沿型壁六孔頂注 圖7.15 不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織 第24頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法 圖7.16圖7.17第25頁，共54頁，202

12、2年，5月20日，13點14分，星期四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V冷可以滿足以上要求。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、熱傳導(dǎo)能力強的鑄型。 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V冷的要求。 第26頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四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、

13、減小偏析、減小鑄造應(yīng)力的目的的一種工藝方法。圖7.18 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第27頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四懸浮澆注法的特點（1）顯著細化鑄件組織，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1535%；（ 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。第28頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四技術(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

14、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。第29頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四2.加強液體在澆注和凝固期間的流動 促使型壁上已凝固層晶體的脫落，分枝的熔斷脫落及脫落晶體的增殖。具體方法：利用液流的沖刷利用旋轉(zhuǎn)磁場使液體旋轉(zhuǎn)運動利用慣性力使液體運動 使鑄型產(chǎn)生振動或振擊 振動澆口杯 鑄型變速或不斷變向運動第30頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四（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

15、核心。離心鑄造時若周期改變旋轉(zhuǎn)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。立式離心鑄造機圖7.19 立式離心鑄造機第31頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四（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，使晶粒細化。圖7.20 超聲波振動結(jié)晶第32頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四（3）液相攪

16、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(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。第33頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四（4）流變（觸變）鑄造 流變（觸變）鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當(dāng)液體金屬凝固達5060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件凝固成形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加趨于細小而圓整，機械性能顯

17、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(yīng)用范圍。圖7.21 流變鑄造過程第34頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四圖7.22 傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織 第35頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四 3.孕育處理（鋼及鋁、鎂、銅合金中稱變 質(zhì)處理，鐵中稱孕育處理） （1）外加晶核 在澆注時向液流中加入被細化相具有界面共格對應(yīng)的高熔點物質(zhì)或同類金屬的碎粒，使之成為異質(zhì)形核的有效襯底，

18、促使異質(zhì)形核，增加晶粒數(shù)而細化晶粒。 例如：高Mn鋼中加入Mn鐵 高Cr鋼中加入Cr鐵 Cu合金中加入Fe（） 在生產(chǎn)中，外加晶核稱為晶粒細化劑。第36頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四3.孕育處理 （2）采用生核劑 加入的物質(zhì)不一定能作為晶核，但通過它與液態(tài)金屬 的某些元素相互作用，能產(chǎn)生晶核或成為有效襯底，這 類物質(zhì)稱為生核劑。分為兩類： 加入的生核劑與液體中某元素形成穩(wěn)定的化合物， 且此化合物與被細化相具有界面共格對應(yīng)，促使異質(zhì)形 核。 例如 鋼中加入V、Ti等，生成的VC，TiC及VN，TiN 使鋼的晶粒細化 Al合金中加入Ti，生成TiAl3，細化-Al 在生

19、產(chǎn)中，此種生核劑也稱為晶粒細化劑。第37頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四 加入的生核劑造成液體中很多大的微區(qū)富集，迫使結(jié)晶相提前彌散析出 例如 Si加入鐵水中，造成瞬時的很多富Si區(qū)，造成局部的過共晶成分迫使石墨提前析出，Si的脫氧產(chǎn)物SiO2及其他化合物可作為石墨析出的襯底，達到細化組織的目的。 此類生核劑在鑄鐵中稱為孕育劑，處理過程稱為孕育處理。第38頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四孕育衰退（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

20、化作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達到最佳的細化效果。當(dāng)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(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。 第39頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四3.孕育處理（3）采用強過冷成分元素 強成分過冷元素就是表面活性元素，其實質(zhì)是阻

21、礙某一相的生長，達到細化該相和改變該相的形貌，而不增加形核的數(shù)量。 選取原則： 熔點低（mL大） 固溶度?。?） 原子半徑大（DL?。?Al-Si合金中（Si5%），加入Na，Ce，La，Sr細化合金中的共晶硅相 強成分過冷元素在Al-Si合金中稱為變質(zhì)劑，生產(chǎn)中稱為變質(zhì)處理第40頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四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Ti0.10.2鐵合金V0.060.30B0.0050.01鑄鐵Si-Fe，Ca, Ba, Sr0.11.0，與Si-Fe復(fù)合鐵合金鋁合金Ti, Zr , Ti+B, Ti+C Ti:0.15; Zr:0.

22、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P0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金銅合金Zr, Zr+B, Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.020.04純金屬或中間合金鎳基高溫合金WC, NbC碳化物粉末合金中常用孕育劑（含晶粒細化劑、變質(zhì)劑）第41頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四7-2 凝固方式與凝固時間一、凝固方式二、凝固時間第42頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四一、凝固方式1.凝固方式分類 分為三種類型：（1）逐層凝固方式（2）體積（糊狀）凝固方式

23、（3）中間凝固方式第43頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四 凝固區(qū)域及結(jié)構(gòu) 凝固區(qū)域：鑄件斷面上凝固某瞬間的液相和固相共存 區(qū)域圖7.23 凝固區(qū)域第44頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四 凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)： 液固區(qū)（液相邊界和補縮邊界之間，其間的傾出邊 界又將其分成兩個小區(qū)） 固液區(qū)（補縮邊界與固相邊界之間）第45頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四 （1）逐層凝固方式 鑄件在凝固過程中，其斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾葹榱慊蚝苷?時，凝固層由鑄件表面向內(nèi)一層層凝固的方式。 特點 流動性好 補縮好，集中縮孔傾向大 熱裂傾向小第46頁，共

24、54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四（2）體積凝固方式（糊狀凝固方式） 鑄件在凝固過程中，其斷面上存在很寬的凝固區(qū)域，凝固是在這個體積范圍內(nèi)進行的。特點： 流動性差 縮松傾向大 熱烈傾向大第47頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四 （3）中間凝固方式 凝固過程中，鑄件斷面上始終保持不寬不窄的凝固區(qū)域。 特點： 流動性較好 縮松傾向較小 熱裂傾向較小第48頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四2.影響凝固方式的因素 （1）合金的凝固溫度區(qū)間tC=（tL-tS）合金性質(zhì)決定 （2）鑄件斷面上的溫度梯度G工藝因素通過提高鑄件斷面上的溫度梯度G可改變寬凝固溫度范圍合金的體積凝固方式或減輕體積凝固的程度，提高鑄件質(zhì)量。第49頁，共54頁，2022年，5月20日，13點14分，星期四二、凝固時間 鑄件的凝固時間是指液態(tài)金屬充滿型腔至鑄件凝固完畢所需的時間。單位時間凝固層的厚度稱凝固速度。凝固時間是制訂液態(tài)成形工藝的重要參數(shù)（如冒口、冷鐵的設(shè)計，掌握開箱時間等） 確定凝固時間的方法有： 試驗法 理論計算法（數(shù)值模擬法