第五章凝固組織的控制

2023/2/3金屬凝固原理第五章鑄件凝固組織控制鑄件凝固組織的形成等軸晶的晶粒細(xì)化凝固組織中的偏析及其控制凝固收縮及其控制半固態(tài)金屬的特性及半固態(tài)鑄造2023/2/3金屬凝固原理第一節(jié)鑄件凝固組織的形成

鑄件凝固過(guò)程中的溫度分布與凝固方式(a)(b)(c)(d)平界面等軸晶柱狀晶等軸晶1．凝固條件與晶體生長(zhǎng)方式2023/2/3金屬凝固原理金屬或合金在鑄型中凝固時(shí),可以分為液相區(qū)、固相區(qū)和液固兩相區(qū)三個(gè)區(qū)域。金屬或合金凝固分區(qū)示意圖△X鑄型固相區(qū)液固兩相區(qū)液相區(qū)2．金屬或合金的凝固方式2023/2/3金屬凝固原理固液兩相區(qū)較窄時(shí)－呈現(xiàn)強(qiáng)烈的逐層凝固特點(diǎn)；固液兩相區(qū)較寬時(shí)－逐層凝固特征不明顯，呈現(xiàn)糊狀凝固特點(diǎn)，造成液相補(bǔ)縮困難。固液兩相區(qū)寬度將對(duì)凝固時(shí)液相補(bǔ)縮的影響固液兩相區(qū)寬度較窄固液兩相區(qū)寬度較寬Cu600Al548T(℃）C1C22023/2/3金屬凝固原理凝固動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)

在凝固件橫斷面處設(shè)置溫度傳感器測(cè)定冷卻曲線(xiàn)，即溫度-時(shí)間曲線(xiàn)。據(jù)不同斷面的冷卻曲線(xiàn)，結(jié)合該合金的相圖，便可以繪出凝固件斷面液相線(xiàn)-固相線(xiàn)與凝固時(shí)間的關(guān)系----凝固動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)。由凝固動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)可以看出合金在凝固件中的凝固方式。熱流方向x熱流方向⑥①⑤④③②2023/2/3金屬凝固原理TLTsCu600Al548T(℃）鑄件凝固動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)的繪制a)鑄件斷面的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)b)凝固動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)c)某時(shí)刻的凝固狀態(tài)2023/2/3金屬凝固原理工業(yè)純鋁鑄件斷面的凝固動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)a)砂型鑄造b)金屬型鑄造金屬及合金的凝固方式并不唯一取決于相圖，它還與凝固時(shí)的溫度梯度相關(guān)。金屬及合金的凝固方式逐層凝固糊狀凝固2023/2/3金屬凝固原理影響凝固方式的因素

凝固方式一般由合金固液相線(xiàn)溫度間隔和凝固件斷面溫度梯度兩個(gè)因素決定。凝固溫度間隔大的合金傾向于糊狀凝固；反之傾向于逐層凝固SSS+LS+LLTLTST逐層凝固SSS+LTLTST糊狀凝固2023/2/3金屬凝固原理2.鑄件的典型凝固組織與形成過(guò)程

鑄件典型凝固組織內(nèi)部等軸晶區(qū)表面細(xì)晶區(qū)柱狀晶區(qū)表面細(xì)晶粒區(qū)。它是緊靠型壁的一個(gè)外殼層，由紊亂排列的細(xì)小等軸晶所組成；柱狀晶區(qū)。由自外向內(nèi)沿著熱流方向彼此平行排列的柱狀晶所組成；內(nèi)部等軸晶區(qū)。由紊亂排列的粗大等軸晶所組成。2023/2/3金屬凝固原理

當(dāng)液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時(shí)，型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷作用而大量生核加上型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和晶粒增殖等各種形式的晶粒游離過(guò)程，在鑄型表面形成了無(wú)方向性的表面細(xì)等軸晶組織。

一旦型壁晶?；ハ噙B接而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，處在凝固界面前沿的晶粒便開(kāi)始向內(nèi)生長(zhǎng)，在垂直于型壁的單向熱流的作用下，那些擇優(yōu)生長(zhǎng)方向與熱流方向平行的枝晶，生長(zhǎng)速度快，逐步淘汰取向不利的晶粒而發(fā)展成柱狀晶組織。

隨著熔體的不斷冷卻，由于生核及晶粒游離、枝晶熔斷等在柱狀晶前沿產(chǎn)生大量等軸晶，并形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。Southin認(rèn)為內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成不僅要求界面前方存在有等軸晶的晶核，而且還要求這些晶核長(zhǎng)到一定的大小，并形成網(wǎng)絡(luò)以阻止柱狀晶區(qū)的生長(zhǎng)。Fredriksson等人則認(rèn)為內(nèi)部等軸晶區(qū)的產(chǎn)生是由一部分游離晶的沉淀和一部分游離晶被側(cè)面生長(zhǎng)著的柱狀前沿捕獲后而形成的。Wizke等及Lipton等的研究表明，液相流動(dòng)對(duì)凝固界面前的液相成分過(guò)冷度的形成具有重要影響，而該過(guò)冷度則是決定等軸晶形成的關(guān)鍵因素，可作為柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的判據(jù)。2023/2/3金屬凝固原理3.等軸晶的形核（1）型壁處的晶粒游離

液態(tài)金屬在鑄型型壁的激冷作用下依附型壁形核，這些晶粒在長(zhǎng)大過(guò)程中由于根部溶質(zhì)的富集產(chǎn)生根部“縮頸”現(xiàn)象，并在流體的機(jī)械沖刷和溫度反復(fù)波動(dòng)的熱沖擊下，自型壁脫落形成游離晶。（2）枝晶熔斷

枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中，在樹(shù)枝晶各次分枝的根部同樣會(huì)由于溶質(zhì)富集產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象，并在液流沖刷和熱波動(dòng)的作用下發(fā)生熔斷、脫落，形成自由晶體。（3）表面凝固和“晶雨”的形成

表面形成的晶核由于密度比液體大而下沉，另外液相的流動(dòng)和表面的擾動(dòng)會(huì)帶動(dòng)表面形成的晶核下落形成“晶雨”。合金的澆注過(guò)熱度對(duì)游離晶的形成具有決定性的影響液相流動(dòng)對(duì)枝晶熔斷具有重要影響人為地進(jìn)行表面振動(dòng)有利于“晶雨”的形成2023/2/3金屬凝固原理4.鑄件凝固組織形態(tài)的控制

凝固組織形態(tài)的控制主要是晶粒形態(tài)和相結(jié)構(gòu)的控制。相結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于合金的成分，而晶粒形態(tài)及其尺寸則是由凝固過(guò)程決定的。晶粒形態(tài)的控制是凝固組織控制的關(guān)鍵，其次是晶粒尺寸。

柱狀晶比較粗大，晶界面積小，并且位向一致。因而其性能具有明顯的方向性：縱向好，橫向差。此外，其凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質(zhì)，特別是當(dāng)不同方位的柱狀晶區(qū)相遇而構(gòu)成晶界時(shí)大量夾雜與氣體等在該處聚集將導(dǎo)致鑄件熱裂，或者使鑄件在以后的塑形加工中產(chǎn)生裂紋。

等軸晶區(qū)的界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向也各不相同，故性能均勻而穩(wěn)定，沒(méi)有方向性。其缺點(diǎn)是枝晶比較發(fā)達(dá)，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。等軸晶細(xì)化能使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項(xiàng)性能。一般說(shuō)來(lái)，晶粒越細(xì)，其綜合性能就越好，抗疲勞性能也越高。

基于上述原因，大多數(shù)情況下希望獲得較多的甚至是全部細(xì)小的等軸晶組織。晶粒形態(tài)的控制主要是通過(guò)形核過(guò)程的控制實(shí)現(xiàn)的。促進(jìn)形核的方法包括澆注過(guò)程控制方法、化學(xué)方法、物理方法、機(jī)械方法、傳熱條件控制方法等。2023/2/3金屬凝固原理第二節(jié)等軸晶的晶粒細(xì)化細(xì)化晶粒的主要途徑：

①控制傳熱條件促進(jìn)熔體生核；②添加晶粒細(xì)化劑，即向液態(tài)金屬中引入大量形核能力很強(qiáng)的異質(zhì)晶核，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的；③采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌、鑄型振動(dòng)等力學(xué)方法，促使枝晶折斷、破碎，使晶粒數(shù)量增多，尺寸減小；

④提高冷卻速率使液態(tài)金屬獲得大過(guò)冷度，增大形核速率；⑤去除液相中的異質(zhì)晶核，抑制低過(guò)冷度下的形核，使合金液獲得很大過(guò)冷度，并在大過(guò)冷度下突然大量形核，獲得細(xì)小等軸晶組織。2023/2/3金屬凝固原理1.傳熱條件控制

大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，降低澆注溫度是減少柱狀晶獲得細(xì)等軸晶的有效措施之一，甚至在減少液體流動(dòng)的情況下也能得到細(xì)等軸晶組織。

合理控制冷卻條件從而形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過(guò)冷可促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度和高的冷卻速度可以滿(mǎn)足上述要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這兩者不可兼得。

由于高的冷卻速度不僅使溫度梯度變大，而且在凝固初期還促使穩(wěn)定凝固殼層的過(guò)早形成。因此對(duì)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，再輔以其它晶粒細(xì)化措施以得到滿(mǎn)意的效果。

懸浮鑄造示意圖1.合金粉2.坩堝3.金屬液流4.懸浮鑄造液

2023/2/3金屬凝固原理2．添加晶粒細(xì)化劑法（孕育處理）

異質(zhì)晶核通過(guò)以下途徑產(chǎn)生：①晶粒細(xì)化劑中的高熔點(diǎn)化合物在熔化過(guò)程中不被完全熔化，在隨后的凝固過(guò)程中成為異質(zhì)形核的核心。如在高錳鋼中加入錳鐵，在高鉻鋼中加入鉻鐵都可以直接作為欲細(xì)化相的非均質(zhì)晶核。②晶粒細(xì)化劑中的微量元素加入合金液后，在冷卻過(guò)程中首先形成化合物固相質(zhì)點(diǎn)，起到異質(zhì)形核核心的作用。如向鋁合金中加入微量鈦，在冷卻過(guò)程中通過(guò)包晶反應(yīng)形成TiAl3。2023/2/3金屬凝固原理合金晶粒細(xì)化元素加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%加入方法鋁合金Ti、Zr、Ti+B、Ti+CTi+B：0.0l(Ti)、0.005(B)Ti+C：0.0l(Ti)、0.005(C)Ti：0.15Zr：0.2中間合金：Al-Ti、Al-Ti-B、A1-Ti-C鉛合金Se、Bi2Se3、Ag2Se、BeSe0.0l～0.02純金屬或合金銅合金Zr、Zr+B、Zr+Mg、Zr+Mg+Fe+P0.02～0.04純金屬或合金鎳基高溫合金碳化物(WC、NbC)等—碳化物粉末常用合金的晶粒細(xì)化劑2023/2/3金屬凝固原理3.動(dòng)力學(xué)細(xì)化法（1）澆注過(guò)程控制技術(shù)利用澆注過(guò)程液流控制進(jìn)行晶粒細(xì)化的幾種方法(a)中心澆注法(b)沿型壁澆注(c)沿型壁四周澆注(d)斜板澆注1—中間包2—冷卻水3—游離晶4—鑄型(a)(b)(c)(d)42023/2/3金屬凝固原理

（2）鑄型振動(dòng)在凝固過(guò)程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶破碎形成結(jié)晶核心。同時(shí)振動(dòng)鑄型可促使“晶雨”的形成。由于“晶雨”的來(lái)源是液態(tài)金屬表面的凝固層，當(dāng)液態(tài)金屬靜止時(shí)表面凝固的金屬結(jié)殼而不能下落，鑄型振動(dòng)可使殼層中的枝晶破碎，形成“晶雨”。

（3）超聲波振動(dòng)超聲振動(dòng)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(shí)，液體迅速補(bǔ)充，液體流動(dòng)的動(dòng)量很大，產(chǎn)生很高的壓力，起到促進(jìn)形核的作用。

（4）液相攪拌采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對(duì)固相的運(yùn)動(dòng)，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。其中機(jī)械和電磁攪拌方法不僅使晶粒細(xì)化，而且可使晶粒球化，獲得流動(dòng)性很好的半固態(tài)金屬，可進(jìn)行半固態(tài)鑄造或半固態(tài)擠壓。2023/2/3金屬凝固原理第三節(jié)凝固組織中的偏析及其控制1．凝固組織中的微觀偏析及其控制

微觀偏析按其形式分為胞狀偏析、枝晶偏析和晶界偏析。它們的表現(xiàn)形式雖不同，但形成機(jī)理是相似的，都是合金在結(jié)晶過(guò)程中溶質(zhì)再分配的必然結(jié)果，其中枝晶偏析是微觀偏析的主要表現(xiàn)形式。

胞狀偏析晶界偏析低合金鋼柱狀晶的等濃度面2023/2/3金屬凝固原理影響微觀偏析的主要因素是：①局部凝固時(shí)間或凝固速率隨著局部凝固時(shí)間的增大，擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)，促進(jìn)了成分的均勻化，偏析減輕。合理的方法是快速凝固使枝晶細(xì)化，然后進(jìn)行均勻化退火處理。

②合金元素的固相擴(kuò)散系數(shù)合金元素的固相擴(kuò)散系數(shù)越大，凝固過(guò)程的擴(kuò)散就越充分，該元素的偏析也就越輕。③溶質(zhì)平衡分配系數(shù)小于1時(shí)，其值越小，偏析越嚴(yán)重。

2023/2/3金屬凝固原理枝晶偏析在凝固后的均勻化處理

把鑄件加熱到低于固相線(xiàn)100~200oC，長(zhǎng)期保溫，使溶質(zhì)原子充分?jǐn)U散，

假設(shè)枝晶偏析值近似地為正弦波，根據(jù)擴(kuò)散第二定律可解出在一定溫度下經(jīng)τ時(shí)間后的偏析幅值A(chǔ)：—鑄態(tài)合金枝晶偏析的初始幅值，可見(jiàn)，均勻化時(shí)間取決于枝晶間距和擴(kuò)散系數(shù)。枝晶間距越小，均勻化退火時(shí)原子擴(kuò)散路程越短，故均勻化時(shí)間越短。因此，凡能細(xì)化枝晶的各種工藝措施均有利于以后的均勻化退火。偏析元素的擴(kuò)散系數(shù)愈大，在其它條件相同時(shí)，均勻化退火時(shí)間愈短。2023/2/3金屬凝固原理2．凝固組織中的宏觀偏析及其控制鑄件各部位之間化學(xué)成分的差異

鑄件產(chǎn)生宏觀偏析的規(guī)律與鑄件的凝固特點(diǎn)密切相關(guān)。當(dāng)鑄件以逐層凝固方式凝固時(shí)，宏觀偏析的產(chǎn)生主要與結(jié)晶過(guò)程中的溶質(zhì)再分配有關(guān)，可用Scheil方程近似地描述；當(dāng)鑄件以糊狀凝固方式凝固時(shí)，鑄件產(chǎn)生宏觀偏析的原因主要是凝固早期固相或液相的沉浮以及枝晶間的液體流動(dòng)。

液態(tài)金屬沿枝晶間流動(dòng)的原因主要有：①凝固收縮（或膨脹）的抽吸作用促使液體流動(dòng)；②冷卻時(shí)液相和固相的收縮；③由于密度差而發(fā)生的對(duì)流；④大容積內(nèi)液體對(duì)流向枝晶間的穿透；⑤固一液兩相區(qū)內(nèi)氣體的形成。2023/2/3金屬凝固原理2023/2/3金屬凝固原理

2023/2/3金屬凝固原理以Al-Cu()合金為例，該合金凝固時(shí)收縮率為0.057Al-Cu合金相圖液體流動(dòng)速度等于零的地方，對(duì)于凝固時(shí)收縮的合金來(lái)說(shuō)將產(chǎn)生正偏析。因?yàn)閷?duì)于凝固時(shí)收縮的合金來(lái)說(shuō)，它和凝固時(shí)沒(méi)有體積變化的合金（凝固時(shí)體積不收縮也不膨脹）相比，固相分率減少，與之相對(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)液相分率增加，而液相內(nèi)溶質(zhì)濃度是高的，因此，該地區(qū)的最終溶質(zhì)平均濃度會(huì)增加，形成正偏析。會(huì)增加，形成正偏析，

2023/2/3金屬凝固原理細(xì)小斷面積為粗大處的1/9，在斷面突然變化的地方，在鑄件的心部，液體金屬為了補(bǔ)償下部鑄件的收縮，其流動(dòng)速度必須很大，即接近于大斷面處的9倍。如果在大斷面處，其宏觀偏析為“0”，其：這樣，在斷面突變處：顯然，這里會(huì)產(chǎn)生大的負(fù)偏析，2023/2/3金屬凝固原理減少宏觀偏析的措施消除宏觀偏析的條件是：（因?yàn)榇藭r(shí)）也就是：1）v與R兩者方向相反；2)

的絕對(duì)值要小，即v要小，而R要大。

①保證合金成分，使凝固過(guò)程中液體的密度差減到最小。因?yàn)橐后w的密度差是促使液體流動(dòng)的因素之一。②適當(dāng)?shù)蔫T件或鑄錠高度。因?yàn)橐后w的靜壓頭愈大，流動(dòng)愈會(huì)加劇。③加入孕育劑細(xì)化枝晶組織，使流動(dòng)阻力增加，從而減小流動(dòng)速度。④在凝固開(kāi)始階段，用加速液體對(duì)流的辦法，可以細(xì)化晶粒，但在凝固過(guò)程中，應(yīng)該使液體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)停止。如果自然對(duì)流速度較大，應(yīng)該外加磁場(chǎng)使對(duì)流運(yùn)動(dòng)停止?？梢韵胂螅x心鑄件的宏觀偏析是大的。⑤加大冷卻速度，縮短固/液兩相區(qū)的凝固時(shí)間，盡量使R值增大。澆注溫度太高、澆注速度太快，均會(huì)延緩鑄件冷卻，從而使宏觀偏析加劇。2023/2/3金屬凝固原理第三節(jié)凝固收縮及其控制1.凝固過(guò)程中的收縮

1）純金屬對(duì)于純金屬，凝固通常是在恒定的溫度下完成的，凝固期間的體收縮只是相變收縮。凝固收縮率定義為：2023/2/3金屬凝固原理2）共晶合金2023/2/3金屬凝固原理3）固溶體合金2023/2/3金屬凝固原理4）共晶系合金2023/2/3金屬凝固原理2.縮松的形成與控制I區(qū)：固相尚未形成骨架，凝固收縮通過(guò)液相的流動(dòng)和固相的運(yùn)動(dòng)得到補(bǔ)縮；II區(qū)：固相雖已經(jīng)形成骨架而不能運(yùn)動(dòng)，但枝晶間液相的流動(dòng)通道仍是暢通的，凝固收縮可以得到液相補(bǔ)充；III區(qū)：液相被枝晶分割、封閉，其中的殘余液相凝固產(chǎn)生的收縮得不到補(bǔ)充而形