鑄件宏觀凝固組織的控制

鑄件宏觀凝固組織的控制1第1頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖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(gè)晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶2第2頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月大多數(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(zhǎng)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(shí))。柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成強(qiáng)度、塑性、韌性在柱狀晶的橫向方向大幅度下降，對(duì)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(diǎn)是各向異性，對(duì)于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)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(diǎn)。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(jī)理。3第3頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成4第4頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、表面激冷區(qū)的形成型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而大量非均質(zhì)生核,各種形式的晶粒游離也是形成表面細(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(zhǎng)，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。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)由外向內(nèi)的生長(zhǎng)，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。5第5頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、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(zhǎng)，發(fā)展成由外向內(nèi)生長(zhǎng)的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長(zhǎng)迅速

。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(gè)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(huì)有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)演示6第6頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月柱狀晶生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)演示鑄型液態(tài)金屬7第7頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理一、“成分過冷”理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論四、單個(gè)等軸晶形成過程的動(dòng)態(tài)演示8第8頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、“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(shí)，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。9第9頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a)7500C水淬,搖動(dòng)b)在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)大野篤美的實(shí)驗(yàn)等軸晶不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶10第10頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、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)。11第11頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖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?12第12頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)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(duì)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(huì)處產(chǎn)生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離13第13頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖5-7游離晶體的生長(zhǎng)、局部熔化與增殖14第14頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長(zhǎng)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(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結(jié)晶雨”理論。15第15頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目前比較統(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(jī)理起主導(dǎo)作用，在另一種情況下，可能是另一種機(jī)理在起作用，或者是幾種機(jī)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。16第16頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、單個(gè)等軸晶形成過程的動(dòng)態(tài)演示

各向同性，多方向生長(zhǎng)

各向異性，四向生長(zhǎng)

各向異性，六向生長(zhǎng)

各向異性，雙核生長(zhǎng)

17第17頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)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(dú)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(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對(duì)大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個(gè)結(jié)果所決定的。凡能強(qiáng)化熔體獨(dú)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。18第18頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化19第19頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月合理的澆注工藝?yán)鋮s條件的控制20第20頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(dòng)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(qiáng)化對(duì)流對(duì)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。21第21頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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22第22頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法23第23頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(duì)薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。

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，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到滿意的效果。懸浮澆注法可同時(shí)滿足小的GL與高的R的要求。24第24頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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25第25頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月懸浮澆注法的特點(diǎn)

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(shí)現(xiàn)澆注過程合金化。26第26頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月技術(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(qiáng)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(jiǎn)單輔助工裝。27第27頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、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(zhǎng)機(jī)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。28第28頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月孕育劑作用機(jī)理的兩類觀點(diǎn)孕育主要起非自發(fā)形核作用通過在生長(zhǎng)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。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29第29頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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+CTi: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30第30頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)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(rùn)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(shí)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(shí)間也不同。幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時(shí)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。31第31頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化1．鑄型振動(dòng)2．超聲波振動(dòng)3．液相攪拌4．流變鑄造32第32頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．鑄型振動(dòng)在凝固過程中振動(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。離心鑄造時(shí)若周期改