華科材料人網(wǎng)成型原理第六講

1第五章鑄件凝固組織的

形成與控制Chapter5FormationandControlofSolidification

MicrostructureofCastings

2第一節(jié)鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機(jī)理一、鑄件宏觀凝固組織的特征鑄錠截面典型宏觀組織示意圖表面細(xì)晶粒區(qū)是緊靠鑄型壁的激冷組織，也稱激冷區(qū)，由無規(guī)則排列的細(xì)小等軸晶所組成。柱狀晶區(qū)由垂直于型壁（沿?zé)崃鞣较颍┍舜似叫信帕械闹鶢罹ЯＫM成。內(nèi)部等軸晶區(qū)由各向同性的等軸晶組成。等軸晶的尺寸比表面細(xì)晶粒區(qū)的晶粒尺寸粗大。3通常激冷區(qū)較薄，只有幾個(gè)晶粒厚，其余兩個(gè)晶區(qū)相對較厚。4鑄件宏觀凝固組織中的晶區(qū)數(shù)及其相對厚度并不是一成不變的，而是隨著合金的成分和冷卻凝固條件的改變而變化，有時(shí)可以形成無中心等軸晶或全部由等軸晶組成的宏觀組織。決定鑄件性能的重要因素是柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的相對量，表面細(xì)晶粒區(qū)的影響很有限。力學(xué)性能：表層硬；柱狀區(qū)有方向性；中心疏松、多雜質(zhì)5二、鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理1.表面細(xì)晶粒區(qū)的形成鑄型壁附近熔體受到強(qiáng)烈的激冷作用而大量形核，形成無方向性的表面細(xì)等軸晶組織，也叫“激冷晶”。細(xì)化程度取決于：型壁散熱條件所決定的過冷度和凝固區(qū)域的寬度。型壁附近熔體內(nèi)大量的非均勻形核由于溶質(zhì)的再分配，在枝晶根部產(chǎn)生縮頸，在液態(tài)金屬作用下枝晶熔斷或型壁晶粒脫落形成各種形式的晶粒游離——形成表面細(xì)等軸晶區(qū)的“晶核”6前提：抑制鑄件形成穩(wěn)定的凝固殼層

因?yàn)榉€(wěn)定的凝固殼層造成界面處晶粒單向散熱的條件，從而促使晶粒逆著熱流方向擇優(yōu)生長而形成柱狀晶。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，表面細(xì)晶粒區(qū)也就越窄；一旦型壁晶粒互相連結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，柱狀晶區(qū)就直接由凝固層向內(nèi)發(fā)展，表面細(xì)晶粒區(qū)將不復(fù)存在。抑制鑄件形成穩(wěn)定凝固殼層是通過型壁晶粒游離實(shí)現(xiàn)的。導(dǎo)致型壁晶粒游離的內(nèi)因是晶粒根部由于溶質(zhì)再分配而形成的低熔點(diǎn)縮頸、而其外因則為液態(tài)金屬的流動。在不存在溶質(zhì)再分配的純金屬鑄件中或在無對流的結(jié)晶條件下，即使借助于激冷也無法形成表面細(xì)晶粒區(qū)。表面細(xì)晶粒區(qū)中的等軸晶粒不僅來源于過冷熔體中的異質(zhì)形核，而且也還來自包括型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和晶粒增殖等各種形式的晶粒游離。至于何者更為重要，視具體凝固條件而定。72.柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定凝固殼層產(chǎn)生——柱狀晶區(qū)開始內(nèi)部等軸晶區(qū)形成——柱狀晶區(qū)結(jié)束柱狀晶區(qū)的寬度及存在取決于上述兩個(gè)因素綜合作用結(jié)果。生長方式：擇優(yōu)生長8

各枝晶主干方向互不相同，主干與熱流方向相平行的枝晶生長迅速，優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶的生長。逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組織。競爭淘汰離開型壁的距離越遠(yuǎn)，取向不利的晶體被淘汰的就越多，柱狀晶的方向就越集中，同時(shí)晶粒的平均尺寸也就越大。9

控制柱狀晶區(qū)繼續(xù)發(fā)展的關(guān)健因素是內(nèi)部等軸晶區(qū)的出現(xiàn)；如果界面前方始終不利于等軸晶的形成與生長，則柱狀晶區(qū)可以一直延伸到鑄件中心。直到與對面型壁長出的柱狀晶相遇為止，從而形成所謂的穿晶組織、如果界面前方有利于等軸晶的產(chǎn)生與發(fā)展，則會阻止柱狀晶區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)展而在內(nèi)部形成等軸晶，例如，隨著澆注溫度的提高，柱狀晶區(qū)的寬度增大。當(dāng)澆注條件一定時(shí)，隨著合金元素含量的增加，游離的晶核數(shù)量增加，則柱狀晶區(qū)的寬度減小。對于純金屬，則鑄態(tài)組織常常全部為柱狀晶。103.內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成

內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成是由于剩余熔體內(nèi)部晶核自由生長的結(jié)果。關(guān)于等軸晶晶核來源及形成有四種理論(1)過冷熔體直接形核理論：隨著柱狀晶層向內(nèi)推移和溶質(zhì)再分配，在固－液界面前沿產(chǎn)生成分過冷，當(dāng)成分過冷的過冷度大于異質(zhì)生核所需過冷度時(shí)，則產(chǎn)生晶核并長大，導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。11(2)激冷晶游離理論：澆注期間和凝固初期的激冷晶游離隨著液流漂移到鑄件心部，通過增殖，長大形成內(nèi)部等軸晶。凝固初期形成的激冷游離晶因澆溫低，澆注中形成的激冷游離晶12(3)型壁晶粒脫落和枝晶熔斷、游離理論：型壁晶體或柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖——理論基點(diǎn)為溶質(zhì)再分配。溶質(zhì)濃度再分配→界面前沿液態(tài)金屬凝固點(diǎn)降低→實(shí)際過冷度減小。溶質(zhì)偏析程度越大，實(shí)際過冷度就越小，其生長速度就越緩慢。晶體根部緊靠型壁，溶質(zhì)在液體中擴(kuò)散均化的條件最差，偏析程度最為嚴(yán)重，生長受到強(qiáng)烈抑制。遠(yuǎn)離根部，界面前方的溶質(zhì)易于通過擴(kuò)散和對流而均勻化，面臨較大的過冷，其生長速度要快得多。故在晶體生長過程中將產(chǎn)生根部“縮頸”現(xiàn)象，生成頭大根小的晶粒。熔點(diǎn)最低而又最脆弱的縮頸極易斷開，晶粒自型壁脫落而導(dǎo)致晶粒游離。型壁晶粒脫落13

圖枝晶分枝“縮頸”的形成a)b)c)為二、三次分枝時(shí)縮頸形成過程示意圖。V為生長方向。d)環(huán)乙烷的枝晶，可見分枝縮頸枝干生長側(cè)面溶質(zhì)偏析層阻礙側(cè)面的生長，偶然產(chǎn)生的凸出部分突破此層，進(jìn)入較大的成分過冷區(qū)內(nèi)，長出較粗大的分枝，從而在分枝根部留下縮頸。14氯化銨的枝晶熔斷15晶粒增殖:處于自由狀態(tài)下的游離晶一般具有樹枝晶結(jié)構(gòu)，在液流中漂移時(shí)不斷通過不同的溫度區(qū)域和濃度區(qū)域，受到溫度波動和濃度波動的沖擊→表面反復(fù)局部熔化和反復(fù)生長→分枝根部縮頸可能斷開而破碎成幾部分→在低溫下各自生長為新的游離晶。16液態(tài)金屬的流動形式澆注過程中的流動

凝固期間的對流

自然對流鑄型和液面處溫度低、密度大而下沉中心部分溫度較高、密度小而上浮

溶質(zhì)再分配引起界面前沿液體成分和密度的變化游離晶體和液態(tài)金屬之間密度差異

強(qiáng)迫對流澆注過程中的注入動量、電磁攪拌、機(jī)械攪拌

液態(tài)金屬流動的作用17

液態(tài)金屬流動對鑄件結(jié)晶中晶粒游離過程的作用主要是通過影響其傳熱和傳質(zhì)過程而實(shí)現(xiàn)的：1)傳熱方面：液態(tài)金屬的流動加速其過熱熱量的散失，使全部液態(tài)金屬在澆注后的瞬間（小于30s）從澆注溫度下降到凝固溫度。2)傳質(zhì)方面：液態(tài)金屬流動的最大作用在于導(dǎo)致游離晶粒的漂移和堆積，并使各種晶粒游離現(xiàn)象得以不斷進(jìn)行。同時(shí)改變界面前沿的溶質(zhì)分布狀態(tài)，加速流體宏觀成分的均勻化。18（4）“結(jié)晶雨”游離理論根據(jù)這一理論，凝固初期在液面處的過冷熔體中產(chǎn)生過冷并形成晶核及生長成小晶體，這些小晶體或頂部凝固層脫落的分枝由于密度比液態(tài)金屬大而像雨滴似地降落，形成游離晶體。這些小晶體在生長的柱狀晶前面的液態(tài)金屬中長大形成內(nèi)部等軸晶。液面處形成的晶粒+頂部凝固層脫落的分枝→→密度比液體大→下沉→產(chǎn)生晶粒游離。多發(fā)生在大型鑄錠的凝固過程中19迄今的研究表明，上述四種理論均有試驗(yàn)依據(jù)。因而可以認(rèn)為在鑄錠或鑄件凝固過程中，這四種內(nèi)部等軸晶形成機(jī)理都是存在的。但它們的相對作用則取決于凝固的實(shí)際條件。在一種條件下可能是某種理論起主導(dǎo)作用，在另一種條件下可能是其他理論起主導(dǎo)作用，或者幾種機(jī)理共同起作用。實(shí)際上，中心等軸晶區(qū)的形成大多是幾個(gè)機(jī)理綜合作用的結(jié)果，可以根據(jù)上述四種機(jī)理采用綜合措施對鑄錠或鑄件的宏觀組織正確地予以控制。20鑄件中三晶區(qū)的形成相互聯(lián)系、彼此制約穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生決定著表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)的過渡，而阻止柱狀晶區(qū)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵則是中心等軸晶區(qū)的形成。晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變是過冷熔體獨(dú)立形核能力和各種形式晶粒游離、漂移與沉積的程度這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果。決定了鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細(xì)。21第二節(jié)鑄件宏觀凝固組織的控制一、鑄件結(jié)晶組織對鑄件性能的影響表面細(xì)晶粒區(qū)薄，對鑄件的質(zhì)量和性能影響不大。鑄件的質(zhì)量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的比例以及晶粒的大小。

(1)柱狀晶：生長過程中凝固區(qū)域窄，橫向生長受到相鄰晶體的阻礙，枝晶不能充分發(fā)展，分枝少，結(jié)晶后顯微縮松等晶間雜質(zhì)少，組織致密。但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，排列位向一致，其性能具有明顯的方向性：縱向好、橫向差。凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質(zhì)氣體，將導(dǎo)致鑄件熱裂。22(2)等軸晶：晶界面積大，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，沒有方向性。枝晶比較發(fā)達(dá)，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。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。晶粒越細(xì)綜合性能越好。對塑性較好的有色金屬或奧氏體不銹鋼錠，希望得到較多的柱狀晶，增加其致密度；對一般鋼鐵材料和塑性較差的有色金屬鑄錠，希望獲得較多的甚至是全部細(xì)小的等軸晶組織；對于高溫下工作的零件，通過單向結(jié)晶消除橫向晶界，防止晶界降低蠕變抗力。23二、鑄件宏觀組織的控制途徑和措施鑄件一般希望獲得全部細(xì)等軸晶組織，為獲得這種組織則要求抑制柱狀晶的產(chǎn)生和生長，創(chuàng)造有利于等軸晶形成的條件來達(dá)到。1.向熔體中加入強(qiáng)生核劑控制金屬和合金鑄態(tài)組織的重要方法之一是控制形核。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的主要方法是向液態(tài)金屬中添加生核劑或稱孕育劑，進(jìn)行孕育處理。加入生核劑的目的是強(qiáng)化非均質(zhì)形核。孕育(Inoculation)主要是影響生核過程，通過增加晶核數(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒；變質(zhì)(Modification)則主要是改變晶體的生長過程，通過變質(zhì)元素的選擇性分布實(shí)現(xiàn)改變晶體的生長形貌。兩者在概念上是不同的。24(1)直接作為外加晶核的生核劑

這種生核劑通常是與欲細(xì)化相具有界面共格對應(yīng)的高熔點(diǎn)物質(zhì)或同類金屬、非金屬碎粒，它們與要細(xì)化相間具有較小的界面能，潤濕角小，直接作為有效襯底促進(jìn)非自發(fā)生核。例：在澆注高錳鋼鑄件時(shí)，將鎢粉或錳鐵碎屑(粒度1~2mm)撒鋼液表面，以實(shí)現(xiàn)懸浮澆注，也能有效的細(xì)化鋼的晶粒。(2)生核劑中的元素能與液態(tài)金屬中的某元素形成較高熔點(diǎn)的穩(wěn)定化合物。通過反應(yīng)形成的這些化合物與欲細(xì)化相間具有界面共格對應(yīng)關(guān)系和較小的界面能。過共晶Al-Si合金中的初生Si變質(zhì)。變質(zhì)劑：P或P-Cu

變質(zhì)機(jī)理：Al+P=AlP(熔點(diǎn)：1600℃)AlP的晶格結(jié)構(gòu)和Si晶體均為金剛石型點(diǎn)陣晶格常數(shù)：AlP，54.5nm，Si，54.2nm25(3)通過在液相中造成很大的微區(qū)富集而造成結(jié)晶相通過非均質(zhì)形核而提前彌散析出的生核劑例：鑄鐵的孕育處理，在鐵水中加SiFe，由于SiFe中含有一定的Al、Ca等，

4Al+3(SiO2)=2Al2O3+3[Si]

[Si]在鐵水中富集，促進(jìn)該區(qū)碳的活度增加，有利于石墨形成。(4)含強(qiáng)成分過冷元素的生核劑。強(qiáng)成分過冷元素即為偏析系數(shù)大的元素，其作用主要有三個(gè)方面：

a.富集使枝晶產(chǎn)生縮頸——晶粒的游離；

b.強(qiáng)成分過冷也能強(qiáng)化界面前沿熔體內(nèi)部的非均質(zhì)形核；

c.強(qiáng)成分過冷元素的界面富集對晶體生長具有抑制作用，降低晶體生長速度，也使晶粒細(xì)化。26P-Cu合金27

大多數(shù)孕育劑的有效性均與其在液態(tài)金屬中的存在時(shí)間有關(guān)，即存在著隨著時(shí)間的延長，孕育效果減弱甚至消失的孕育衰退現(xiàn)象。因此，生核劑的作用效果還與孕育處理工藝密切相關(guān)。通常孕育處理溫度越高，孕育衰退越快。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度和具體的處理方法、液態(tài)金屬的體積等因素來選擇。2.

控制澆注條件(1)采用較低的澆注溫度生產(chǎn)實(shí)踐表明，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，尤其是導(dǎo)熱性較差的合金效果更為顯著。較低的澆注溫度有利于游離晶粒更多地殘存下來；熔體的過熱度小也易于產(chǎn)生較多的游離晶粒。這兩個(gè)方面均對等軸晶的形成和細(xì)化有利。28292．加強(qiáng)液體在澆注和凝固期間的流動游離晶體的產(chǎn)生與液態(tài)金屬的流動密切相關(guān)。凡是能夠增加液流對型壁的沖刷和促進(jìn)液態(tài)金屬內(nèi)部產(chǎn)生對流的澆注工藝均能擴(kuò)大并細(xì)化等軸晶區(qū)。圖不同澆注工藝鑄錠的宏觀組織中心頂注法靠近型壁（6孔）頂注法30313.鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)(1)鑄型激冷能力的影響。對于薄壁鑄件，激冷可以使整個(gè)斷面同時(shí)產(chǎn)生較大的過冷。鑄型蓄熱系數(shù)越大，整個(gè)熔體的生核能力越強(qiáng)。因此采用金屬型鑄造比采用砂型鑄造更易獲得細(xì)等軸晶的斷面組織。對于壁較厚或?qū)嵝暂^差的金屬，鑄型的激冷作用只產(chǎn)生于鑄件的表面層，相反在內(nèi)部易造成較大溫度梯度而促使形成柱狀晶。(2)液態(tài)金屬與鑄型表面的潤濕角。液態(tài)金屬與鑄型表面的潤濕性好，即接觸角小，在鑄型表面易于形成穩(wěn)定的凝固殼，有利于柱狀晶的形成與生長