铸件凝固组织的形成及控制

铸件凝固组织的形成及控制铸件内通常含有三个不同形态的晶区1、表面细晶区：紧靠铸型壁的激冷组织——激冷区。细小等轴晶。2、柱状晶区：垂直于型壁，彼此平行排列的柱状晶粒。3、内部等轴晶区：各向同性的等轴晶。尺寸比表面细晶区的粗大。表面激冷区较薄，仅几个晶粒厚，其余两晶区较厚。晶区数及厚度随合金成分和凝固条件而变。铸件性能由柱状晶区和等轴晶区的相对量决定，表面细晶区影响有限。第2页,共24页，2024年2月25日，星期天二、铸件宏观凝固组织的形成机理（一）表面细晶区的形成早期理论：型壁附近大过冷——大量生核、迅速长大并相互接触。后期理论：非均质形核+游离晶粒晶核

游离晶粒的产生：由于溶质再分配在生长的枝晶根部产生“缩颈”，在流动液态金属作用下枝晶熔断或型壁晶粒脱落而游离。（溶质偏析+流动有利）。第3页,共24页，2024年2月25日，星期天（二）柱状晶区的形成1、从表面细晶区形成并发展起来；2、稳定凝固壳形成后——单向热流——界面前沿晶粒以枝晶状延伸生长；3、主干与热流平行的枝晶生长更迅速；淘汰取向不利的晶体，成为柱状晶组织。第4页,共24页，2024年2月25日，星期天晶体的择优生长：互相竞争淘汰的晶体生长过程。控制柱状晶区继续发展的关键：内部等轴晶区的出现。穿晶组织：无内部等轴晶区，柱状晶区一直延伸到铸件中心，与对面型壁长出的柱状晶相遇。纯金属——铸态组织全为柱状晶。第5页,共24页，2024年2月25日，星期天（三）内部等轴晶区的形成成因：内部晶核自由生长。关于晶核来源及内部等轴晶区的形成过程的不同理论观点（4点）：1、过冷熔体非自发生核理论：成分过冷——生核、长大。2、激冷晶卷入理论：浇注时产生游离激冷晶——漂到型中心——未熔化——晶核。第6页,共24页，2024年2月25日，星期天3、型壁晶粒脱落和枝晶熔断理论：出发点：溶质再分配晶粒生长时——界面前方溶质富集——凝固点降低——晶体及枝晶根部最甚、生长被抑制——其它部位溶质易扩散走、生长速度快——产生“缩颈”现象——形成“细脖子晶”。第7页,共24页，2024年2月25日，星期天

在流体机械冲刷及热冲击对流作用下——在“缩颈”处易断、并脱落——晶粒游离。4、“结晶雨”游离理论：在液面产生过冷并形成晶核、长大成小晶体——小晶体或顶部凝固层脱落的分枝——降落——形成游离晶体。第8页,共24页，2024年2月25日，星期天两点注意（1）游离晶体增殖现象：游离晶在液流中漂移，不断受温度起伏和浓度起伏影响，表面处于反复局部熔化和反复生长状态——缩颈处断开——晶粒破碎——各自成为新游离晶。该过程为晶粒增殖。（2）四种理论都存在。不同条件起主导作用的理论不同，大多是几个机理综合作用。第9页,共24页，2024年2月25日，星期天第二节

铸件宏观凝固组织的控制

第10页,共24页，2024年2月25日，星期天一、铸件结晶组织对铸件性能的影响

表面细晶区比较薄，对铸件性能影响较小；柱状晶区和等轴晶区的宽度及两者比例、晶粒大小是决定铸件性能的主要因素。1、柱状晶（1）柱状晶为细长晶体，比较粗大，晶界面积较小，排列位向一致。（2）性能有方向性，纵向好；（3）杂质元素、非金属夹杂物和气体被排斥在界面前沿，分布在晶界，易形成热裂；随后的塑性加工易产生裂纹；

所以，通常不希望得到粗大柱状晶组织。第11页,共24页，2024年2月25日，星期天2、内部等轴晶（1）晶粒间位向各不相同，晶界面积大，偏析元素、非金属夹杂物和气体分散分布，性能均匀，无方向性——各向同性；（2）若内部等轴晶比较发达，缩松多，不致密，降低性能。细化晶粒可改善性能。第12页,共24页，2024年2月25日，星期天二、铸件宏观组织的控制途径和措施控制铸件的宏观组织就是控制铸件柱状晶区和等轴晶区的相对比例。通常希望铸件获得全部等轴晶组织——需要抑制柱状晶的产生和生长——通过创造有利于等轴晶形成的条件来达到——凡是有利于小晶粒的产生、游离、漂移、沉积、增殖的各种因素和措施均有利于扩大等轴晶区的范围，抑制柱状晶区的形成与发展，并细化等轴晶组织。第13页,共24页，2024年2月25日，星期天具体措施

（一）向熔体加入强生核剂——孕育处理控制金属和合金铸态组织的重要方法之一是控制形核。生产中主要采用孕育处理的方法，强化非均质形核。孕育处理：向液态金属中添加生核剂，影响生核过程、增加晶核数，达到细化晶粒的目的，叫孕育处理。该生核剂也称孕育剂。（类似概念）变质处理：向金属液加入某些微量物质以影响晶体的生长机理，达到改变组织结构，提高机械性能的目的，该处理工艺称为变质处理。孕育与变质的区别：孕育主要影响生核过程，增加晶核数实现细化晶粒；变质主要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。

第14页,共24页，2024年2月25日，星期天影响孕育效果的因素：（1）自身因素；（2）孕育处理工艺。

1）温度越高，孕育衰退越快——在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应采用较低的孕育处理温度。

2）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。

孕育衰退现象：随时间的延长，孕育效果减弱甚至消失，这种现象称为孕育衰退现象。大多数孕育剂（生核剂）都有衰退现象。第15页,共24页，2024年2月25日，星期天生核剂分类

1、直接作为外加晶核的生核剂该类生核剂具备的条件：（1）与欲细化相具有界面共格对应关系；（2）高熔点的物质或同类金属、非金属碎粒；（3）与欲细化相间界面能较小、润湿角小；（4）能直接作为有效衬底促进非自发生核。如：高锰钢——加锰铁——细化奥氏体组织；铸铁——加石墨粉——增加石墨数量、降低尺寸。第16页,共24页，2024年2月25日，星期天2、生核剂中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这些化合物与欲细化相具有界面共格对应关系和较小界面能。如：钢——加含V、Ti的生核剂——形成含V、Ti的的碳化物或氮化物——促进非均质生核——细化晶粒。过共晶Al—Si合金——加含P生核剂——形成磷化物、使初晶硅细化。

第17页,共24页，2024年2月25日，星期天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如，把硅加入铁液瞬时形成很多富硅区——形成局部过共晶成分——使石墨提前析出。而硅的脱氧产物SiO2及某些微量元素形成的化合物可作为石墨析出的有效衬底而促进非均质生核。第18页,共24页，2024年2月25日，星期天4、含强成分过冷元素的生核剂强成分过冷元素：偏析系数1-k0绝对值大的元素。含强成分过冷元素的生核剂的作用：（1）通过在生长的固液界面前沿富集使晶粒根部或树枝晶分枝根部产生细弱缩颈，在熔体流动及冲击下产生晶粒游离。——增加生核率和晶粒数；（2）产生的强成分过冷也能强化界面前沿熔体内部的非均质形核。——增加生核率和晶粒数；（3）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。——抑制生长。第19页,共24页，2024年2月25日，星期天良好的晶粒细化剂应该具有的特性：（1）含有非常稳定的异质固相颗粒，这些颗粒不易溶解；（2）异质固相颗粒与固相之间存在良好的晶格匹配关系，从而获得很小的润湿角；（3）异质固相颗粒非常细小，高度弥散，既能起非均质形核的作用，又不影响合金的性能；（4）不带入任何影响合金性能的有害元素。第20页,共24页，2024年2月25日，星期天（二）控制浇注条件

1、采用较低的浇注温度试验及生产实践表明，降低浇注温度是减小柱状晶、获得细等轴晶的有效措施之一。低温浇注的作用：（1）有利于游离晶及自由表面的晶粒雨更多地残存下来，减少被重新熔化的数量；（2）过热度小——易产生较多的游离晶粒。但浇注温度不能过低，否则流动性降低——产生浇不足、冷隔、夹杂等。最好通过试验确定合适的浇注温度。第21页,共24页，2024年2月25日，星期天2、采用合适的浇注工艺

等轴晶来源于激冷游离晶，游离晶与液态金属流动密切相关。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。第22页,共24页，2024年2月25日，星期天3、铸型性质和铸件结构（1）铸型激冷能力的影响薄壁件：激冷——整个断面同时产生较大过冷；型蓄热系数越大——整个熔体生核能力越强。所以，金属型比砂型更易获细等轴晶。第23页,共24页，2024年2月25日，星期天

铸件较厚或铸型导热性较差时：激冷——只作