第五章 铸件宏观组织与控制.ppt

第五章铸件和焊接宏组织及其控制，第一章铸件和焊接宏组织及其控制，第五章铸件和焊接宏组织及其控制，第二，第一节铸件的宏观组织第二节表面冷却区域和柱状晶区形成第三节内部等轴晶体形成机制第四节铸件的宏观决策组织控制第五节焊缝熔池凝固和控制，第五章铸件和焊接宏组织及其控制，第三章圆周决定区域中的粒子垂直于类型墙排列，并平行于热流方向。内部等轴晶体区域的粒子较大。第5章铸件和焊接宏组织及其控制，4，图5-1不同类型铸造宏组织图(a)仅柱状晶；(b)表面微等轴测定和圆周测定；(c)有三个决定领域。(d)等轴测，第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，5，在大多数工业应用中，铸件的宏观组织希望得到等轴测精细颗粒组织。为此，必须创造抑制晶体柱状生长的条件，促进内部等轴晶体的形成和等轴结晶。裂缝可以沿晶界轻易扩张，尤其是溶质和杂质分离的时候。柱状晶体的溶质和杂质聚集严重，强度、塑性、韧性大幅下降到柱状晶体的横向方向，容易成为对热分解敏感、集中在腐蚀介质上的腐蚀通道。柱状晶以各向异性为特征，如果强调单方向性能，例如磁性材料、发动机和螺旋纸浆叶片，则使用定向凝固获得所有柱状晶的部件反而更有利。如何从技术上有效地控制铸件的宏观组织是非常重要的。因此，有必要学习各决策领域组织的形成机制。第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，第六，第二节表面冷却区和柱状晶区的形成，第一，表面冷却区的形成，第二，柱状晶区的形成，第五章铸件和焊缝宏观组织及其控制，第七，第一，表面冷却区的形成，类型壁附近熔体由于强烈的刺激，大过冷，大这些晶核在过冷熔体中以枝晶方式生长，因为结晶潜热可以由有形壁或过冷熔体分散，形成无方向性的表面微等轴组织。一旦类型壁附近的冲模相互连接，形成稳定的凝固壳体，凝固由外部生长转化为柱状晶区，表面冷却颗粒区不再发展。因此，稳定的凝固壳体形成得越早，表面微粒区域转换到圆周晶区域的速度越快，表面冷却区域变得越窄。第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，8，2，柱状晶区的形成，形成稳定的凝固壳体，柱状晶从表面的微小等轴晶凝固层部分晶粒直接由基板向内生长，从向外生长的柱状晶区发展。枝晶的主要方向和热流方向平行的枝晶生长得很快。柱状晶区开始于稳定凝固壳体的生成，结束于内部等轴晶区的形成。因此，圆周决定区域的存在与否和宽度取决于这两个因素的复合作用结果。凝固初期，等轴结晶核在内部生成时，圆周晶体的形成受到有效抑制。柱状晶生长过程的动态演示，第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，第九章柱状晶生长过程的动态演示，第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，第十，第三节内部等轴晶的形成机制，第一，“成分与冷却”理论2，冷却等轴晶壁下落和自由理论3，枝晶断裂和自由理论3 “成分过冷”理论认为，随着固体层向内进行，固相散热能力逐渐减弱，内部温度梯度平缓，液体中溶质原子越来越丰富，界面电成分的过冷度逐渐增加。 成分过冷度大到发生异种生核的程度，形成内部等轴晶体。，第五章铸件和焊接宏观组织及其控制，12，a)7500C水淬，摇动b)坩埚中不锈钢筛网盆本笃美实验，第五章铸件和焊接宏观组织及其控制，13，2，冷却等轴晶壁剥离和自由理论，注入过程和凝固早期冷却，等轴测定，第五章铸件和焊接宏观组织和控制，14，图5-5壁形成的冷却晶体铸件内部自由a)晶体密度小于熔体；b)如果晶体密度大于熔体，为什么纯金属很少得到等轴晶体，而溶质浓度大的合金很容易得到等轴晶体？第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，15，由于溶质的分离，在与成形壁的相遇中，晶体容易产生“颈”，具有“颈”的晶体很难沿着成形壁方向连接到相邻的晶体，形成凝固的壳，同时，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易洗掉“颈”，使晶体消失。图5-6晶体和类型壁相接的“颈”是晶体，5章铸件和焊接宏组织及其控制，16，图5-7自由晶体生长，局部熔化和增殖，5章铸件和焊接宏组织及其控制，17，3，枝晶破裂和结晶油理论，生长就像通过液面冷却产生的结晶雨一样，在柱状晶区前的液体沉积过程中，也会发生熔化和增殖，这是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要“结晶比”理论。第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，18，目前比较统一的看法是，内部等轴晶区的形成可能会有多种作用。在一种情况下，这种机制可能是优势的；在另一种情况下，其他机制可能起作用，或多个机制复合作用；各自的作用大小可能由特定的凝固条件决定。第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，第19，4，单等轴晶体形成过程的动态演示，各向同性，多向生长各向异性，四向生长各向异性，六向生长各向异性，双核增长，第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，第20，第四节铸件的宏观晶体组织控制，思想加强熔体的独立生核，有助于结晶自由和自由结晶的残留和增殖的各种因素，抑制柱状晶区的形成和发展，扩大等轴晶区的范围，细化等轴晶组织。第5章铸造和焊接宏的组织和控制，21，1，合理控制铸造工艺和冷却条件2，接种处理3，动态精炼，第5章铸造和焊接宏的组织和控制，22，合理铸造工艺冷却条件的控制，第5章铸造和焊接宏的组织和控制，23，合理铸造工艺，铸造温度的注入方法但是，过低的浇注温度会降低液态金属的流动性，导致像加油或制冷症这样的缺陷。通过改变浇注方式，加强对流壁冷却晶体的冲刷效果，可以有效地促进细等轴晶体的形成。但是要注意，不要因此介入大量气体和夹杂物，造成铸件相应的缺陷。，第5章铸件和焊接宏组织及其控制，24，模具中间铸件单孔浇注壁6孔注入，图5-8其他铸造方法包括不同铸件凝固组织，第5章铸件和焊接宏组织及其控制，25，低温铸造，水流冷却斜板注入方法，第5章铸件和小温度梯度GL和高冷却速度r可以满足上述要求。但是在铸件的冷却能力上，除了薄壁铸件，两者都不能使用。对于薄壁铸件，可以使用高温存储，快速传热能力。对于厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸件，以确保等轴晶体的形成，用其他颗粒精整措施进行补充，取得满意的结果。悬浮浇注方法可同时满足小GL和高r的要求。第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，27，悬浮铸造法是浇注过程中向金属液中添加一定量的固体金属颗粒，改变金属液凝固过程，精炼组织，减少分离主义，减少铸造应力的一个工序。引进悬浮浇注涡流铸造系统、料斗、离心集液包、直接注入通道、第5章铸件和焊接宏组织及其控制，28、悬浮浇注方法的特点，1)显着细化铸造组织，提高机械性能，提高铸件厚度大断面机械性能均匀性；2)减少凝固收缩，将riser卡减少15%到35%。3)减少收缩，提高铸件的致密性。4)减少铸造应力，减少铸件热裂倾向。5)改进宏分离；6)提高凝固速度，提高模具加热状态。7)可以合金化铸造工艺。第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，29，技术原理：通过添加金属颗粒和金属液的物理化学、结晶学及热作用，强制金属液生核，改变铸件中金属液的温度分布，改变金属凝固方法。适用范围：各种铸钢件、铸铁零件和非铁合金零件。不需要特殊设备，只需要简单的辅助工具。第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，30，2，接种处理，接种处理是在浇注前或浇注过程中向液态金属添加少量物质，以精炼模具，改善宏观组织目的的工艺方法。接种主要影响生核过程，促进晶粒细化的自由粒子。变性改变晶体的生长机制，影响晶体形态。变质成为改变共晶合金非金属相结晶形态的重要应用，等轴晶组织的获取和细化采用孕育方法。第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制、31、接种机制的两种观点，主要是孕育非自愿的核作用，富集生长界面前端的前端组件，在晶根和茄子的根部收缩颈部，促进枝晶地毯和自由、晶粒细化。接种第五章铸件和焊接纱布及控制，第五章铸件和焊接宏观组织及其控制，第33章，妊娠减少(接种效果逐渐减弱)，接种物添加后因输液而大面积富集，结果阶段初期分散析出和生成核，第五章铸件和焊接纱布及其控制，第五章铸件和焊接宏观组织及其控制，以及接种期间，作为婶婶制，中间合金的特定成分完成熔化过程，或与合金液反应，产生化合物并起到精炼作用的异质固相粒子均匀分布，与合金液体充分润湿，逐渐达到最佳精炼。铸造在优化效果达到最高值时最理想，合金熔体温度和接种种类不同，达到最佳优化效果所需的时间也不同。几乎所有的受孕药在受孕处理后的一段时间内都会出现受孕症状，所以接种效果不仅与受孕药本身紧密联系，还与接种处理过程紧密联系。一般处理温度越高，孕育减少速度越快，应以确保接种剂均匀分散为前提，将处理温度最小化。应根据接种剂的粒度处理温度、皮处理合金液量、具体处理方法进行选择。第五章铸件和焊接宏观组织及其控制，34，3，动态精炼，1。铸造振动2。超声振动3。液体混合4。流变性铸造，第五章铸件和焊接宏观组织及其控制，35，1。铸造振动，凝固过程中振动铸造可实现液和固相的相对运动，形成结晶芯。在离心力铸造中，通过改变旋转方向，可以得到小的等角晶粒，这说明了液相及固相发生的相对运动所产生的微晶粒效应。振动还会引起有助于树突的局部温度波动。振动铸造能促进“水晶雨”的形成。立式离心铸造机，第5章铸件和焊接宏组织及其控制，36，2。超声波振动，超声波振动可以在液体中产生空化，形成缝隙，当这些缝隙碰撞时液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。压力增加时，凝固合金的熔点温度也增加，提高凝固过冷度，几何芯比增加，使晶粒细化。第五章铸件和焊接宏观经济及其控制，37，3。液体混合、机械搅拌、电磁搅拌或气泡混合都可以引起液体相对固体的运动，引起树突的破坏、破碎和增殖，达到晶粒细化的目的。连铸过程电磁搅拌的主要作用是提高连铸板坯的质量，如消除夹杂、去除皮下气泡、减少中心分离、提高连铸板坯等。电磁搅拌技术在铸件横截面大的坯料和铸件质量要求高的情况下优先采用。第五章铸件和焊接宏观经济及其控制，38，4。流变铸造，流变铸造也称为半固态铸造，这种方法是在液态金属凝固50%到60%时在氩气保护下高速搅拌，使金属变成半固态浆料，将半固态浆料凝固成坯料或挤压成铸件凝固成型。其固体晶体随着搅拌速度的增加，进行细微、圆形，机械性能显着提高。这个小圆半固态金属浆料流动性好，容易成型。由于温度远低于液相线温度，因此，对于黑色金属压铸，可以大大降低金属对压铸的热冲击，增加压铸模具的寿命，扩大黑色压铸金属的应用范围。第五章铸件和焊缝的宏观组织和控制，第39章，传统铸件a)和流变学铸件b)的微观结构，第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，第40，第5节熔池的凝固和控制，第1章熔池的凝固条件2，熔池的结晶特性3，熔池的结晶微观结构，第5章铸件熔池金属体积小，冷却快，典型弧焊条件下熔池的最大尺寸不超过30cm3，只有100g由于周围由冷金属包围，熔池的冷却速度非常大，通常达到4 100/s，远远高于普通铸件的冷却速度。冷却速度快，温度梯度大，焊接中的柱状晶充分发展。这也是高碳、高合金钢及铸铁材料焊接性下降的主要原因之一。第五章铸件和焊接宏观经济及其控制，43，2。由于温差大，过热温度高，熔池金属的其他区域加热和冷却速度快，熔池中心和边缘具有较大的温度梯度。例如，对于弧焊低碳钢或低合金钢，熔池中心温度最高为2100 2300 ，熔池后表面温度约为1600 ，熔池平均温度为1700100 。过热温度高，非自愿核的原生质点大幅减少，引发了焊接柱状晶的发展。，第五章铸件和焊接宏观组织及其控制，44，3。动态凝固过程，热源移动方向前端的母料与熔池转换后的熔焊材料一起被弧吹力对流到熔池后面。热源离开后，熔池后面的液态金属立即开始凝固。因此，凝固过程是连续的，并与熔池一起进行。第五章铸件及焊接宏观经济和控制，45，4。液态金属有很多复杂的力量，如对流剧烈对流、熔池、电弧机械力、电磁力和液态金属的密度差异，可以在熔池金属中产生强搅拌和对流，熔池上部的方向通常是从熔池头流向尾部，但熔池底部的流动相反，有助于熔池金属成分分布的均匀化和纯度。第五章铸件和焊缝的宏观组织及其控制，46，2，熔池结晶特性，同时结晶柱状晶生长方向和速度的变化熔池凝固