铸锭组织形成机理及在生产中应用

1、铸锭组织形成机理及在生产中应用铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。 凝固之后，这些锭（或棒料、板坯或方坯，根据容器而定）被进一步机械 加工成多种新的形状。在实际生产中，液态金属是在铸锭模或铸型中凝固的，前者得到铸锭， 后者得到铸件。虽然它们的结晶过程遵循着结晶的普遍规律，但是由于铸 锭或铸件冷却条件的复杂性，因而给铸件组织带来很多特点。对铸件来说， 铸态组织直接影响到它的力学性能和使用寿命；对铸锭来说，铸态组织 不但影响到它的压力加工性能，而且还影响到压力加工后的金属制品的组 织和性能。因此，应该，应该了解铸锭或铸件的组织及其形成规律，并设 法改善铸锭或铸件的组织。1

2、铸锭的分类1.1静态铸锭静态铸锭仅是单纯将熔化的金属倒入永久 的铸模中凝固后，将铸锭从铸模中抽出，铸模可以再次使用。每年用这种 方法生产出数以百万吨的钢。1.2半连续铸锭半连续铸锭工艺在铝工业中用于制造大多数的铸造合 金，由这些合金加工出棒料、薄板、板条和板材的形状。在这一工艺中， 熔化的铝被传送到一个由水冷却的永久铸模中，在铸模的长活塞上装有活 动底座。在铸模表面进一步凝固而形成一层坚硬的“皮”之后，活塞向下 运动，更多的金属连续填入容器中。最后，活塞运动至全长，过程停止。 铝工业中常规的方法是利用适当润滑的金属铸模。然而，工艺的改进已经 允许主要的铝合金生产者用一种电磁场取代（至少部分取代

3、）金属铸模以 使熔化的金属仅仅短暂地接触到金属铸模，因此与传统方法相比可以生产 出光洁度更高的产品。1.3连续铸锭连续铸锭为钢和铜工业提供了主要的铸材资源，而且在 铝工业中增长迅速。在这一工艺中，熔化的金属被送到一个永久铸模中， 铸造开始时与半连续铸造极为相似。然而，该过程不是在一定时间后停止， 凝固的铸锭被连续剪成或切成一定长度并且在铸造过程中被运走。因此， 该过程是连续的，凝固的棒料或板条像铸造一样被迅速运走。与传统铸造 工艺相比这一方法有许多经济优势；因此，所有的现代钢厂都生产连续 铸造的产品。2铸锭组织形成机理金属的铸态组织包括：铸态组织包括晶粒的大小、 形状和取向，合金元素和杂质的分

4、布以及铸锭中的缺陷如缩孔、气孔等等。 因此应该了解铸锭或铸件的组织及其形成规律，并设法改善铸锭或铸件的 组织对铸件来说，铸态组织直接影响到它的机械性能和使用寿命；对铸 锭来说，铸态组织不但影响到它的压力加工性能，而且还影响到压力加工 后的金属制品的组织及性能。2.1铸锭三晶区的形成纯金属铸锭的宏观组织通常由三个晶区所组成， 即外表层的细品区，中间的柱状晶区和心部的等轴晶区。（1）表层细晶区表层细晶区或激冷层的形成： 当高温的金属液体 倒入铸型后，结晶首先从型壁处开始。这是由于温度较低的模壁有强烈地 吸热和散热作用，使靠近型壁的一薄层液体产生极大地过冷，加上模壁可 以作为非均匀形核的基底，因此在

5、此一薄层液体中立即产生大量的晶核， 并同时向各个方向生长。由于晶核数目很多，故邻近的晶粒很快彼此相遇， 不能继续生长，这样便在靠近模壁处形成一很细的薄层等轴晶粒区。表层细晶区的形核率和厚度决定于下列因素：1.模壁的形核能力以 及模壁处所能达到的过冷度大小，后者主要依赖于铸型的表面温度、铸型 的热传导能力和浇注温度等因素。如果铸型的表面温度低，热传导能力好，以及浇注温度较低的话， 便可以获得较大的过冷度，从而使形核率增加，细晶区的厚度即可增大。相反，如果浇注温度高，铸锭模的散热能力小而使其温度很快升高 的活，就可大大降低晶核数目，细品区的厚度也要减小。(2)柱状晶区： 柱状晶区由垂直于模壁的粗大

6、的柱状晶所构成。 在表层细晶区形成的同时，一方面模壁的温度由于被液态金属加热而迅速 升高，另一方面由于金属凝固后的收缩，使细晶区和型壁脱离，形成一空 气层，给液态金属的继续散热造成困难。此外，细品区的形成还释放出了 大量的结晶潜热，也使型壁的温度升离，上述种种原因均使液态金属冷却 减慢，温度梯度变得平缓，这时开始形成柱状晶区。这时开始形成柱状晶区这是因为：尽管在结晶前沿液体中有适当的过 冷度，这一过冷度很小，使之不能生成新的晶核，但它有利于细晶区靠近 液相的某些小晶粒的继续长大，而离柱状品前沿稍远处的液态金属尚处于 过热之中，无法另行生核，因此结晶主要靠晶粒的继续长大来进行。l垂直于型壁方向散

7、热最快，因而晶体沿其相反方向择优生长成柱状 晶。晶体的长大速度是各向异性的，一次轴方向长大速度最大，但是由于 散热条件的影响，因此只有那些一次晶轴垂直于型壁的晶粒长大速度最快， 迅速地优先长入液体中，由于这些优先成长的晶粒并排向液体中生长，侧 面受到彼此的限制而不能侧向生长，只能沿散热方向生长，结果便形成了 柱状晶区。穿晶组织以及穿晶组织的4个形成条件：1.如果已结晶的固相的导 热性好2.散热速度很快3.始终能保待定向散热4.并且在柱状晶前沿的液 体中没有新形成的晶粒阻挡5.那么柱状晶就可以一直长大到铸锭中心， 直到与其它柱状晶相遇而止，这种铸锭组织称为穿晶组织。柱状晶区组织性能特点：1.组织

8、致密：在柱状晶区中，晶粒彼此间 的界面比较平直，气泡缩孔很小，所以组织比较致密。2.柱间晶界或弱面：（3）中心等轴晶区中心等轴晶区的形成：l随存柱状晶的发展，经过散热，铸锭中心部分的液态金腐全部降至熔点以 下，再加上液态金属中杂质等因素的作用，满足了形核对过冷度的要求， 于是在整个剩余液体中同时形核。由于此时的散热已经失去了方向性，晶 核在液体中可以自由生长，在各个方向上的长大速度差不多相等，因此即 长成了等轴晶。当它们长到与柱状品相遇，全部液体凝固完毕后，即形成 明显的中心等轴晶区。中心等轴晶区与柱状晶区相比1.等轴晶区的各个晶粒在长大时彼此 交叉，枝杈间的搭接牢固，裂纹不易扩展2.不存在明

9、显的弱面； 3. 各晶粒的取向各不相同，其性能也没有方向性。这是等轴晶区的优点。但其缺点是等轴晶的树枝状晶体比较发达，分枝较多，因此显微缩 孔较多，组织不够致密。但显微缩孔一般均未氧化，因此铸锭经过热压力 加工之后，一般均可焊合，对性能影响不大。2.2三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点： 形成原因：1） 表层细晶区：低温模壁强烈地吸热和散热，使靠近模壁的薄层液体产生极 大地过冷， 形成原因 形成原 模壁又可作为非均匀形核的基底，在此 一薄层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长。晶核数目 多，晶核很快彼此相遇，不能继续生长，在靠近模壁处形成薄层很细的等 轴晶粒区。2）柱状晶区：模壁温

10、度升高导致温度梯度变得平缓； 过 冷度小，不能生成新晶核，但利于细晶区靠近液 相的某些小晶粒长 大； 远离界面的液态金属过热，不能形核； 垂直于模壁方向散热最快， 晶体择优生长。3）中心等轴晶区：柱状晶长到一定程度后，铸锭中部 开始形核长大-中部液体温度大致是均匀的，每个晶粒的成长在各方向上接近一致，形成等轴晶。性能特点：1）表层细晶区：组织致密，力学性能好；2）柱状晶区：组织较致密，存在弱面，力学性 能有方向性；3）中心等轴晶区：各晶粒枝杈搭接牢固，无弱面，力学性能无方向性。3铸锭组织的控制3.1铸锭典型的组织铸锭的宏观组织通常由：（1） 激冷区（2）柱状晶区（3）等轴晶区铸锭典型的组织（1

11、 ）激冷区的形成金 属熔体浇入铸模时，与模壁接触的一层金属熔体受到强烈的激冷，产生较 大的过冷度，同时，熔体的对流（浇铸时的动量对流、温度引起的热对流、 以及由对流引起的温度起伏，均能使模壁上形成的晶粒脱落和游离，晶核 具有增殖效应。（2）柱状经晶区的形成与散热方向平行的晶粒优先长大，而与散热方 向不平行的晶粒则被压抑。优先生长的晶粒最后单向生长，并互相接触而 形成柱状晶区。可见，柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。柱状晶形成示意图3.2等轴晶区的形成（a）表面细等轴晶的游离晶 核对流示意图（b）枝晶的熔断及游离（c）液面或凝壳上晶体的沉积晶体 沉积形成等轴晶示意图3.3铸态组织对性能

12、的影响晶粒细化是晶界强化的 重要机制，可显著提高铝材的力学性能和塑性变形能力，是改善铝材质量 的重要途径。（1）正常组织对铸锭性能的影响正常铸锭组织通常指铸锭的宏观组 织： （a）激冷区（b）柱状晶区（c）等轴晶区柱状晶对铸锭性能的影 响最大，柱状晶的粗大特点和方向性，以及柱状晶区边界的存在低熔点共 晶和夹杂物、气孔等缺陷，所以，柱状晶及附近区域的机械性能较低，在 塑性成形能力差，后续加工过程中出现表面缺陷，还可能导致热裂的产生。（2）异常组织对铸锭性能的影响铸锭中除上述常见的等铀晶和柱状晶 组织外，有时还会出现一些异常的晶粒组织，给铸锭的性能带来不良影响。异常组织包括： （a）表层粗大晶粒组

13、织（结晶器与金属熔体接触 不良） （b）浮游晶粒组织（指在正常柱状晶区和等轴晶区的粗大晶粒 组织，它是优先形核长大的初晶，主要是在低过冷度条件下，是初晶异常 长大形成的）（c）粗大金属间化合物组织（形成原因与悬浮晶基本相同，是金属间化合物异常长大的结果，其形态多呈块状、片状或针状，不 均勺地分布于基体中，一般硬脆，降低铸锭的塑性，加工时不易变形，使 加工制品分层或开裂）（d）羽毛状晶粒组织（在铝合金的连续铸锭中，呈现羽毛状形态，宏观上成群分布。微观上，由许多明暗相间、相互平行 的羽毛状晶组成，羽毛状晶择优取向的挛晶其组织具有效强的各向异性， 降低铸锭的力学性能和加上性能。羽毛状晶组织3.4不同

14、材料和不同条件晶区的控制1电磁搅拌；电磁搅拌对控制晶区的影响，通过对AL-Cu未经电磁搅拌的试样边缘处铜含 量明显较中心处高，属于逆偏析。在小尺寸试样中，溶质元素的偏析情况是 由合金元素的扩散和补缩流动两个过程控制。当扩散溶质通量小于补缩液 流的溶质通量时，合金元素将发生逆偏析施加电磁搅拌后，温度梯度变小， 两相区扩大，补缩液流通量随之增大，定向凝固倾向被削弱,促进了铸锭以 等轴晶的方式进行凝固，逆偏析受到抑制凝固过程中施加电磁搅拌,能明显 细化晶粒，增加等轴晶区宽度。凝固过程中施加电磁搅拌，能减轻铸锭中的 疏松。凝固过程中施加电磁搅拌，能抑制铝合金铸锭中铜的逆偏析。2无氟渣重熔铸锭的各种凝固

15、变量，从铸锭表层至中心的变化幅度稍 大于高氟渣重熔铸淀的。由于无氟渣重熔渣池有效电阻高，熔速快,熔池深 度及两相区厚度变化大所造成的。采用大充填比配合无氟渣电渣重熔，可 望熔池达扁平,二次晶轴间距更为均匀，可进一步提高显微组织的均匀性无 氟渣电渣重熔可细化晶粒。3对NdFeB合金的铸造方法。通过对NdFeB合金铸锭微观组织的观察 通过金相组织分析,认为铸态组织由主相Nd2Fe14B、晶间的富钕相和少量 的a-Fe组成。Nd2Fe14B相沿垂直于铸锭底部生长成片状晶，片的厚度约 10m30m,宽度约28m54m,长度约0.04mm1.08mmNd2Fe14B采用均匀退 火的方式。消除铸态组织中软

16、磁性相a-Fe,使组织均匀化，通过实验测定 NdFeB铸锭经050C、24h均匀化退火后，某射线在某些角度处的衍射峰明 显加强，衍射强度最大到约190,峰宽减小，峰顶尖锐,说明退火后，晶面的 各向异性更加明显。经退火后，a-Fe基本消除,片状晶变为等轴晶并粗化。4结束语由于铸锭或铸件冷却条件的复杂性，因而给铸件组织带来很 多特点。对铸件来说，铸态组织直接影响到它的力学性能和使用寿 命； 对铸锭来说，铸态组织不但影响到它的压力加工性能，而且还影响 到压力加工后的金属制品的组织和性能。为了改善铸锭组织，需要提高液 态金属中的形核率，限制柱状晶的发展，细化晶粒，则铸件的性能得到提 高，使铸件在实际生活中得到广泛的应用。参考文献1超声波振动处理时间对铸锭组织的影响，李军文，铸造技术, 2004,25 2电磁搅拌对铸锭凝固组织