铸锭晶粒组织及其细化课件

第六章铸锭晶粒组织及其细化6.1铸锭正常晶粒组织6.2铸锭异常晶粒组织6.3晶粒细化技术6.1铸锭正常晶粒组织铁模铸锭的晶粒组织常由三个区域组成：表面细等轴晶区（激冷晶区）柱状晶区中心等轴晶区2图6-1具有三个晶区的铸锭晶粒组织示意图6.1铸锭正常晶粒组织并非所有铸锭晶粒组织都是由上述三个晶区组成的。如在不锈钢铸锭中，往往全部是柱状晶，没有中心等轴晶区，而经细化处理的铝合金铸锭中，往往全部为等轴晶，没有柱状晶区。即使铸锭具有上述三种晶区，但各自的宽窄也会因合金、铸锭方法和工艺的不问而不同。在同一铸锭条件下，纯金属多形成柱状晶，合金则常形成粗等轴品。对于同一合金，用冷却强度大的连铸方法，易于形成细长柱状晶，用铁模铸锭时可得到粗等轴晶或柱状晶。36.1.1表面细等轴晶区的形成传统的理论认为，当过热金属浇入锭模时，与模壁接触的一层液体受到强烈激冷，产生极大过冷，并由于模壁的形核作用，因而在模壁附近的过冷液体中大量生核，并同时生长成柱状细等轴晶。液体金属的对流对表面细等轴晶区的形成有决定性的影响。浇注时流柱引起的动量对流，液体内外温差引起的热对流，以及由对流引起的温度起伏，均可促使模壁上形成的晶核粒脱落和游离，增加凝固区内的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。但是，如果无对流，即使有强烈的激冷，也不一定形成细等轴晶区。46.1.1表面细等轴晶区的形成表面细等轴区的宽窄与浇注工艺、模温及模壁的导热能力、合金成分等因素有关。浇温高，显热的散失使模温迅速升高，形成稳定晶核数减少。脱离模壁的晶粒少或易于被完全重溶，因而表面等轴晶区窄。当模壁激冷作用过强时，细等轴晶区也变窄甚至消失。合金中元素含量较高时，晶粒或枝晶根部易形成缩刭而游离，细等轴晶区变宽。56.1.2柱状晶区的形成在表面细等轴晶区内，生长方向（立方金属为<100>）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。使愈往铸锭内部晶粒数目愈少，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。如图6-2。柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。固／液界面前沿温度梯度大，凝固区窄，从界面上脱落的枝晶易于被完全熔比。66.1.2柱状晶区的形成7柱状晶区的影响因素8凡能阻止晶体脱离模壁和在固／液界面前沿形核的因素，均有利于扩大柱状晶区。如模壁导热性好，激冷作用强，易形成稳定的凝壳，则柱状晶发达。合金化程度低，溶质偏斩系数小，成分过冷弱，晶拉或枝晶根部不易形成缩颈而被熔断，也较易于获得挂状晶。柱状晶区的影响因素9提高浇温游离晶重熔的可能性增大，故有利于扩大柱状晶区，见图6－3a。但浇温提高延长了形成稳定凝壳的时间，温度起伏大，故也有利于等轴晶的形成。所以，随着挠温的提高柱状晶区变宽，等轴晶极大，如图6—4所示。(6-4)(6-3a)柱状晶区的影响因素合金凝固时，由于熔质偏析产生成分过冷，促进晶体根部颈缩及脱落，使固/液界面的前沿晶核增殖，不利于获得柱状晶，故随合金含量提高．柱状晶区变窄，见图6－3b

。10柱状晶区的影响因素合金凝固时，如在固/液界面前沿能始终保持较大的温度梯度，则柱状晶区可延伸至铸锭中心，直至与由对面模壁生长过来的柱状晶相遇为止，如图6-5。11金属液内对流的影响：对流的冲刷作用以及对流造成的温度起伏，会促使晶体脱落及游离，利于等铀晶的形成。反之，如能抑制金属液内的对流，则可促进柱状晶的形成。施加稳定磁场，可消弱或抑制金属液内部的对流，阻止晶体的游离，有利于得到柱状晶；沿一个方向恒速旋转锭模；定向凝固，关键是保证单向导热，保持较大的温度梯度和较小的凝固速度。12金属液内对流的影响：柱状晶的加工性能较差，因此用于加工变形的铸锭，应减少柱状晶。136.1.3中心等轴晶区的形成等轴晶晶核的来源均质生核形成中心等轴晶区：中心等轴晶区是在柱状晶区包围的残余液体中，同时过冷生核而形成的。从热力学观点看，均质生核需要较大的过冷度，这在一般铸锭条件下是难以满足的。因此，均质生接形成中心等驯品区的观点早已被否定。成分过冷引起中心非均质生核：当出现成分过冷时，由于固/液界面处过冷度最小，柱状晶生长被抑制，而界面前沿过冷度较大的地方，利于非均质生核而形成等轴晶区。146.1.3中心等轴晶区的形成公认的形成中心等轴晶区的方式有三种，即：表面细等轴晶的游离；枝晶的熔断及游离；波面或凝完L晶体的沉积。凝固初期在模劈附近形成的晶体，由于其比重大于或小于液体比重，也会产生对流，晶体被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。156.1.3中心等轴晶区的形成表面细等轴晶的游离166.1.3中心等轴晶区的形成17需要指出的是，凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其比重大于或小于液体比重，也会产生对流(图6－6)，晶体被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。枝晶的熔断及游离18

上图所示，枝晶长大时，在其周围会形成溶质偏析层，因而抑制枝晶生长；由于此偏析层很薄，枝晶一旦穿过该偏析层，就会迅速生长变粗，在偏析层内留下缩颈。这种带缩颈的枝晶，在对流作用下易被熔断，其碎块游离至铸锭中心，在温度较低的情况下，长成为中心等轴晶。枝晶的熔断及游离19枝晶的熔断及游离枝晶熔断现象在无对流的情况下也可发生。由于杖晶缩颈处表面张力大，熔点较低，在固／液两相共存温度下保温，该处有可能被熔断，此即等温粗化模型2所示情况(见图5－9)。此外，强烈过冷形成的细小枝晶，在结晶潜热作用下，将会被熔断而形成极细小的粒状晶。在上述两种情况下，如有对流存在，则更易形成等轴晶。20枝晶的熔断及游离21枝晶根部形成缩颈后逐渐熔化及游离。晶体沉积形成中心等轴晶区的过程在浇注和凝固过程中，形成的大量晶体在对流作用下，沿模壁下沉（a），其中部分晶体由于模壁的冷却，积聚在模壁上形成表面细等轴晶；部分晶体由于对流作用被卷向铸锭中部，悬浮在液体中。随着温度的降低，对流的减弱，沉积于铸锭下部的晶体越来越多；22晶体沉积形成中心等轴晶区的过程与此同时，表面细等轴晶通过竞争生长形成柱状晶区（b）；23晶体沉积形成中心等轴晶区的过程中部晶体不断长大形成中心等轴晶区。当它与由外向里生长的柱状晶相遇时，凝固过程结束，形成具有三个晶区的组织（c）。24晶体沉积形成中心等轴晶区的过程258.1.3中心等轴晶区的形成综上所述，形成中心等轴晶区的主要原因是由于溶质偏析产生成分过冷，阻碍了晶体迅速形成稳定的凝壳，并使晶粒或枝晶根部形成缩颈，在对流作用下，根部带缩颈的晶粒或枝晶脱离模壁或凝壳，游离到铸锭中心起晶核增殖作用所致。268.1.3中心等轴晶区的形成278.1.3中心等轴晶区的形成286.2铸锭异常晶粒组织6.2.1异常粗大晶粒6.2.1.1表层粗晶粒：通常，铸锭表层为细等轴晶。但是，在连续铸锭表层中，宏观组织也可能由冷隔(皱折)、细晶粒和粗晶粒组成。消除表层粗晶粒的方法：降低结晶器内的液穴深度，供流匀稳，保持锭模内壁光滑，涂料匀薄。其次，可通过铣面消除。296.2.1.2悬浮晶悬浮晶是指夹在正常柱状晶区或等轴晶区中的粗大晶粒。它是优先形核生长的基体金属固溶体初晶，在固／液界面前沿温度梯度较小的过冷液体中自由长大，然后进入凝固层内而形成的。306.2.1.2悬浮晶形成方式主要有四种：液体中温度梯度较小、凝固区较宽时，脱离模壁的少数晶粒在凝固区内自由长大；大型铸锭冷却缓慢时，液穴表面形成的晶粒沉积于凝固区内，得以充分长大；位于气隙较大处的凝壳，由于温度回升被重熔成半凝固状态，在对流作用下凝壳边缘塌落下来的碎块；尚未完全熔化的基体金属晶体碎块。3132铸锭中可见到一些高熔点金属化合物初晶，呈块状、片状或针状不均匀分布与基体中。形成原因：与悬浮晶基本相同。因此浇注时间长，或浇温低，铸锭冷却缓慢，则向铸锭中部游移的化合物初晶得以在液体中自由生长成粗大晶粒。防止措施：适当提高挠温，加大冷却强度，可减少游离化合物初晶的数目，有利于防止粗大化合物初晶的形成。严格控制合金成分或变质处理。8.2.1.3粗大金属化合物8.2.1.3粗大金属化合物利用过热法可以细化金属化合物初晶，改善铸锭组织的均匀性。338.2.2羽毛状晶仅存于铝合金连续铸锭中。一种由许多羽毛状片晶组成的晶粒，称为羽毛状晶，是一种变态的柱状晶。多分布于铸锭周边处。位向一致的若干羽毛状晶组成羽毛状晶群，位向略有差别的组成另一羽毛状晶群。羽毛状晶宏观上成群分布，互相交错。羽毛状晶显微组织是由许多明暗相间、互相平行的羽毛状片晶组成的。348.2.2羽毛状晶358.2.2羽毛状晶羽毛状晶组织具有较强的遗传性。368.3晶粒细化技术

细小等轴晶组织各向异性小，加工时变形均匀．且使易偏聚在晶界上的杂质、夹杂及低熔点共晶组织分布更均匀，因此具有细小等轴晶组织的铸锭，其机械性能和加工性能均较好。增大冷却强度：采用水冷模和降低浇温。水冷模冷却强度大，金属浇入模子能迅速形成稳定的凝壳，加之模壁的强烈定向散热作用，故易得到细长的柱状晶。适用于小型铸锭。对于导热性差的大型铸锭，锭模的冷却作用仅影响铸锭的外层，对铸锭中心晶粒的细化作用不明显。此时适当降低浇温，可在一定程度上使晶粒得到细化。378.3.2加强金属流动依据：随着流动加强，金属液能更好地与模壁接触，有效地发挥模壁的激冷效果，温度起伏和对流的冲刷作用，增加游离晶数目。措施：改变浇注方式。388.3.2.1改变浇注方式39流柱使液面波动和对模壁的冲刷，以及由此而引起的温度起伏，对等轴晶的形成和细化影响显著。8.3.2.1改变浇注方式40金属流进锭模以前，先流经一倾斜冷却器，在金属液的冲刷作用下，由槽壁生成的大量晶粒，随流而下一起进入模中，使铸锭晶粒细化。8.3.2.2使锭模周期性振动超声波或机械振动。振动的作用只要使金属液与模壁或凝壳之间产生周期性的相对运动，从而加速晶体的游离，达到细化晶粒的目的。还可加强金属液充填枝晶间隙的补缩作用，从而提高铸锭的致密性。418.3.2.2使锭模周期性振动42搅拌438.3.3变质处理