《材料成形原理》课件-第5章 铸件凝固组织的形成与控制

第5章铸件凝固组织的形成与控制机械工业出版社§5-1铸件宏观凝固组织的特征及形成机理铸件的宏观凝固组织三个晶区：表面细晶粒区：紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，仅几个晶粒厚柱状晶区：由自外向内沿着热流方向彼此平行排列的柱状晶所组成

内部等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶所组成

晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质和具体凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织：完全柱状晶完全等轴晶

1、表面细晶粒区的形成二、铸件宏观凝固组织的形成机理铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。细化程度取决于△型壁散热条件所决定的过冷度和凝固区域的宽度。△型壁附近熔体内大量的非均匀形核△各种形式的晶粒游离前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层凝固壳层→界面处晶粒单向散热→晶粒逆热流方向择优生长而形成柱状晶

返回目录稳定凝固壳层产生→→柱状晶区开始内部等轴晶区形成→→柱状晶区结束柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素综合作用结果。生长方式：择优生长

2、柱状晶区的形成柱状晶择优生长返回目录各枝晶主干方向互不相同，主干与热流方向相平行的枝晶生长迅速，优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。竞争淘汰离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰得就越多，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。3、内部等轴晶区的形成

－－熔体内部晶核自由生长的结果

等轴晶晶核来源（1）过冷熔体直接形核理论：溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核（2）激冷晶游离理论：浇注期间和凝固初期的激冷晶游离随着液流漂移到铸件心部，通过增殖，长大形成内部等轴晶（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论：（4）“结晶雨”游离理论液面晶粒沉降。（2）激冷晶游离理论因浇温低，浇注中形成的激冷游离晶凝固初期形成的激冷游离晶非均质形核的激冷游离晶（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论图型壁晶粒脱落示意图型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖——理论基点为溶质再分配。图枝晶分枝“缩颈”的形成b)c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图。V为生长方向。d)环乙烷的枝晶，可见分枝缩颈溶质浓度再分配→界面前沿液态金属凝固点降低→实际过冷度减小。溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。晶体根部紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，偏析程度最为严重，生长受到强烈抑制。远离根部，界面前方的溶质易于通过扩散和对流而均匀化，面临较大的过冷，其生长速度要快得多。故在晶体生长过程中将产生根部“缩颈”现象，生成头大根小的晶粒。熔点最低而又最脆弱的缩颈极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离枝干生长侧面溶质偏析层阻碍侧面的生长，偶然产生的凸出部分突破此层，进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。晶粒增殖:处于自由状态下的游离晶一般具有树枝晶结构，在液流中漂移时不断通过不同的温度区域和浓度区域，受到温度波动和浓度波动的冲击→表面反复局部熔化和反复生长→分枝根部缩颈可能断开而破碎成几部分→在低温下各自生长为新的游离晶。游离晶增殖示意图液态金属流动的作用：液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是通过影响其传热和传质过程而实现的：

（1）传热方面：液态金属的流动加速其过热热量的散失，使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于30s）从浇注温度下降到凝固温度。（2）传质方面：液态金属流动的最大作用在于导致游离晶粒的漂移和堆积，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。同时改变界面前沿的溶质分布状态，加速流体宏观成分的均匀化。（4）“结晶雨”游离理论液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分枝→→密度比液体大→下沉→产生晶粒游离。多发生在大型铸锭的凝固过程中铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成。晶区的形成和转变是过冷熔体独立形核能力和各种形式晶粒游离、漂移与沉积的程度这两个基本条件综合作用的结果。决定了铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细。返回目录§5-2铸件宏观凝固组织的控制1、铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响

表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。

（1）柱状晶：生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。但柱状晶比较粗大，晶界面积小，排列位向一致，其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体，将导致铸件热裂。

（2）等轴晶：晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。晶粒越细综合性能越好。对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱状晶，增加其致密度；对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组织；对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。等轴晶组织的获得和细化强化非均匀形核促进晶粒游离抑制柱状晶区2、铸件宏观组织的控制途径和措施（1）加入强生核剂——孕育处理孕育——向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的的一种方法。Inoculation

A.形核剂：a）直接作为外加晶核

b）通过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核－能与液相中某些元素组成较稳定的化合物

－通过在液相中造成大的微区富集而使结晶相提前弥散析出表5-1常用合金的生核剂（孕育剂）合金种类晶粒细化元素加入量（质量分数）（%）加入方法铝、Al-CuAl-MnAl-SiTi、Zr、Ti+BTi:0.15、Zr:0.2Ti+B:0.01Ti、0.05B中间合金过共晶Al-SiP＞0.02Cu-P或Al-P合金铸铁Ca、Sr、Ba通常与Si-Fe制成复合生核剂中间合金Si-Fe0.1~1.0中间合金碳钢及合金钢V0.06~0.30中间合金Ti0.1~0.2中间合金B0.005~0.01中间合金铜合金Zr、Zr+B0.02~0.04纯金属或合金B.强成分过冷元素：通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生细弱缩颈，从而促进晶粒的游离。强化熔体内部的非均匀形核，孕育剂富集抑制晶体生长时间效应

:

孕育期孕育衰退

（2）控制浇注条件①低的浇注温度。熔体的过热度较小，与浇道内壁接触就能产生大量的游离晶粒。有助于已形成的游离晶粒的残存，这对等轴晶的形成和细化有利。②合适的浇注工艺。强化液流冲刷型壁能扩大并细化等轴晶区。(a)中心顶注法（b)靠近型壁（6孔）顶注法

图不同浇注工艺铸锭的宏观组织（3）铸型性质和铸件结构薄壁铸件：激冷使整个断面同时产生较大的过冷，容易获得细等轴晶。型壁较厚或导热性较差的铸件，等轴晶区的形成主要依靠各种形式的晶粒游离。

a.铸型激冷能力的影响：如金属型、石墨型b.铸型表面的粗糙度（4）动态晶粒细化熔体在凝固过程中存在长时间、激烈的对流。（晶粒或枝晶脱落、破碎、游离、增殖）

振动－－机械振动、电磁振动、音频或超声波振动

搅拌－－机械、电磁搅拌

旋转振荡－周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度振动对晶粒大小的影响（lin=2.54cm）图利用旋转磁场控制晶粒组织柱状晶区（未加磁场）细等轴晶区（加磁场）§5-3气孔与夹杂1、析出性气孔在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出气体，来不及从液面排出而形成气孔。含氢量2、反应性气孔金属液－铸型之间、金属液内部发生化学反应所产生的气孔一、气孔铸件中气孔的形成示意图溶质分布方程：

液相中气体浓度超过某饱和气体浓度SL时，才析出气泡。（2）长大条件：气体内部各气体分压总和>外界压力内部压力

P气=PH2+PN2+PO2+PH2O…外界压力

Pn=Pa+PM+PσPa—为大气压

PM—金属静压力

H

Pσ—表面压力的附加压力Pσ=2σ/r

即：P气>Pa+

H＋2σ/r

r↓Pσ↑难长大异质形核r↑Pσ↓利于长大（3）上浮条件：气泡脱离现成表面而上浮取决于液、气、固三者间的表面张力θ—气泡与现成表面的润湿角(a)θ<90°容易脱离(b)θ>90°长大到颈缩后才能脱离

动力学条件：取决于：上浮速度Ve与凝固速度R

当Ve<

R时气泡残留于金属中

Ve=2(ρL-ρg)gr2/9ηR↑气孔↑η↑Ve↓气孔↑△ρ(实际上为ρL)↑Ve↑气孔↓－－轻金属易产生气孔（铝、镁）（4）从铸型侵入型气孔的形成机理与此相似P气>Pa+

H＋2σ/r2、反应性气孔形成机理（1）金属液与铸型（芯）反应性气孔（皮下气孔）原因：铸型水分高、透气性低；合金中有易氧化成分；熔点较高的合金（钢、铁。铜）一定中等壁厚范围内。机理：氢气说氮气说——有树脂粘结剂时

CO说1）渣气孔例钢中CO不溶，但氧或氧化物与碳反应形成CO（FeO）+[C]=CO+[Fe]（MnO）+[C]=CO+[Mn]（SiO2）+2[C]=2CO+[Si]（Cu2O）+2[H]=2[Cu]+H2O(气)（2）金属液内反应性气孔2）金属液中元素间反应性气孔＃碳氧反应气孔＃水蒸气反应气孔＃碳氢反应气孔1、危害有效工作断面↓→σb↓δ↓

应力集中→裂纹疏松→δ↓气密性↓耐蚀性↓2、防止措施针对形成原因

3．析出性气孔的防止以下主要因素影响析出性气孔的形成：①金属液原始含气量C0C0含量愈高，CL、Δx和Δt都将增大，C0高时，凝固前沿的液相能较早析出气泡。C0不高时，就依附缩孔较迟析出。②冷却速度冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易封闭液相，凝固速度V愈大，则Δx和Δt愈小，气体来不及扩散，因而气孔不易形成。③合金成分影响原始含气量C0，决定分配系数k和扩散系数DL以及合金收缩大小及凝固区域。④气体性质

氢比氮的扩散速度快可从以下途径来防止或减少它的产生。1．减少金属液的原始含气量C0①减少金属液的吸气量

尽量减少或防止气体进入金属内。②对金属液采取除气处理

（a）浮游去气，即向金属液中吹入不溶于金属的气体，使溶解的气体进入气泡而排除；（b）采用真空去气；（c）氧化去气，对能溶解氧的金属液（如铜液），可先吹氧去氢，然后再脱氧；（d）冷凝除气法，即缓慢冷到凝固温度，然后迅速加热至浇注温度。

2．阻止气体析出阻止浇入铸型内的金属液析出气体的方法有：①提高铸件冷却速度

对易产生析出性气孔的铝合金尽量采用金属型铸造。②提高铸件凝固时的外压

这可以有效阻止气体的析出。如将浇注的铝合金铸型放在通入4～6大气压的压缩空气的压力宝中凝固,可有效地减少或消除铝合金铸件中的气孔。

二夹杂物1、来源：

内生夹杂：熔化与凝固过程冶金反应产物脱OPS产物

N2、O2、P溶解偏析形成第二相

外来夹杂：熔炉耐火材料、造型材料按形成时间先后：初生夹杂物次生夹杂物二次氧化夹杂物决定于夹杂物的成分、性能、形状、大小、数量、分布=>硬脆→δαk

球形→影响↓；针状、尖角影响↑↑（应力集中）事物的另一方面：

高熔点、细小颗粒→好的作用非自发形核核心→细化沉淀强化—N化物弥散

新学科的产生→MMC，人为的加入高性能陶瓷相2、危害：连续性，均匀性破坏＝>机械性能↓致密性↓耐蚀性能红脆—热裂（低熔点相）裂纹源钢中MnS夹杂物引起的裂纹源及扩张过程a)原始状态b)受力后产生裂纹c)d)裂纹继续扩展浇注前的熔炼及熔体处理中，冶金反应产生。夹杂物容易聚合、长大防止措施：（1）加溶剂——吸收夹杂（2）除气处理时也可将夹杂物携带上浮排出（3）过滤法3、初生夹杂物的形成及防止措施4、二次氧化夹杂物的形成及防止措施（1）形成——浇注及填充铸型的过程中氧化形成（2）防止——合理的浇注工艺及浇冒口系统，平稳充型——控制金属液的易氧化元素——铸型内造还原型气氛5、次生夹杂物凝固过程中，溶质再分配，溶质富集，偏晶结晶析出夹杂物例如：Fe中富集Mn和S时：图夹杂物粘附晶体示意图（a)粘附后（b)粘附前粘附发生的条件：图偏析夹杂物被粘附陷入晶内示意图夹杂物被排斥推入液相示意图§5-4缩孔与缩松的形成原理1、收缩的基本概念——铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减少。体收缩——金属从液态到常温（室温）的体积改变量

线收缩——金属在固态时从高温到常温（室温）的线尺寸改变量

体收缩率：线收缩率：1、液态收缩：2、凝固收缩：3、固态收缩：2、铸钢的收缩图碳钢的比容与温度和含碳量的关系1－0.35％C；2－0.25%C；3－0.8%C（1）液态（2）凝固（3）固态收缩a.珠光体转变前收缩b.共析转变期的膨胀c.珠光体转变后收缩3、铸铁的收缩图铸铁的收缩过程曲线1－白口铸铁；2－灰铸铁(1)液态收缩（2）凝固收缩：状态改变＋温度降低析出1％石墨，体积增大2％凝灰铸铁凝固收缩与碳当量的关系（3）铸铁的固体收缩曲线图Fe-C合金的自由线收缩曲线1－碳钢；2－白口铁；3－灰铸铁；4－球墨铸铁①缩孔：凝固体积收缩，得不到液态金属的补充→逐层凝固时→通过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固部位形成集中缩孔。②缩松：糊状凝固→糊状区、液固共存—液体流动困难→晶间树枝间得不到补充→分散的小缩孔③危害：机械性能、气密性、耐蚀性、锻造裂纹铸件中缩孔的形成示意图Al-4.5%Cu合金中的显微缩松a.含气量高的显微缩松与球形孔洞；b.树枝间的显微缩松图铸铁共晶石墨长大特点示意图灰铸铁——“自补缩能力”球墨铸铁——膨胀力大——若铸型移动——缩松倾向大若铸型刚性大——自补缩图灰铁与球铁在湿砂型中浇注的膨胀曲线灰铸铁——“自补缩能力”球墨铸铁——膨胀力大——若铸型移动——缩松倾向大若铸型刚性大——自补缩产生缩孔、缩松因素与控制：收缩必然性→缩孔或缩松→取决于凝固方式（层、糊）影响凝固方式因素：成分、温度梯度影响缩孔和缩松大小的因素：金属的性质；铸型条件(激冷能力)

浇注条件；铸件尺寸缩孔防止：合理设计浇冒口系统→缩孔于浇冒口中。缩松防止：无法通过浇冒口消除。△T↑枝晶发达→缩松↑定向凝固方式示意图均匀壁厚铸件定向凝固过程图扩展角对补缩困难区的影响冷铁对缩孔位置的影响

（顺序凝固）冷铁造成同时凝固方式示意图（四）加压补缩——压力下凝固（压力釜，挤压铸造，高压铸造）•

微观偏析--短程偏析，是不平衡凝固造的；•

微观偏析--晶粒内部或晶界等微区内成分不均匀现象。

1•

枝晶偏析

2•

晶界偏析1、微观偏析§5-5

化学成分的偏析（1）枝晶偏析a.机理结晶时冷速较大，扩散来不及，先结晶富高熔点组元，导致树枝晶内部成分不均匀.b.影响因素合金相图的形状：垂直、水平距离大偏析严重，垂直比水平影响更大（结晶温度低扩散慢）原子的扩散能力：扩散能力差，更易偏析（1）枝晶偏析b.影响因素凝固时的冷却条件：冷速越大，过冷越大，开始结晶温度越低，扩散能力越小；冷速很大，液相中的扩散也受到抑制，发生无扩散结晶，偏析程度反而减小。合金元素：C促S、P偏析；焊接比铸造偏析程度小，可能与焊接冷速很大，液相中的扩散受到抑制有关.（2）晶界偏析在树枝晶体之间（晶粒与晶粒之间）最后凝固部分（即晶界区）积累了更多的低熔点组元和杂质元素晶界偏析的程度比晶内偏析更为严重，有时在晶界上还会出现一些不平衡的第二相，如低熔点共晶体产生的原因与枝晶偏析相同塑性和韧性降低、增加热裂倾向、降低耐腐蚀性能等（3）微观偏析的消除措施

•

固相线下100~200℃长时间扩散退火（均匀化）

•

热轧或热锻也可改善

宏观偏析为长程偏析，是发生于区域之间的成分差别（区域偏析）。液态金属沿枝晶间的流动对宏观偏析的产生有着重要的影响。焊接不易宏观偏析，熔池中有强烈的对流拌；铸造宏观偏析严重

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正常偏析（正偏析）•区域偏析

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反偏析（逆偏析）

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比重偏析（重力偏)•层状偏析2、宏观偏析（1）正偏析

•铸件外层纯度高、溶质含量低，内部溶质含量高、杂质集中的区域偏析为正常偏析

•机理：冷速较慢，低熔点组元充分向内部聚集

•危害：铸件性能不均匀；但可借此对金属提纯

•防止：扩散退火无效，提高冷速有效，如降低浇注温度、加速铸件凝固（2）反偏析

•

外层溶质元素含量反而高于内层的含量；

•不常见，易发生于凝固温度区间宽、凝固收缩大、冷却缓慢、枝晶粗大、液体金属中含气量较高等情况下。

•机理：由于铸件表层枝晶间以及内部的低熔点液体，在液体金属静压力和析出气体压力的作用下，通过树枝晶之间收缩产生的空隙渗出到