金属熔炼与铸锭 第十讲 铸锭晶粒组织及其细化

1、第十讲 铸锭晶粒组织及其细化,10.1 铸锭正常晶粒组织 10.2 铸锭异常晶粒组织 10.3 晶粒细化技术,2,10.1 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,图 具有三个晶区的铸锭晶粒组织示意图,铸锭具有上述三种晶区，各自的宽窄也会因合金成分、铸锭方法和工艺的不同而不同。 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晶。 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。,3,10.1.1 表面细等轴晶区的形成,形成表面薄层细等轴晶区的原因 与模壁接触的金属液薄层激

2、冷产生极大过冷，形核率大增 动量对流、热对流，以及由对流引起的温度起伏 结晶快，潜热来不及散失，液-固界面温度升高，停止发展，所以薄 形成表面细等轴晶区的影响因素 （1）浇温高，显热的散失使模温迅速升高，过冷度迅速降低，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； （2）当模壁激冷作用过强时，细等轴晶区也变窄甚至消失； （3）合金中元素含量较高时，晶粒或枝晶根部易形成缩颈而游离，细等轴晶区变宽。,4,细晶区形成后，模壁温度升高，散热减慢，冷速降低，过冷度减小，不再生核 在表面细等轴晶区内，生长方向（立方金属为，六方金属）与散热方向平行的晶粒优先长大，而与散热方向不

3、平行的晶粒则被压抑。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。 柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。,10.1.2 柱状晶区的形成,5,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，溶质偏析系数小，成分过冷弱，晶粒或枝晶根部不易形成缩颈而被熔断，也较易于获得柱状晶。,形成柱状晶区的影响因素,10.1.2 柱状晶区的形成,6,提高浇注温度，游离晶重熔的可能性增大，故有利于扩大柱状晶区。,形成柱状晶区的影响因素,10.1.2 柱状晶区的形成,7,合金凝

4、固时，随合金含量提高，由于溶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，柱状晶区变窄。,柱状晶区的影响因素,8,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，如图所示。,柱状晶区的影响因素,铸锭中具有单一柱状晶组织示意图,9,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，有利于等轴晶的形成，不利于柱状晶形成。 施加稳定磁场，或沿一个方向恒速旋转锭模，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； 定向凝固，关键是保证单向导热，保持较大的温

5、度梯度和较小的凝固速度。,金属液内对流的影响,柱状晶区的影响因素,定向凝固,10,在铁模中凝固比在砂模中更易获得柱状晶。 冷却速度、传热过程、凝壳形成。,砂模和铁模中晶体游离对比 （a）砂模；（b）铁模,柱状晶区的影响因素,11,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。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。 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。,10.1.3 中心等轴晶区的形成,

6、12,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； 液面或凝壳上晶体的沉积。 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，晶体被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。,10.1.3 中心等轴晶区的形成,13,10.1.3 中心等轴晶区的形成,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，晶体被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。,凝固初期因比重不同引起的对流 （a）晶体比重小于金属液；（b）晶体比重大于金属液,14,枝晶的熔断及游离,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

7、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。,枝晶缩颈的形成示意图，虚线表示溶质偏析层,15,枝晶的熔断及游离,Quickly cooled,Slowly cooled,过共晶Co-33Ge合金形成的（a）枝晶颈缩与断开，（b）颈缩枝晶及枝晶断开的碎块,16,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。由于枝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II所示情况。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

8、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。,17,晶体沉积形成中心等轴晶区的过程,大量晶体在对流作用下，沿模壁下沉；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；表面细等轴晶通过竞争生长形成柱状晶区； 中部晶体长大后与柱状晶相遇，凝固结束。,18,10.2 铸锭异常晶粒组织,10.2.1 异常粗大晶粒,表层粗晶粒,悬浮晶,粗大金属间化合物,19,表层粗晶粒 通常铸锭表层为细等轴晶。但在连续铸锭表层中，宏观组织也可能由冷隔、细晶粒和粗晶粒组成。由于传

9、热过程受到影响，使形成稳定凝壳的时间延迟，只有少量晶核在该处长大成粗大晶粒。 润滑油分布不匀、涂料厚度不匀导致接触不良，传热局部变慢 形成气隙后，表层温度升高，表层偏析物重熔，然后结晶长大成粗晶 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，涂料均匀。 其次，可通过铣面消除。,10.2 铸锭异常晶粒组织,20,10.2 铸锭异常晶粒组织,21,10.2 铸锭异常晶粒组织,Fe-3%Si二次再结晶组织,与二次再结晶相区别,22,10.2 铸锭异常晶粒组织,悬浮晶 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

10、的过冷液体中自由长大，然后进入凝固层内而形成的。,23,悬浮晶的形成方式主要有四种： (1)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； (2)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； (3)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； (4)尚未完全熔化的基体金属晶体碎块。 增大冷却强度，提高铸锭断面的温度梯度，缩小凝固区，可防止产生悬浮晶。,10.2 铸锭异常晶粒组织,24,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。因为浇注时

11、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： 适当提高浇注温度，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采用变质处理。 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。,10.2 铸锭异常晶粒组织,粗大金属间合化物,25,10.2 铸锭异常晶粒组织,26,目前只发现存在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，是变态的柱状晶，多分布于铸锭周边处。 位向一致的若干择优生长的羽毛状晶组成羽毛状晶群。 浇注温度高、浇速快、冷却强度大的定向凝固容易形成羽毛状晶

12、。 同一羽毛状晶粒内部有两个不同的位向，两者以（111）面为对称面，构成柱状孪晶，也称铸造孪晶。 羽毛状晶具有较强的各向异性，降低铸锭的力学性能和加工性能。 采用较低的浇温，均匀供流，防止液穴局部过热，加入Ti或细化晶粒，或增大变形量和热处理来消除。,10.2.2 羽毛状晶,10.2 铸锭异常晶粒组织,27,10.2.2 羽毛状晶,10.2 铸锭异常晶粒组织,羽毛状晶的低倍组织特征为呈扇形分布的、有许多平行细条组成的羽毛状，尺寸较大，在铸锭截面上分布有时分散，有时连成一片； 显微组织为粗大孪晶组织，是柱状晶变种。枝晶一边为直线孪晶晶轴，另一边为锯齿状晶界,28,10.3 晶粒细化技术,细小等轴

13、晶组织各向异性小 加工时变形均匀 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 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,希望获得晶粒更细小的铸锭。 晶粒细化技术：增大冷却强度、加强金属液流动、变质处理。,细晶的优点,29,10.3 晶粒细化技术,采用水冷模和降低浇温 对小型铸锭，采用水冷模、冷却强度大，易得到细小晶粒组织。 对大型铸锭，适当降低浇温，可在一定程度上使晶粒得到细化。,增大冷却强度,(晶粒细化技术之一),30,能更好地与模壁接触，有效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,10.3 晶粒细化技术,加强金属流动,(晶粒细化技术之二),改变

14、浇注方式 使锭模周期性振动 搅拌,措施：,31,底注式，液面平静，对流弱，由粗大柱状晶组成 顶注式，铸锭出现等轴晶 沿模壁浇注，等轴晶区扩大，晶粒细化 采用六口沿模壁浇注，等轴晶细化显著。,10.3 晶粒细化技术,加强金属流动,改变浇注方式,32,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，随液流而下一起进入模中，使铸锭晶粒细化。,10.3 晶粒细化技术,改变浇注方式,加强金属流动+降低浇温,33,超声波或机械振动 振动使金属液与模壁或凝壳之间产生周期性的相对运动，加速晶体的游离，细化晶粒 加强金属液充填枝晶间隙的补缩作用，提高铸锭致密性,10.3 晶粒细

15、化技术,加强金属流动,使锭模周期性振动,34,10.3 晶粒细化技术,加强金属流动,使锭模周期性振动,振动与晶粒度的关系,浇温及振动对晶粒度的影响,振动降低组织对浇温的敏感性,35,10.3 晶粒细化技术,加强金属流动,搅拌,搅拌方法包括机械搅拌和电磁场搅动，作用和效果同于振动 搅拌器放入结晶器进行搅拌，细化晶粒效果更好 为获得细小等轴晶，应周期性改变搅拌方向或速度，避免抑制铸锭内外层间的自然对流和温度起伏而不利于枝晶的游离。,36,10.3 晶粒细化技术,加强金属流动,搅拌,电磁搅拌装置,37,添加少量变质剂，促进金属液生核或改变晶体生长过程 对于加工材料的合金，变质处理主要是为了细化基体相，并希望能改善脆性化合物、杂质及夹杂等第二相的形态和分布状况。 对于铸造合金，变质处理主要是为了细化第二相或改变其形态和分布状况，改善合金的铸造性能和加工性能，提高合金的强度和塑性。,10.3 晶粒细化技术,变质处理,(晶粒细化技术之二),38,以不熔性质点存在于金属液中的非均质晶核作用； 以溶质的偏析和吸附作用。,10.3 晶粒细化技术,变质处理,变质机理,39,10.3 晶粒细化技术,变质处理,铝合金的变质处理,变形