重庆大学-金属凝固原理-第7章-金属凝固的宏观组织与凝固方式

第七章金属凝固的宏观组织与凝固方式§7-1宏观凝固组织的形成与控制§7-2凝固方式与凝固时间§7-1宏观凝固组织的形成与控制一、凝固过程中液体金属的流动1.浇注及凝固过程中液体的流动形式（1）浇注时存在液流的冲刷（强制对流）液流冲刷浇道、型壁及已凝固层的生长界面。（2）浇注时及浇注完毕后液体存在自然对流液体金属表面以及液体金属与型壁或凝固层的接触区，温度低、密度大而下沉，热的密度小的金属液上浮，形成自然对流。图7.1液体中的自然对流（3）存在着枝晶间及分枝间的液体流动（微观流动）枝晶凝固时，发生收缩而产生负压，液体被吸入枝晶分枝而产生微观流动2.液体的流动对凝固过程的影响（1）顶部晶体的沉积（铸锭上部形成等轴晶）不锈钢筛网等轴晶图7.2在坩埚中置一不锈钢筛网（大野笃美的实验）（2）型壁上晶体的脱落及晶体的增殖•在浇注的过程中及凝固初期的激冷,等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成,浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。图7.3图7.4型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离a)晶体密度比熔体小的情况;b)晶体密度比熔体大的情况为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶质浓度大的合金容易得到等轴晶呢?•溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳,另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去。图7.5晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离图7.6游离晶体的生长、局部熔化与增殖（3）枝晶分枝的熔断脱落●枝晶生长时，其分枝也因成分过冷而形成细的“脖颈”，遇高温液体时，产生熔断脱落。图7.7枝晶分枝“缩颈”的形成a）、b）、c）为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图（虚线表示溶质富集层，V为枝晶生长方向）d）环己烷（Cyclohexane）的枝晶，可明显看出分枝的缩颈二、宏观凝固组织的形成及影响因素1.表面细等轴晶区的形成2.内部柱状晶区的形成3.中心等轴晶区的形成图7.8几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶金属凝固的典型宏观组织内部柱状晶区中心等轴晶区表面细等轴晶区1.表层细等轴晶区2.内部柱状晶区：晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向3.中心等轴晶区：晶粒较为粗大图7.9铸锭凝固的典型宏观组织1.表面细等轴晶区的形成●型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量异质生核（必要条件）,各种形式的晶粒游离也是形成表面细等轴晶的“晶核”来源（充分条件）。这些晶核在过冷熔体中采取枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状晶区由型壁向内的生长，表面激冷细晶粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳层形成得越早，表面细等轴晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面细等轴晶区也就越窄。图7.10表面细晶粒区2.内部柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝固层中某些一次分枝与散热方向（垂直于型壁）相反的晶粒择优向生长，发展成由外向液体内生长的柱状晶区。•柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于中心等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素综合作用的结果。如果在凝固初期就使得内部产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。柱状晶向内部生长的条件是界面前沿存在一个较窄的成分过冷区。图7.11内部柱状晶区的形成铸型液态金属图7.12柱状晶生长过程的动态演示3.中心等轴晶区的形成●柱状晶在向液体内生长过程中，不断排出多余的低熔点溶质，使凝固温度降低（即TX线变陡），同时放出结晶潜热，使铸件中心液体温度升高，液体的实际结晶温度降低（即GL线变小），在界面前沿存在较大成分过冷，当△TC(max)△T**时，便在铸件中心的液体中独立生核和长大，且此时枝晶的生长受铸型散热方向的影响小，在各个方向上生长成比较均匀的粗大等轴晶。●型壁上晶体的脱离随液流进入铸件中心区域，增加了中心等轴晶区●晶体上分枝的熔断脱落进入铸件中心区形成中心等轴晶区●顶部晶体的沉积进入铸件中心区而形成中心等轴晶图7.13游离晶促使中心等轴晶形成思路:晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。三、宏观凝固组织的控制●根据液态成形件不同的使用性能，其凝固宏观组织的要求是不同的。对一些特殊性能要求的成形件，需要获得单一柱状晶（如航空发动机的叶片、磁钢等）甚至单晶（单晶体叶片），而大量的情况是希望液态成形件获得细小等轴晶，使其具有优良的各向同性的综合机械性能。这里重点讲述等轴晶的获得及细化。●获得细等轴晶的措施措施加强液体金属在浇注及凝固期间的流动（动力学细化）孕育处理外加晶核采用生核剂采用强成分过冷元素提高冷却速度（V冷↑），降低浇注温度（t浇↓）（控制浇注工艺及冷却条件）外部工艺措施内部措施1.增大冷却速度（V冷↑）和降低浇注温度（t浇↓）V冷↑铸型激冷能力↑t浇↓t型↓b2↑（金属型）合理的浇注工艺冷却条件的控制图7.14合理的浇注工艺•浇注温度•浇注方式合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成。但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷。铸型中间顶注沿型壁单孔顶注沿型壁六孔顶注图7.15不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织低温铸造水流冷却的斜板浇注方法图7.16图7.17冷却条件的控制•控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高的冷却速度V冷可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。对薄壁铸件，可采用高蓄热、热传导能力强的铸型。对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的V冷的要求。悬浮浇注法是在浇注过程中将一定量的固态金属颗粒加入到金属液中，从而改变金属液凝固过程，达到细化组织、减小偏析、减小铸造应力的目的的一种工艺方法。图7.18悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统料斗离心集液包直浇道悬浮浇注法的特点（1）显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力学性能均匀性；（2）减小凝固收缩，使冒口减小15～35%；（3）减少缩松，提高铸件致密性；（4）减小铸造应力，减小铸件热裂倾向；（5）改善宏观偏析；（6）提高凝固速度，改善铸型受热状况；（7）可以实现浇注过程合金化。技术原理：通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、晶体学和热作用，强制金属液生核，并改变铸型中金属液的温度分布，从而改变金属凝固方式。适用范围：各种铸钢件、铸铁件、及有色合金件。不需要特殊设备，仅要求简单辅助工装。2.加强液体在浇注和凝固期间的流动促使型壁上已凝固层晶体的脱落，分枝的熔断脱落及脱落晶体的增殖。具体方法：——利用液流的冲刷——利用旋转磁场使液体旋转运动——利用惯性力使液体运动●使铸型产生振动或振击●振动浇口杯●铸型变速或不断变向运动（1）铸型振动•在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎形成结晶核心。离心铸造时若周期改变旋转方向可获得细小等轴晶，说明液相和固相发生相对运动所起的细化晶粒作用。•振动还可引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。•振动铸型可促使“晶雨”的形成。立式离心铸造机图7.19立式离心铸造机（2）超声波振动•超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。图7.20超声波振动结晶（3）液相搅拌采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固相的运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量，例如去除夹杂物、消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的铸坯以及浇铸质量要求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。（4）流变（触变）铸造•流变（触变）铸造又称半固态铸造，这种方法是当液体金属凝固达50～60％时，在氩气保护下进行高速搅拌，使金属成为半固态浆液，将半固态浆液凝固成坯料或挤压至铸件凝固成形。其固态晶体随搅拌转速的增加趋于细小而圆整，机械性能显著提高。这种细小圆整的半固态金属浆液由于具有较好的流动性而容易成形。因为它的温度远低于液相线温度，所以对于黑色金属的压铸件来说，能大大减轻金属对模具的热冲击，提高压铸模具的寿命，扩大黑色金属压铸的应用范围。图7.21流变铸造过程图7.22传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织3.孕育处理（钢及铝、镁、铜合金中称变质处理，铁中称孕育处理）（1）外加晶核在浇注时向液流中加入被细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属的碎粒，使之成为异质形核的有效衬底，促使异质形核，增加晶粒数而细化晶粒。例如：高Mn钢中加入Mn铁高Cr钢中加入Cr铁Cu合金中加入Fe（γ）在生产中，外加晶核称为晶粒细化剂。3.孕育处理（2）采用生核剂加入的物质不一定能作为晶核，但通过它与液态金属的某些元素相互作用，能产生晶核或成为有效衬底，这类物质称为生核剂。分为两类：●加入的生核剂与液体中某元素形成稳定的化合物，且此化合物与被细化相具有界面共格对应，促使异质形核。例如钢中加入V、Ti等，生成的VC，TiC及VN，TiN使钢的晶粒细化Al合金中加入Ti，生成TiAl3，细化α-Al在生产中，此种生核剂也称为晶粒细化剂。●加入的生核剂造成液体中很多大的微区富集，迫使结晶相提前弥散析出例如Si加入铁水中，造成瞬时的很多富Si区，造成局部的过共晶成分迫使石墨提前析出，Si的脱氧产物SiO2及其他化合物可作为石墨析出的衬底，达到细化组织的目的。此类生核剂在铸铁中称为孕育剂，处理过程称为孕育处理。孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）•孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。•在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完成熔化过程，或与合金液反应生成化合物，起细化作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿，逐渐达到最佳的细化效果。•当细化效果达到最佳值时浇注是最理想的，随合金熔化温度和孕育剂种类的不同，达到最佳细化效果所需要的时间也不同。几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。3.孕育处理（3）采用强过冷成分元素强成分过冷元素就是表面活性元素，其实质是阻碍某一相的生长，达到细化该相和改变该相的形貌，而不增加形核的数量。●选取原则：——熔点低（mL大）——固溶度小（）——原子半径大（DL小）●Al-Si合金中（Si5%），加入Na，Ce，La，Sr细化合金中的共晶硅相●强成分过冷元素在Al-Si合金中称为变质剂，生产中称为变质处理0001KDKCmRGLLL10LSCCK合金种类孕育剂主要组元加入量wt%加入方法碳钢及合金钢Ti0.1~0.2铁合金V0.06~0.30B0.005~0.01铸铁Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，与Si-Fe复合铁合金铝合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；复合:Ti0.