凝固技术第四章

第四章铸件凝固组织控制第一节铸件凝固组织的形成1.凝固条件与凝固方式铸件的凝固组织主要是合金成分和冷却条件决定的。铸型散热过程一般将铸造过程的散热热量Q分解为浇铸过程中合金在浇注系统和铸型中的散热Q1以及浇注结束后冷却凝固过程中的散热Q2两个部分。Q=Q1+Q2Q1主要与浇注方式、浇注系统的结构及铸型冷却能力有关，并受浇注过程的对流换热控制Q2与合金的性质及充型结束后合金的热状态决定。凝固组织的控制环节比值Q1/Q比值越大，表明浇注方式对凝固组织的影响明显。该比值通常随着铸件尺寸和壁厚的增大而减小。在小铸件和薄壁铸件的生产中，浇注过程中的散热占的比例很大，必须充分考虑浇注方式对传热的影响。在大型和厚壁铸件，浇注过程的传热是次要的，考虑浇注系统设计的原则。纯金属凝固条件与凝固方式对于纯金属的凝固，如果浇注结束后金属液仍处于过热状态，凝固界面前存在正的凝固梯度，凝固以平界面方式进行，热流通过凝固层导入铸型，形成柱状晶组织。如果浇注结束时金属液处于过冷状态，则可能在液相中发生内生生核，凝固潜热导入周围过冷的液态金属，发生等轴晶的凝固。合金凝固条件和凝固方式如果浇注结束后金属液仍处于过热状态，凝固界面前存在正的凝固梯度，凝固以平界面方式进行，热流通过凝固层导入铸型，形成柱状晶组织。如果浇注结束时金属液处于过冷状态，则可能在液相中发生内生生核，凝固潜热导入周围过冷的液态金属，发生等轴晶的凝固定向的枝晶凝固，由于存在成分过冷的存在，仅当界面附近温度梯度足够大时，才能形成平面凝固界面。铸件的典型凝固组织与形成过程形成柱状晶还是等轴晶取决于凝固界面前液相中的形核条件。等轴晶的形核条件：凝固界面前的液相中有晶核来源液相存在晶核生长所需要的过冷度凝固界面前液态金属的过冷条件热过冷、曲率过冷、成分过冷大多数铸件和铸锭凝固过程。由于液相中的对流和导热传热，随着凝固的进行，液相温度不断下降，过冷区扩大，过冷度也随着增大典型铸件凝固过程截面上温度分布典型柱状晶区及等轴区分布情况固相密度大于液相密度，晶核在长大过程中不断下落。下落的晶核首先阻止底部柱状晶的长大，然后阻止侧面柱状晶的长大。等轴晶的形核形核是柱状晶向等轴晶转变的必要条件。游离晶的形成在型壁上形成晶核晶核脱落进入液相区合金的浇注过热度对游离晶的形成具有决定性的作用。枝晶熔断枝晶生长过程中，由于根部溶质的富集产生“缩颈”并熔断、脱落的现象。表面凝固和“晶雨”的形成表面的凝固取决于熔体的凝固温度与环境温度之差表面凝固需要大的过冷度液相的流动和表面的扰动会下“晶”雨人为的进行表面振动利于“晶雨”的形成。铸件典型凝固组织形态的控制晶粒形态的控制主要是通过形核过程的控制实现的。促进形核的方法：浇注过程控制方法、化学方法、物理方法、机械方法、传热条件控制方法。抑制形核的方法：大过热度浇注抑制对流可起到抑制形核的作用。第二节等轴晶的晶粒细化添加晶粒细化剂法异质形核的条件液相中存在合适的异质固相颗粒与基底液相具有异质形核所需要的过冷度良好晶粒细化剂具有的特性含有非常稳定的异质固相颗粒异质固相颗粒与固相之间存在良好的晶格匹配关系，接触角很小异质固相颗粒非常细小、高度弥散不带入任何影响合金性能的有害元素添加晶粒细化剂法异质晶核晶粒细化剂中的高熔点化合物在熔化过程中不被完全熔化，在随后的凝固过程中成为异质形核的核心。晶粒细化剂中的微量元素加入合金液后，在冷却过程中首先形成化合物固相质点，起到异质形核的作用。异质形核的条件液相中存在合适的异质固相颗粒与基底液相具有异质形核所需要的过冷度良好晶粒细化剂具有的特性含有非常稳定的异质固相颗粒异质固相颗粒与固相之间存在良好的晶格匹配关系，接触角很小异质固相颗粒非常细小、高度弥散不带入任何影响合金性能的有害元素常用合金的晶粒细化剂影响因素细化剂的成分及加入量加入方式保温时间浇注温度其他合金元素的影响与异质固相颗粒发生化学作用引起凝固过程的成分过冷细化剂的成分及加入量加入方式和保温时间其他影响因素浇注温度在较小的过热度下浇注可获得好的细化效果，随着过热度的增加，细化效果将下降。存在临界温度，由合金成分和细化剂成分、加入量有关。其他合金元素的影响与异质固相颗粒发生化学作用，影响其形核能力。引起凝固过程的成分过冷，为异质形核过程提供所需要的过冷度。动力学细化法浇注过程控制技术动力学细化方法铸型振动使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎形成结晶核心。促使“晶雨”形成。超声波振动在液相中产生空化作用，形成空隙，促进形核。液相搅拌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。使晶粒球化，获得流动性很好的半固态金属熔炼及浇注过程的温度控制第3节多相合金凝固过程的变质处理变质处理是通过向合金液中添加某些微量元素达到控制凝固形态的目的。第4节凝固组织中的偏析及其控制枝晶凝固组织中的微观偏析及其控制影响微观偏析的主要因素凝固速率R，或者局部凝固时间局部凝固时间增大，非平衡相的析出量减小，即偏析减轻。主要是扩散时间延长，促进了成分的均匀化。还可以进行均匀化退火。但局部凝固时间增大导致枝晶增大，使得均匀化时间延长。同时枝晶间距增大导致力学性能下降。缓慢凝固不是理想的凝固工艺，而是快速凝固使枝晶细化，再进行均匀化退火。影响微观偏析的主要因素合金元素的固相扩散系数扩散系数越大，凝固过程的扩散越充分，偏析就越轻。合金元素的液相扩散系数微观偏析受液相扩散系数影响不大。但当液相扩散系数很小时，使凝固界面附近的溶质富集增强，固相溶质质量分数向平均溶质质量分数的逼近加快，从而偏析减轻。定向凝固组织中的宏观偏析平界面定向凝固过程中偏析的形成是由扩散过程决定的。定向枝晶凝固组织的偏析分布不仅与扩散过程有关，也受液相流动过程的控制。A.由于溶质的再分配，溶质之间的溶质分数不同于平均溶质质量分数。B.液体的流动将导致溶质质量分数在宏观尺度上的不均匀，形成宏观偏析。铸锭中的宏观偏析A型偏析是由两相区非稳定流造成的。V型偏析是非稳定流和应力造成。热顶偏析是由两相区液相密度小于液相时发生3-24b所示的流动。铸锭中的宏观偏析控制液相流动是控制宏观偏析的主要手段。具体方法如下：a)快速凝固，缩短凝固时间，减小液相流动的总量；b)细化晶粒和枝晶间距，增大液相流动阻力；c)调整合金成分使液相流动控制参量B值减小；d)减小垂直凝固界面的高度，限制液相流动的发展；e)外加电、磁场，控制液相的流动。小结凝固组织的微观偏析是由微区的扩散过程决定，并受凝固速率控制宏观偏析主要取决于凝固过程的液相流动。平界面一维凝固组织中的宏观偏析是由固相和液相扩散系数和溶质分配系数决定。实际铸件中的宏观偏析的液相对流包括凝固收缩流动和自然对流。凝固收缩流动：凝固收缩率，温度梯度，冷却速率自然对流：B值或者B’值第五节凝固收缩及凝固组织致密度的控制凝固收缩率缩松的形成与控制强化补缩第六节合金液的净化主要方法炉内处理法：溶剂法；气体精炼法；气体-溶剂混合法炉外处理法：真空处理法；过滤法；气体精炼法；吹炼-过滤法