第五章铸件凝固组织形成与控制课件

第一节第一节 铸件的宏观凝固组织铸件的宏观凝固组织 表面激冷区表面激冷区的形成机理的形成机理 柱状晶区柱状晶区的形成机理的形成机理 内部等轴晶的形成机理内部等轴晶的形成机理第第二节二节 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制第五章第五章 铸件凝固组织的形成与控制铸件凝固组织的形成与控制第一第一节 铸件的宏件的宏观组织u激冷晶区的晶激冷晶区的晶粒细小粒细小;u柱状晶区的晶柱状晶区的晶粒垂直于型壁排粒垂直于型壁排列，且平行于热列，且平行于热流方向流方向.u内部等轴晶区内部等轴晶区的晶粒较为粗大的晶粒较为粗大;表层急冷晶区表层急冷晶区中间柱状晶区中间柱状晶区内部等轴晶区内部等轴晶区一、表面激冷区的形成一、表面激冷区的形成 型壁附近熔体由于受到强烈的型壁附近熔体由于受到强烈的激冷激冷作用，产生很大的过冷度而作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核大量非均质生核,各种形式的各种形式的游离游离晶粒晶粒也是形成表面细等轴晶的也是形成表面细等轴晶的“晶核晶核”来源。这些晶核在过冷熔来源。这些晶核在过冷熔体中采取枝晶方式生长，由于其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，从而形成了向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性无方向性的表面细等轴晶组织。的表面细等轴晶组织。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院形成的出发点：合金凝固时的溶质再分配。游离晶粒的形成游离晶粒的形成材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院图图5-6晶体与型壁交会处产生晶体与型壁交会处产生“脖颈脖颈”促使晶体发生脱落而游促使晶体发生脱落而游离离溶质的偏析溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处容易使晶体在与型壁的交会处产生产生“脖颈脖颈”，具有，具有“脖颈脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳凝固壳,另一方面，在另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断冲断“脖颈脖颈”，使晶体脱落并游离，使晶体脱落并游离出去。出去。在激冷初期在激冷初期,依依附于型壁生核附于型壁生核的晶粒或枝晶的晶粒或枝晶流体的机械冲刷和温度反复波动流体的机械冲刷和温度反复波动材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院图图5-7游离晶体的生长、局部熔化与增殖游离晶体的生长、局部熔化与增殖材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院一、表面激冷区的形成一旦型壁附近的晶粒互相连结而一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成构成稳定的凝固壳层稳定的凝固壳层，凝固将转为，凝固将转为柱状晶区由外向内的生长，表面激柱状晶区由外向内的生长，表面激冷细晶粒区将不再发展。冷细晶粒区将不再发展。稳定的凝固壳层形成得越早，表面稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄。快，表面激冷区也就越窄。二、柱状晶区的形成二、柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱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状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，固层某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶发展成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速平行的枝晶生长迅速。柱状晶生长过程的动态演示柱状晶生长过程的动态演示柱状晶生长过程录像柱状晶生长过程录像铸铸型型液液态态金金属属材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院二、柱状晶区的形成柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。生，而结束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程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，将会有效地抑产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。制柱状晶的形成。铝锭截面组织铝锭截面组织三三、内部等内部等轴晶的形成机理晶的形成机理1 1、“成分过冷成分过冷”理论理论2 2、激冷晶核卷入理论、激冷晶核卷入理论3 3、型壁晶粒脱落和枝晶熔断、型壁晶粒脱落和枝晶熔断理论理论4 4、结晶雨游离理论、结晶雨游离理论剩余熔体内部晶核自由生长的结剩余熔体内部晶核自由生长的结果。果。晶核来源晶核来源1、“成分成分过冷冷”理理论该理理论认为，随着凝固，随着凝固层向内推移，固相散向内推移，固相散热能力逐能力逐渐削弱，内部温度梯度削弱，内部温度梯度趋于平于平缓，且液相，且液相中的溶中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐冷逐渐增大。增大。当成分当成分过冷大到足以冷大到足以发生非均生非均质生核生核时，便，便导致内部等致内部等轴晶的形成。晶的形成。2、激冷晶核卷入理、激冷晶核卷入理论稳定凝固壳层形成之前，稳定凝固壳层形成之前，大量游离的激冷晶核随着大量游离的激冷晶核随着液流的流动漂移到铸型的液流的流动漂移到铸型的中心区域。中心区域。如果液态金属的浇注温度如果液态金属的浇注温度不高，游离晶粒不会被完不高，游离晶粒不会被完全融化掉，残存晶粒可作全融化掉，残存晶粒可作为内部等轴晶的晶核。为内部等轴晶的晶核。浇注温度低可以使柱状浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区晶区变窄而扩大等轴晶区。图图5-5型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离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晶体密度比熔体小的情况;b)晶体密度比熔体大的情况晶体密度比熔体大的情况3 3、枝晶熔断理枝晶熔断理论生生长着的着的柱状枝晶柱状枝晶在凝固界面前方的在凝固界面前方的熔断熔断、游离游离和和增殖增殖导致了致了内部等内部等轴晶晶晶核的形成，称晶核的形成，称为“枝枝晶熔断晶熔断”理理论。游离晶核的形成游离晶核的形成材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶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质浓度大的合金容易得到等轴晶呢?材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院4、结晶雨理论液面冷却产生的晶粒或者铸型顶部凝固层脱落的分枝下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生熔断和增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨”理论。多发于大型铸锭的凝固过程。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院中心等轴晶的形成大多是以上四种机理综合作用的结果。他们相对作用的大小取决于凝固的实际条件。图图5-2 几种不同类型的铸件宏观组织示意图几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有）三个晶区都有;（d）只有等轴晶）只有等轴晶 第二第二节铸件宏件宏观结晶晶组织的控制的控制一、一、一、一、铸铸件宏件宏件宏件宏观组织观组织的特的特的特的特性性性性表面激冷区的形成机理表面激冷区的形成机理 柱状晶区的形成机理柱状晶区的形成机理 内部等轴晶的形成机理内部等轴晶的形成机理材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院u柱状晶的特点是各向异性柱状晶的特点是各向异性应用：应用：磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等强调磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件更具优点。晶的零件更具优点。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院第二节 铸件宏观结晶组织的控制思路:晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的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。铸铸件宏件宏件宏件宏观结观结晶晶晶晶组织组织的控制措施：的控制措施：的控制措施：的控制措施：增加形核增加形核增加形核增加形核1.1.向熔体中加入向熔体中加入向熔体中加入向熔体中加入强强生核生核生核生核剂剂（孕育（孕育（孕育（孕育处处理）理）理）理）2.2.控制控制控制控制浇浇注温度和增大注温度和增大注温度和增大注温度和增大铸铸件冷却速度件冷却速度件冷却速度件冷却速度二、孕育二、孕育处理理孕育孕育处理是理是浇注之前或注之前或浇注注过程中向液程中向液态金属中添金属中添加少量物加少量物质以达到以达到细化晶粒、改善宏化晶粒、改善宏观组织目的的目的的一种工一种工艺方法。方法。孕育孕育(Inoculation)主要是影响生核主要是影响生核过程和促程和促进晶粒晶粒游离以游离以细化晶粒；而化晶粒；而变质（Modification）则是改是改变晶体的生晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。机理，从而影响晶体形貌。变质在改在改变共晶合金的非金属相的共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的晶形貌上有着重要的应用，而在等用，而在等轴晶晶组织的的获得和得和细化中采用的化中采用的则是孕是孕育方法。育方法。孕育孕育剂作用机理的两作用机理的两类观点点孕育主要起孕育主要起非自非自发形核形核作用作用u通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。孕育剂含有直接作为非自发生核的物质孕育剂含有直接作为非自发生核的物质孕育剂能与液相中某些元素孕育剂能与液相中某些元素反应反应生成较稳定的生成较稳定的化合物化合物而产生非自发生核而产生非自发生核在液相中造成很大的在液相中造成很大的微区富集微区富集而迫使结晶相提而迫使结晶相提前弥散析出而生核前弥散析出而生核合金种合金种类孕育孕育剂主要主要组元元加入量加入量wt%加入方法加入方法碳碳钢及合金及合金钢Ti0.10.2铁合金合金V0.060.30B0.0050.01铸铁Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.11.0，与与Si-Fe复合复合铁合金合金铝合金合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+C Ti:0.15;Zr:0.2；复合复合:Ti0.01B或或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中中间合金合金过共晶共晶Al-Si合金合金P0.02Al-P，Cu-P，Fe-P中中间合金合金铜合金合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.020.04纯金属或中金属或中间合金合金镍基高温合金基高温合金WC,NbC碳化物粉末碳化物粉末表表5-1合金常用孕育剂的主要元素情况合金常用孕育剂的主要元素情况孕育衰退孕育衰退（孕育效果逐（孕育效果逐渐减弱）减弱）孕育孕育剂加入合金液后要加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。一个孕育期和衰退期。在孕育期内，作在孕育期内，作为孕育孕育剂的中的中间合金的某些合金的某些组分完分完成熔化成熔化过程，或与合金液反程，或与合金液反应生成化合物，起生成化合物，起细化化作用的异作用的异质固相固相颗粒均匀分布并与合金液充分粒均匀分布并与合金液充分润湿，湿，逐逐渐达到最佳的达到最佳的细化效果。化效果。当当细化效果达到最佳化效果达到最佳值时浇注是最理想的，随合金注是最理想的，随合金熔化温度和孕育熔化温度和孕育剂种种类的不同，达到最佳的不同，达到最佳细化效果化效果所需要的所需要的时间也不同。也不同。u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。处理工艺密切相关。u一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开一般处理温度越高，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。的前提下，应尽量降低处理温度。u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。处理方法来选择。材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院 1.1.向熔体中加入强生核剂（孕育处理）向熔体中加入强生核剂（孕育处理）2.2.控制浇注温度和增大铸件冷却速度控制浇注温度和增大铸件冷却速度采用低的浇注温度采用低的浇注温度采用合理的浇注工艺采用合理的浇注工艺改进铸型激冷倾向和铸型结改进铸型激冷倾向和铸型结构构动态下结晶细化等轴晶动态下结晶细化等轴晶合理的合理的浇注工注工艺浇注温度浇注温度浇注工艺浇注工艺 合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴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。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。生相应的缺陷。低温铸造低温铸造水流冷却的斜板浇注方法水流冷却的斜板浇注方法铸型中间浇注铸型中间浇注单孔上注单孔上注沿型壁六孔浇注沿型壁六孔浇注图图5-8不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织冷却条件的控制冷却条件的控制控制冷却条件的目的是形成控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和的凝固区域和获得大的得大的过冷，冷，从而促从而促进熔体生核和晶粒游离。熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度小的温度梯度GL和和高高的冷却速度的冷却速度R可以可以满足以上要求。但就足以上要求。但就铸型的冷却能力型的冷却能力而言，而言，除薄壁除薄壁铸件外，件外，这二者不可兼得二者不可兼得。对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。对对厚厚壁壁铸铸件件，一一般般采采用用冷冷却却能能力力小小的的铸铸型型以以确确保保等等轴轴晶晶的的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。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悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的与高的R的要求。的要求。悬浮浇注法是在浇注悬浮浇注法是在浇注过程过程中中将一定量的将一定量的固态金属颗粒加入固态金属颗粒加入到金属液中到金属液中，从而，从而改变金属液凝固过程，改变金属液凝固过程，达到细化组织、减小达到细化组织、减小偏析、减小铸造应力偏析、减小铸造应力的目的的一种工艺方的目的的一种工艺方法。法。悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统料斗料斗离心集液包离心集液包直浇道直浇道悬浮浮浇注法的特点注法的特点1)显著著细化化铸件件组织，提高力学性能，改善，提高力学性能，改善铸件厚件厚大断面力学性能均匀性；大断面力学性能均匀性；2)减小凝固收减小凝固收缩，使冒口减小，使冒口减小1535%；3)减少减少缩松，提高松，提高铸件致密性；件致密性；4)减小减小铸造造应力，减小力，减小铸件件热裂裂倾向；向；5)改善宏改善宏观偏析；偏析；6)提高凝固速度，改善提高凝固速度，改善铸型受型受热状况；状况；7)可以可以实现浇注注过程合金化。程合金化。三、三、动力学力学细化化1 1铸型振动铸型振动2 2超声波振动超声波振动3 3液相搅拌液相搅拌4 4流变铸造流变铸造1铸型振型振动在凝固过程中振动铸型可在凝固过程中振动铸型可使液相使液相和固相发生相对运动和固相发生相对运动，导致，导致枝晶枝晶破碎破碎形成结晶核心。形成结晶核心。离心铸造离心铸造时时若周期改变旋转方向可获得细小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。对运动所起的细化晶粒作用。振动还可引起振动还可引起局部的温度起伏局部的温度起伏，有利于枝晶熔断有利于枝晶熔断。振动铸型可振动铸型可促使促使“晶雨晶雨”的形成的形成。立式离心铸造机2超声波振超声波振动超声波振超声波振动可在液相中可在液相中产生空化作用，形成空隙，当生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩些空隙崩溃时，液体迅速，液体迅速补充，液体流充，液体流动的的动量很大，量很大，产生很高的生很高的压力。当力。当压力增力增加加时凝固的合金熔点温度也凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝固要增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，冷度，造成形核率的提高，使晶粒使晶粒细化。化。3液相液相搅拌拌 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。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、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。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流流变铸造造 流变铸造又称半固态铸流变铸造又称半固态铸造，这种方法是当液体金造，这种方法是当液体金属凝固达属凝固达5060时，时，在氩气保护下进行高速搅在氩气保护下进行高速搅拌，使金属成为半固态浆拌，使金属成为半固态浆液，将半固态浆液凝固成液，将半固态浆液凝固成坯料或挤压至铸型凝固成坯料或挤压至铸型凝固成形。其固态晶体随搅拌转形。其固态晶体随搅拌转速的增加趋于细小而圆整，速的增加趋于细小而圆整，机械性能显著提高。机械性能显著提高。这种细小圆整的半固态这种细小圆整的半固态金属浆液由于具有较好的金属浆液由于具有较好的流动性而容易成形。因为流动性而容易成形。因为它的温度远低于液相线温它的温度远低于液相线温度，所以对于黑色金属的度，所以对于黑色金属的压铸件来说，能大大减轻压铸件来说，能大大减轻金属对模具的热冲击，提金属对模具的热冲击，提高压铸模具的寿命，扩大高压铸模具的寿命，扩大黑色金属压铸的应用范围。黑色金属压铸的应用范围。传统铸造传统铸造a a）和流变铸造）和流变铸造b b）所获得的显微组织）所获得的显微组织