铸件结晶组织的形成与控制enig

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,铸件结晶组织,的形成与控制,主要内容,1、铸件（锭）典型结晶组织,2、表面细晶区及内部柱状晶区的形成,3、中心等轴晶的形成,4、铸件晶粒组织的控制,铸件的结晶组织,宏观状态,指铸态,晶粒的形态、大小、取向,和,分布,；,微观结构,包括,晶粒内部的结构形式,，如,树枝晶、胞,状晶,等,亚结构形态,，,共晶团内部的两相结构形态,，,以及,这些结构形态的细化程度,等。,两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关，,并对铸件的各项性能，特别是力学性能产生强烈的,影响。,5.1 铸件（锭）典型结晶组织,最典型的铸件晶粒组织,由三个区组成：,1、表面细晶粒区,2、内部柱状晶区,3、中心等轴晶区,其中,表面细晶粒区,和,中心等轴晶区,是由,等轴晶,粒,（在极大冷却速度条件下表面细晶粒区也可能,是柱状晶）组成的，其排列方向比较紊乱。,它们之间的差别仅在于,表面细晶粒区的晶粒细,小，中心等轴晶区的晶粒较为粗大,。内部柱状晶,区的特点是晶粒都垂直于型壁排列，且平行于热,流方向。,几种不同类型的铸件宏观组织示意图,只有柱状晶,只有等轴晶,表面细等轴晶,加柱状晶,三个晶区都有,5.2表面细晶区及内部柱状晶区的形成,5.2.1表面细晶粒区的形成,一般条件下，铸件表层的细小等轴晶区很小，,其厚度局限于几个晶粒尺寸大小，而其余两个区,域尺寸相对较大。表面细晶粒区中的晶粒通常是,无方向性的细等轴晶。,对于表面细晶粒区的形成曾经有过不同的理论,解释。早期曾经有人认为，液态金属浇入铸型中,后，型壁附近的熔体受到强烈的激冷作用，产生,很大的过冷度而大量,非均质形核,。这些晶核又在,型壁较强的散热条件下迅速长大并相互接触，从,而形成大量无规则排列的,细小等轴晶粒,。,根据这种理论，表面细小晶粒的形成与型壁附,近熔体内的形核数量有关，形核量越大，表面细,晶区就越大，晶粒尺寸也越小。因此，所有影响,非均质形核,的因素，如外来质点的数量、熔体的,过热度、铸型的冷却能力等传热条件都将直接影,响表面细晶区的宽度和晶粒大小。,而后来的研究表明，除非均质形核作用外，由,于各种因素引起的,晶粒游移,也是形成表面细小晶,粒的晶核来源。大野笃美通过实验发现，由于溶,质再分配导致生长中的枝晶根部发生“缩颈”，,而浇注及凝固过程中形成的液体流动对缩颈后的,枝晶根部产生冲击作用，致使枝晶熔断和型壁处,的晶粒脱落，在液体中产生游离晶粒。这些游离,晶粒一部分沉积在型壁附近区域，形成表面细晶,区。,一旦表层细晶粒连成一片，形成具有一定厚度,的凝固外壳后，晶粒就不能继续脱落与游移，于,是表层细晶区便停止扩展。,5.2.2柱状枝晶区的形成,柱状晶最初是由表面细小等轴晶在一定条件下,沿垂直型壁方向,择优生长,而成的。表面细小等轴,晶的形成与生长一旦形成稳定密实的凝固外壳，,处于凝固界面前沿的晶粒原来的各相同性生长条,件即被破坏，转而在垂直于型壁的单向热流作用,下，,以枝晶方式沿热流的反向延伸生长,。,最初，由于众多枝晶的主干互不相同，较之其,他主干取向不利的枝晶，那些,主干与热流方向平,行的枝晶,获得了更为有利的生长条件，优先向液,体内部延伸生长并抑制了其他方向的枝晶生长，,如此淘汰掉取向不利的枝晶后逐渐发展成为柱状,晶（如图所示）。,晶体择优生长形成柱状晶示意图,由于晶体的择优生长，在柱状晶向前发展的过,程中，离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被,淘汰得就越多，柱状晶的生长方向就越集中，垂,直生长方向的晶粒平均尺寸就越大。,决定柱状晶持续发展的,关键因素,是,其生长前端,是否出现一定数量的等轴晶粒,。如果柱状晶生长,前沿的液体中始终不具备有利于等轴晶形成与生,长的条件，其生长过程将持续进行，甚至一直延,伸到铸件中心，直到与从对面型壁生长过来的柱,状晶相遇为止，即形成除表面微小的等轴晶薄层,以外由柱状晶贯穿整个铸件断面的所谓“,穿晶组,织,”。,一旦柱状晶生长前沿出现等轴晶形成、生长以,及液体中游离晶粒向柱状晶生长前沿沉积的有利,条件，柱状晶的生长即被抑制，而在铸件中心形,成又一个等轴晶区。不过，这一区域的等轴晶尺,寸要比型壁附近的晶粒尺寸大得多。,5.3 中心等轴晶的形成,由于表层等轴晶区和充分生长的柱状晶区极大,地降低了铸型壁对液体的冷却作用，液体散热的,方向性也完全丧失，因此，在柱状晶生长前沿形,成或沉积在此处的等轴晶将在剩余液体内部自由,生长，形成粗大的等轴晶区。,5.3.1 过冷液体中非均质形核理论,随着柱状晶向内生长及相应的溶质再分配，在,固液界面前沿的液体中产生成分过冷，当成分过,冷的过冷度超过非均质形核所需的临界过冷度,时，就会在成分过冷的液体中产生晶核并长大，,形成内部等轴晶区。,5.3.2 型壁激冷作用产生的晶核卷入理论,液态金属在进入铸型过程中受到来自型壁等的,激冷作用，通过非均质形核在液体内形成大量游,离状态的晶核，这些晶核随着液体的流动漂移到,铸型的中心区域，如图5-4所示。如果液态金属,的温度不致使这些游离漂移的晶核全部熔化，其,中部分晶核就会存留下来成为中心等轴晶区的形,成核心。,液态金属进入铸型时形成的游离晶粒,等轴晶即便在浇注过程中没有来得及形成，那,么浇注完毕凝固的开始阶段，在型壁处形成的晶,体，由于其密度或大于母液或小于母液也会产生,对流，依靠对流可将型壁处产生的晶体且游离到,铸件的内部，如图5-5所示。,受型壁激冷作用而形成的游离晶粒,a）晶体密度比熔体小的情况 b）晶体密度比熔体小的情况,此外，型壁处和铸件心部的液体温度差造成的,热温 ，也使得晶体由型壁处向内部熔体游离。,而且，金属表面的空气冷却使表面的液体因温度,降低密度增大而下沉和沿型壁处液体的上升使对,流作用加剧，从而也将型壁处的晶体带至型腔内,部。,以上两种观点均认为中心等轴晶是由于非均质,形核产生游离晶粒并在液体中自由长大的结果，,尤其是当液态金属内部存在有大量有效形核质点,时，中心等轴晶区宽度加大，晶粒尺寸减小。,5.3.3 型壁晶粒脱落和枝晶熔断理论,依附型壁形核的晶粒或枝晶生长过程中引起界,面前沿,溶质再分配,，使相应的液相熔点降低，从,而导致该区域的,实际过冷度减小,。溶质偏析程度,越大，实际过冷度就越小，晶体的生长就越缓慢。,由于紧靠型壁的晶体或枝晶根部的溶质在液体中,扩散均匀化的条件最差，这些部位附近的液体中,溶质偏析程度最为严重，因而其侧向生长受到强,烈抑制。,与此同时，远离枝晶根部的其他部位则由于界,面前沿液体中的溶质易于通过扩散和对流而均匀,化，容易获得较大的过冷，其生长速度要快得多。,因此，枝晶根部在生长过程中会产生“,缩颈,”现,象，如图5-6所示。,型壁晶粒脱落示意图,铸铁的树枝晶及其缩颈,在液体对流的机械冲刷和温度起伏引起的热冲,击作用下，枝晶的缩颈部位很容易断裂，形成游,离晶粒并被液体对流输送到铸件中心区域，从而,形成中心等轴晶区。,还需要特别说明，由于受到液体,温度起伏,与,成,分起伏,的影响，这些游离晶粒在输运过程中，遇,到高温则再溶解，遇到低温再长大，长大时也可,能产生缩颈，再遇到高温时熔断成碎晶，再遇到,低温时又长大，完成增殖过程，如图5-7所示。,游离晶粒的熔断与增殖过程示意图,5.3.4“结晶雨”游离晶粒理论,凝固初期在型壁上表面附近的过冷液体中形成,晶核并生长，或者枝晶根部缩颈脱落成为细小晶,体，由于这些游离晶粒的密度大于液体而在液体,中像,雨滴,一样降落，沉积在生长着的柱状晶前端,抑制其生长，形成内部等轴晶区。,5.4铸件晶粒组织的控制,铸件的结晶组织对其性能有着重要影响。表面,细晶区很薄，因而对铸件的性能影响较小。而柱,状晶区与中心等轴晶区的宽度、晶粒以及两者的,比例则是决定铸件性能的主要因素。,柱状晶是晶体择优生长形成的单向细长晶体，,排列位向一致，一般垂直生长方向的尺寸比较粗,大，晶界面积较小，因此，其性能有明显的方向,性，沿柱状晶生长方向的性能优异，而垂直生长,方向的性能则较差。,柱状晶相碰的地带溶质及杂质聚积严重，造成,强度、塑性、韧性在柱状晶的横向方向大幅度下,降，对热裂敏感，腐蚀介质中易成为集中的腐蚀,通道。对于铸锭来说，还易于在以后的塑性加工,或轧制过程中导致裂纹。因此，通常不希望铸件,中出现粗大的柱状晶组织。,对于沿某一特殊方向要求高性能的零部件，如,航空发动机叶片,等，可以充分利用柱状晶性能各,向异性，通过采用,定向凝固技术,，控制单向散,热，以获得全部单向排列的柱状晶组织，从而极,大地提高这类特殊零件的使用性能和可靠性。,中心等轴晶区的晶粒之间位向各不相同，晶界,面积较大，而且偏析元素、非金属夹杂物和气体,等比较分散，等轴晶彼此嵌合，结合比较牢固，,因而不存在所谓“弱面”，性能比较均匀，没有,方向性，即所谓,各向同性,。,但是，如果中心等轴晶区中的枝晶发达，显微,缩松较多，凝固组织不够致密，从而使铸件性能,显著降低。细化等轴晶可以使杂质元素和非金属,夹杂物、显微缩松等缺陷弥散分布，因此能够显,著提高力学性能和抗疲劳性能。生产上往往采取,措施细化等轴晶粒，以获得较多甚至全部是细小,等轴晶的组织。,控制铸件的宏观组织就是要控制铸件（锭）中,柱状晶和等轴晶区的相对比例。一般铸件希望获,得全部细等轴晶组织，为了获得这种组织，可以,通过创造有利于等轴晶形成的条件来抑制柱状晶,的形成和生长。,根据等轴晶的形成机制，凡是有利于小晶粒的,产生、游离、漂移、沉积及增殖的各种因素和措,施，都有利于抑制柱状晶区的形成和发展，扩大,等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。这些因素,归纳起来有两个方面的，一个是,金属方面,的，另,一个是,铸型方面,的。,在,金属方面,，影响宏观组织形成的因素有化学,成分、形核特性、浇注温度，以及金属液在浇注,过程中的运动等等。,在,铸型方面,，影响宏观组织形成的因素有铸件,的热物理性质、铸型温度及铸型结构等等。,5.4.1 合理控制热学条件,1、较低的浇注温度,大量试验及生产实践表明，适当降低浇注温度,可以有效减少柱状晶区,比例，从而获得细小等轴,晶组织，尤其时对于导热性较差的合金而言，效,果更为明显。较低的浇注温度一方面有利于减少,液态金属由于高温而引起的晶粒重熔的数量，使,得先期形成的晶粒更多地存留下来；另一方面，,液态金属过热温度的降低也有利于产生较多的游,离晶粒。,Al0.15%Ti合金的铸造组织,（a）1023K浇注 （b）1173K浇注,2、适当的浇注工艺,液态金属进入铸型及凝固初期受到激冷作用形,成的微小晶粒游离后被输运到液体内部，成为等,轴晶的主要来源。凡是凝固促进液体金属对流及,其对型壁冲刷作用的因素均能增加等轴晶数量，,扩大等轴晶区并细化其尺寸。,大野笃美研究比较了几种浇注方法（石墨型，,Al-0.2%Cu合金）对铸件宏观组织的影响。,单孔中心上注法,凝固组织柱状晶发达，等轴晶区窄且晶粒粗大,单孔靠近型壁上注法,柱状晶区缩小，等轴晶区域扩大，晶粒细化,六孔靠近型壁上注法,全部细小等轴晶,斜板浇注细化法示意图,3、铸型性质和铸件结,构,（1）铸型激冷能力的影响,铸型激冷能力对凝固组织的影响与,铸件壁厚,和,液态金属的,导热性,有关。,对于,薄壁铸件,而言，激冷可以使整个断面同时,产生较大的过冷。铸型材料蓄热系数越大，液态,金属就能获得较大的过冷，形核能力越强，有利,于促进细小等轴晶组织的形成。,对于,壁厚较大,和,导热性较差,的铸件而言，只有,型壁附近的金属才受到激冷作用，因此等轴晶区,的形成主要依靠各种形式的游离晶粒。在这种情,况下，铸型冷却能力的影响具有双重性：,一方面，冷却能力较低（低蓄热系数）的铸型,能延缓铸件表面稳定,凝固壳层,的形成，有助于凝,固初期激冷晶粒的游离，同时也使液体金属内部,温度梯度较小，固、液相共存区域较宽，从而对,增加等轴晶数量有利；,另一方面，铸型冷却能力低减缓了液体过热热,量的散失，不利于游离晶粒的存留和增加等轴晶,数量。通常，前者起主导作用。因此，在一般生,产过程中，,除薄壁铸件外，采用金属型比砂型铸,造更易获得柱状晶，特别是高温浇注时更为明,显,。,如果存在有利于非均质形核与晶粒游离的其他,因素，如,强形核剂,的存在、,低浇注温度,、,促进枝,晶缩颈,及强烈的,液体对流与搅拌,等，则无论是金,属型还是砂型铸造，皆可获得细小的等轴晶组,织。,（2）液态金属与铸型表面的润湿角,试验表面，液态金属与铸型表面的润湿性好，,即接触角小，则在铸型表面易于形成稳定的凝固,壳层，因而有利于柱状晶的形成与生长。反之，,则有利于等轴晶的形成与细化。,（3）铸型表面的粗糙度,试验结果表面，随着铸型表面粗糙度的提高，,不利于柱状晶生长，柱状晶区减小，而等轴晶区,扩大。,5.4.2孕育处理,孕育处理,是向合金液中添加少量物质以达到细,化晶粒、改善结晶组织和提高力学性能及工艺性,能之目的的一种方法。,孕育,主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细,化晶粒；而,变质,则是改变晶体的生长机理，从而,影响晶体形貌。,通过孕育或变质而使结晶组织细化的添加物统,称为,晶粒细化剂,。,一、具有非均质形核功能的晶粒细化剂,1、晶粒细化剂直接作为,外加的晶核,，这是一些,与欲细化相具有,界面共格对应关系,的,高熔点物质,或,同种金属颗粒,。,悬浮铸造,可归入此类。已经证明，在高锰钢,中加入猛铁，在高铬钢中加入铬铁都可以直接作,为欲细化相的非均质晶核而细化晶粒并消除柱状,晶组织。,铸铁的石墨组织,100,100 ,2、晶粒细化剂能与液相中某些元素（最好是欲,细化相的原子）组成较,稳定的化合物,，与欲细化,相具有界面共格对应关系而能促进非均质形核。,如钢中的V、Ti就是通过形成能促进非均质形核,的碳化物和氮化物而达到细化等轴晶的目的的。,锆在镁中的作用就是一个显著的例子，溶有微,量Zr的镁合金在冷却过程中通过包晶反应析出的,高度弥散-Zr可以直接作为镁的晶核，从而显,著地细化晶粒。,3、通过在液相中造成很大的微区富集而,迫使结,晶相提前弥散析出,。如硅铁加入铁水中瞬时间形,成了很多富硅区，造成局部过共晶成分迫使石墨,提前析出。而硅的脱氧产物SiO,2,及硅中的某些微,量元素形成的化合物可作为石墨析出的有效衬底,而促进非均质形核。,二、具有强成分过冷的晶粒细化剂,这类细化剂是作为溶质加入合金液中的。它的,特点是 很大。因此，它很容易在枝晶根部富,集而形成,缩颈,，从而促使晶粒的游离与增殖。由,于溶质富集程度与溶质平衡分配系数 有关，,如,果 越大，则晶粒细化的效果越好,。倘使溶质,富集在生长界面前沿，可以降低熔点（液相线温,度）而抑制晶体的生长，或改变晶体的生长形态,（例如Al-Si合金的变质处理）。,铝硅合金中的共晶硅组织,250 500 ,5.4.3动态晶粒细化,在结晶过程中，采用某些物理方法，如振动（通,过机械、超声波方法）、搅拌（通过机械、电磁方,法）或铸型旋转等，均可以引起液相与固相的相对,运动，导致枝晶的破碎，增殖，在液相中形成大量,晶核，有效地减小或消除柱状晶区，细化等轴晶组,织。,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。振动还可,引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。同时，,振动铸型可促使“,结晶雨,”的形成。“结晶雨”,的来源是液态金属表面的凝固层。当液态金属静,止时，表面凝固的金属壳不能下落。而铸型振动,可使壳层中的枝晶破碎，形成“结晶雨”。,振动方法可以直接振动铸型，也可以在浇注过,程中振动浇注槽或浇口杯，或者将振动器插入液,态金属中进行振动。,直接振动铸型,浇口杯振动浇注,2、超声波振动,超声波振动可在液相中产生,空化作用,，形成大,量空隙。当这些空隙崩溃时，周围液体迅速补充,进去，液体瞬时流动动量很大，产生很高的压,力，从而,引起金属熔点的改变,。,克拉布龙公式,式中 压力的改变量；, 压力引起熔点温度的改变量；, 一个大气压下的熔点温度；, 熔化潜热；, 液相和固相的体积。,可见，由于金属凝固时，其体积总是减少的，,因此,压力的激烈增加必将导致金属熔点的激烈上,升。,在液态金属温度一定的情况下，这相当于增,加了过冷度，从而导致形核数大增，使晶粒细化。,高压条件下凝固可细化晶粒的原因与之相同。,3、搅拌,在凝固初期，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。其中,机械搅拌和电磁搅拌方法不仅使晶粒细化，而且,可使晶粒趋于球化。,电磁搅拌细化法示意图,4、流变铸造,流变铸造又称半固态铸造。这种方法的实质是,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料，并进行挤,压成形，其固态晶体随搅拌转速的增加而更加趋,于细小而圆整，力学性能显著提高。,其原因在于，固态晶体之间以及它们与液体之,间发生碰撞、摩擦和冲刷作用，这使得固相颗粒,在各个方向上温度均匀，热流无方向性；此外，,在固-液界面处也没有溶质富集现象，从而消除,了“成分过冷”，这样就使得晶体在各个方向上,的长大速度快而均匀，从而成为细小圆整的颗粒,状。,