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1、第五章 铸件凝固组织的形成与控制,一、铸件宏观凝固组织的特征及形成机理二、铸件宏观凝固组织的控制,一、铸件宏观凝固组织的特征及形成机理,（一） 铸件的宏观组织（二） 表面激冷区及柱状晶区的形成（三） 内部等轴晶的形成机理,（一） 铸件的宏观组织,激冷晶区由无规则的细小等轴晶组成;柱状晶区的晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向.内部等轴晶区的晶粒较为粗大，各向同性;,图5-2 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,大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件抑制晶体的柱状长大，而
2、促使内部等轴晶的形成和等轴晶细化。就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着溶质及杂质偏析时)。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。,柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更具优点。如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形成机理。,返回,（二） 表面激冷区及柱状晶区的形成,表面激冷区的形成 柱状晶区的形成,表面激冷区的形成,传统理论：型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过
3、冷度而大量非均质生核,各种形式的游离晶粒也是形成表面细等轴晶的“晶核”来源。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。,浇注时液流的冲刷和浇注结束液体内外温度场引起的对流，引起晶体脱落和增殖溶质再分配引起的颈缩,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外向内的生长，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，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄。铸型冷却能力的双重性！,无对流时，即使冷却速度很大也不出现表面细晶层。大野笃美Al-0.1%Ti750浇
4、注到用冰水激冷的薄壁不锈钢杯中，铸锭外部为柱状晶。,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某些晶粒为基底向内生长，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平行的枝晶生长迅速 ，并且抑制取向不利的晶体生长，这个互相竞争淘汰的晶体长大过程称为“晶体的择优生长”。,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。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。,柱状晶生长过程的动态演示,如果界面前沿始终不利于等轴晶的形成与生长，柱状晶区就可以一直延伸到铸
5、件的中心，直到与对面型壁生长出的柱状晶相遇为止，从而形成“穿晶组织”,柱状晶生长过程的动态演示,（三） 内部等轴晶的形成机理,“成分过冷”理论 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论 枝晶熔断及结晶雨理论,“成分过冷”理论,该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。如：采用很强的生核剂时，可使整个铸件断面获得细等轴晶。,激冷等轴晶型壁脱落与游离理论,在浇注的过程中及凝固的初期激冷,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
6、扩大等轴晶区 。,图5-5 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,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5-6 晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离,图5-7 游离晶体的生长、局部熔化与增殖,枝晶熔断及结晶雨理论,生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断”理论。 液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，
7、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。,a) 7500C水淬,摇动 b) 在坩埚中置一不锈钢筛网大野笃美的实验,目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形成很可能是多种途径起作用。在一种情况下，可能是这种机理起主导作用，在另一种情况下，可能是另一种机理在起作用，或者是几种机理的综合作用，而各自作用的大小当由具体的凝固条件所决定。,二、 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，
8、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。,一、合理地控制浇注工艺和冷却条件二、孕育处理三、动力学细化,合理的浇注工艺冷却条件的控制,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。,铸型中间浇注 单孔上注 沿型壁六孔浇注,图5-8 不同浇注方法引起不同的
9、铸件凝固组织,低温铸造,水流冷却的斜板浇注方法,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R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、快热传导能力的铸型。,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R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。,悬浮浇注用涡流
10、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1535%； 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。,二、孕育处理,孕育处理是浇注之前或
11、浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法。 孕育( Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质（Modification）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。,孕育剂作用机理,孕育主要起非自发形核作用,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。促使界面前沿熔体内的非匀质形核成分过冷，溶质富集会抑制晶体生长速度，使晶粒细化。,孕育剂含有直接作为非自发生核的物质
12、孕育剂能与液相中某些元素反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核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而生核 含强成分过冷元素的生核剂,表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况,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
13、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。,铸型涂覆层的处理,1.铸型涂覆剂与铸件金属同种材料。2.铸型涂覆层与铸件金属具有相似的晶体结构。3.挥发性涂料。促使等轴晶从型壁脱落及使枝晶破碎。,三、动力学细化,1铸型振动2超声波振动3液相搅拌4流变铸造,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
14、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,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。,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
15、为首选。,4流变铸造,流变铸造又称半固态铸造，这种方法是当液体金属凝固达5060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型凝固成形。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。,传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织,液态金属在特殊条件下的凝固成形,一、快速凝固二、定向凝固,一、 快速凝固,（一）快速凝固简介（二）快速凝固方法（三）快
16、速凝固显微组织（四）金属玻璃,（一）快速凝固简介,快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。,快,界面推进速率大于10 mm/s冷却速率达到104109 K/s,固-液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散速率时，晶体将来不及转移成分，界面固、液相成分不再平衡。,完全扩散平衡固-液界面局部平衡非稳定界面局部平衡界面不平衡,凝固中的固、液界面溶质成分,定义：在比常规工艺过程(冷速不超过102 /s )快得多的冷速下，合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。,冷速,快速凝固的组织特征,快速凝固的实质在于通过某种技术手段，使液态合金在很大的冷却速度下达到足够大的过冷度，使
17、凝固过程尽可能按无溶质再分配、无扩散、无偏析的模式进行。,显著扩大合金的固溶极限；超细的晶粒度；少偏析或无偏析；形成亚稳相；形成非晶相；高的点缺陷密度。,快速凝固合金的性能特点,高强度及高韧性；高耐蚀性；高抗蠕变能力；使不锈钢成为理想的核反应内壁的结构材料；某些晶态合金也与非晶合金一样具有良好的磁学、电学和超导能力；非晶合金具有一系列极有价值的性能特点。,动力学激冷凝固技术热力学深过冷凝固技术,液相微粒的雾化法；经过特殊处理的块体材料快速凝固；,（二）快速凝固方法,1、把金属或合金熔体分散成小液滴 也称之为雾化技术、乳化技术或喷射成形技术，以使这些小液滴在凝固前达到很大的过冷度。,雾化法的装置
18、,深过冷法,深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是: 消除合金液中的异质形核核心。,熔融玻璃净化法 通过熔融玻璃对合金液的净化作用，消除合金液中的异质形核核心。,悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮） 通过无容器熔炼消除合金熔体与容器接触对形核的促进作用。,（三）快速凝固显微组织,凝固在很大的过冷度和很高的冷却速率下进行，凝固组织中会出现非平衡相 。,可以把温度梯度G和生长速率R联系起来，用GR空间表示显微组织的变化和枝晶间距（偏析间距）的变化：,对铸件和铸锭，通常GR=10-3101K/s，但对雾化法，GR=102106K/s。相应地，偏析间距从1000m减小到0.01m。,（四）金属玻璃
19、,金属玻璃（也称非晶态合金）是Duwez等人在1960年首先发现的，他们通过对熔融Au80Si20合金快速冷淬获得了金属玻璃。,金属玻璃保留了液态金属的短程有序的类似原子簇的结构 ，微观组织中不存在晶界、位错和偏析等缺陷，其结构类似于普通玻璃 。,快速凝固的Al-Fe-V-Si合金组织,金属玻璃的拉伸强度可高达 3 4GPa，并具有很好的耐腐蚀性能、优异的软磁性能、优良的超导性能、较高的热稳定性和较低的表面活性，已经或可望应用于机械结构材料、磁性材料、声学材料、仿生材料、光学材料、体育器材以及电子材料等多个方面。,能否发生玻璃化转变的影响因素主要有冷却速率、形核密度和材料特性。 对应于一定的合
20、金熔体，欲发生玻璃化转变需要有足够高的冷却速率。,二、定向凝固,定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶铸造等方面都有重要的意义。对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不同部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯度很大，糊状凝固区域明显减小，因此补缩得到改善，铸件完整性变好，同时铸件的机械性能也得以提高。,二、定向凝固,定向凝固的合金柱状晶粒结构使得材料沿凝固方向的抗蠕变和抗热疲劳特性明显提高，这种技术常用于制造具有柱状晶结构或单晶的发动机叶片。,1. 定向凝固,定义：使物质在熔体中定向生长晶体的一种方法；目的：获得具有一定方向的柱状晶或单晶组织的材料或零件。,定向凝固原理及技术,定
21、向凝固原理和条件：,严格保证单向散热，使成正温度梯度；提高G/L比值；提高液体的纯净度；避免液态金属的对流、搅拌和震动；,发热剂法：炉内单向凝固法,定向凝固原理及技术,建立自下而上的凝固,功率下降法：快速凝固法：液态金属冷却法：,获得单晶的条件和单晶制造方法,定义：由一个晶粒组成的毛坯或产品。目的：性能优良的零件。,获得单晶的条件：,在金属熔体中只能形成一个晶核；凝固前沿的熔体应处于过热状态，且单向凝固；凝固前沿不允许有温度过冷和成分过冷；,获得单晶的条件和单晶制造方法,定向凝固获得单晶的方法：,正常凝固法区熔法,坩埚移动或炉体移动法晶体提拉法,定向凝固装置的工作过程大致为：材料在顶部的熔化室中熔化然后浇注到模型中，模型在一端急冷，可控拉伸装置保证了金属在模具中的定向凝固。定向凝固的单晶叶片是通过对多晶的螺旋选择生长凝固而成的。,柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶,等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较,
