第五章+铸件凝固组织的形成及控制课件.ppt

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二、铸件宏观凝固组织的控制一、一、铸件宏观凝固组织的特铸件宏观凝固组织的特征及形成机理征及形成机理（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）（一）铸件的宏观组织铸件的宏观组织u激冷晶区由无激冷晶区由无规则的细小等轴规则的细小等轴晶组成晶组成;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，各向同性各向同性;表层急冷细晶区表层急冷细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 大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得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，而促使内部等轴晶的形成抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成和等轴晶细化和等轴晶细化就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着特别是存在着溶质及杂质偏析时溶质及杂质偏析时)柱状晶相碰的地带溶质及杂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易成为集中的腐蚀通道u柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材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的零件反而更具优点u如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十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分重要因此有必要学习各晶区组织的形成机理二）表面激冷区及柱状晶区的形成u表面激冷区的形成表面激冷区的形成u柱状晶区的形成柱状晶区的形成表面激冷区的形成传统理论：传统理论：型壁附近熔体由于型壁附近熔体由于受到强烈的受到强烈的激冷激冷作用，产生很大作用，产生很大的过冷度而的过冷度而大量非均质生核大量非均质生核,各各种形式的种形式的游离晶粒游离晶粒也是形成表面也是形成表面细等轴晶的细等轴晶的“晶核晶核”来源。

这些来源这些晶核在过冷熔体中采取枝晶方式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，壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了从而形成了无方向性无方向性的表面细等的表面细等轴晶组织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因此稳定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，粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄表面激冷区也就越窄铸型冷却能力的双重性！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浇注到用冰水激冷的薄壁不锈钢杯中，铸锭外部为柱状晶表面细晶区的大小与浇注温度、铸型温度、铸型导热能力、合金生核能力及合金成分有关浇注温度高、铸型导热能力弱，金属开始凝固时的温度已大为均匀，铸型表面生核和形成的晶体少。

脱落后被高温液体重熔的几率大，细晶区小，晶粒粗大，甚至消失铸型冷却能力过强，细晶区减小甚至消失溶质元素多，晶体与型壁之间和分枝的根部颈缩更细，晶体和分枝更容易脱落，细晶区就大表面激冷区的形成柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶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，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这个互相竞争淘汰的晶体长大过程称为称为“晶体的择优生长晶体的择优生长”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。

制柱状晶的形成柱状晶生长过程的动态演示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”浇铸温度提高，柱状区的宽度增大；浇铸条件一定，合金元素含量增加，游离晶粒增加，柱状区减小柱状晶生长过程的动态演示铸铸型型液液态态金金属属（三）内部等轴晶的形成机理 “成分过冷成分过冷”理论理论 激冷等轴晶型壁脱落与游离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，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便导致内部等轴晶的形成如：采用很强的生核剂如：采用很强的生核剂时，可使整个铸件断面获得细等轴晶时，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溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生产生“脖颈脖颈”，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凝固壳壳,另一方面，在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枝晶熔断及结晶雨理论生长着的柱状枝晶柱状枝晶在凝固界面前方的熔断熔断、游离游离和增殖增殖导致了内部等轴晶内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断枝晶熔断”理论液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积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，下落过程中也发生熔断熔断和增殖增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨结晶雨”理论晶粒游离现象大多发生在大型铸锭的凝固过程中，而一般铸件凝固过程中较少发生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等轴晶等轴晶不锈钢筛网不锈钢筛网等轴晶等轴晶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、二、铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制思路思路:晶区的形成和转变乃是晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力过冷熔体独立生核的能力和和各种形式各种形式晶粒游离晶粒游离、增殖增殖或或重熔重熔的程度这两个基本条件综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是由这个结果所决定的凡能强化熔体独立生核强化熔体独立生核，促进晶促进晶粒游离粒游离，以及，以及有助于游离晶的残存与增殖有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将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，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引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷件产生相应的缺陷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，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从而促进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可以满足以上要求但就铸型的冷却能力可以满足以上要求但就铸型的冷却能力而言，而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得除薄壁铸件外，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的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果对厚壁铸件表层激冷作用小，只作用于表面，容易造成对厚壁铸件表层激冷作用小，只作用于表面，容易造成内部温度梯度大，反而促进柱状晶形成内部温度梯度大，反而促进柱状晶形成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的要求悬浮浇注法是在浇注悬浮浇注法是在浇注过程中过程中将一定量的将一定量的固态金属颗粒加固态金属颗粒加入到金属液中入到金属液中，从，从而改变金属液凝固过而改变金属液凝固过程，达到细化组织、程，达到细化组织、减小偏析、减小铸造减小偏析、减小铸造应力的目的的一种工应力的目的的一种工艺方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浇注法的特点悬浮浇注法的特点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；学性能均匀性；2)减小凝固收缩，使冒口减小减小凝固收缩，使冒口减小1535%；3)减少缩松，提高铸件致密性；减少缩松，提高铸件致密性；4)减小铸造应力，减小铸件。