鑄件凝固組織的形成及控制

鑄件凝固組織的形成及控制1第1頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄件內(nèi)通常含有三個不同形態(tài)的晶區(qū)1、表面細晶區(qū)：緊靠鑄型壁的激冷組織——激冷區(qū)。細小等軸晶。2、柱狀晶區(qū)：垂直于型壁，彼此平行排列的柱狀晶粒。3、內(nèi)部等軸晶區(qū)：各向同性的等軸晶。尺寸比表面細晶區(qū)的粗大。表面激冷區(qū)較薄，僅幾個晶粒厚，其余兩晶區(qū)較厚。晶區(qū)數(shù)及厚度隨合金成分和凝固條件而變。鑄件性能由柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的相對量決定，表面細晶區(qū)影響有限。2第2頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月二、鑄件宏觀凝固組織的形成機理（一）表面細晶區(qū)的形成早期理論：型壁附近大過冷——大量生核、迅速長大并相互接觸。后期理論：非均質(zhì)形核+游離晶粒晶核

游離晶粒的產(chǎn)生：由于溶質(zhì)再分配在生長的枝晶根部產(chǎn)生“縮頸”，在流動液態(tài)金屬作用下枝晶熔斷或型壁晶粒脫落而游離。（溶質(zhì)偏析+流動有利）。3第3頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）柱狀晶區(qū)的形成1、從表面細晶區(qū)形成并發(fā)展起來；2、穩(wěn)定凝固殼形成后——單向熱流——界面前沿晶粒以枝晶狀延伸生長；3、主干與熱流平行的枝晶生長更迅速；淘汰取向不利的晶體，成為柱狀晶組織。4第4頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的擇優(yōu)生長：互相競爭淘汰的晶體生長過程。控制柱狀晶區(qū)繼續(xù)發(fā)展的關鍵：內(nèi)部等軸晶區(qū)的出現(xiàn)。穿晶組織：無內(nèi)部等軸晶區(qū)，柱狀晶區(qū)一直延伸到鑄件中心，與對面型壁長出的柱狀晶相遇。純金屬——鑄態(tài)組織全為柱狀晶。5第5頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成成因：內(nèi)部晶核自由生長。關于晶核來源及內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成過程的不同理論觀點（4點）：1、過冷熔體非自發(fā)生核理論：成分過冷——生核、長大。2、激冷晶卷入理論：澆注時產(chǎn)生游離激冷晶——漂到型中心——未熔化——晶核。6第6頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月3、型壁晶粒脫落和枝晶熔斷理論：出發(fā)點：溶質(zhì)再分配晶粒生長時——界面前方溶質(zhì)富集——凝固點降低——晶體及枝晶根部最甚、生長被抑制——其它部位溶質(zhì)易擴散走、生長速度快——產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象——形成“細脖子晶”。7第7頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月

在流體機械沖刷及熱沖擊對流作用下——在“縮頸”處易斷、并脫落——晶粒游離。4、“結(jié)晶雨”游離理論：在液面產(chǎn)生過冷并形成晶核、長大成小晶體——小晶體或頂部凝固層脫落的分枝——降落——形成游離晶體。8第8頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月兩點注意（1）游離晶體增殖現(xiàn)象：游離晶在液流中漂移，不斷受溫度起伏和濃度起伏影響，表面處于反復局部熔化和反復生長狀態(tài)——縮頸處斷開——晶粒破碎——各自成為新游離晶。該過程為晶粒增殖。（2）四種理論都存在。不同條件起主導作用的理論不同，大多是幾個機理綜合作用。9第9頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)

鑄件宏觀凝固組織的控制

10第10頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月一、鑄件結(jié)晶組織對鑄件性能的影響

表面細晶區(qū)比較薄，對鑄件性能影響較??；柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的寬度及兩者比例、晶粒大小是決定鑄件性能的主要因素。1、柱狀晶（1）柱狀晶為細長晶體，比較粗大，晶界面積較小，排列位向一致。（2）性能有方向性，縱向好；（3）雜質(zhì)元素、非金屬夾雜物和氣體被排斥在界面前沿，分布在晶界，易形成熱裂；隨后的塑性加工易產(chǎn)生裂紋；

所以，通常不希望得到粗大柱狀晶組織。11第11頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2、內(nèi)部等軸晶（1）晶粒間位向各不相同，晶界面積大，偏析元素、非金屬夾雜物和氣體分散分布，性能均勻，無方向性——各向同性；（2）若內(nèi)部等軸晶比較發(fā)達，縮松多，不致密，降低性能。細化晶?？筛纳菩阅堋?2第12頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月二、鑄件宏觀組織的控制途徑和措施控制鑄件的宏觀組織就是控制鑄件柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的相對比例。通常希望鑄件獲得全部等軸晶組織——需要抑制柱狀晶的產(chǎn)生和生長——通過創(chuàng)造有利于等軸晶形成的條件來達到——凡是有利于小晶粒的產(chǎn)生、游離、漂移、沉積、增殖的各種因素和措施均有利于擴大等軸晶區(qū)的范圍，抑制柱狀晶區(qū)的形成與發(fā)展，并細化等軸晶組織。13第13頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月具體措施

（一）向熔體加入強生核劑——孕育處理控制金屬和合金鑄態(tài)組織的重要方法之一是控制形核。生產(chǎn)中主要采用孕育處理的方法，強化非均質(zhì)形核。孕育處理：向液態(tài)金屬中添加生核劑，影響生核過程、增加晶核數(shù)，達到細化晶粒的目的，叫孕育處理。該生核劑也稱孕育劑。（類似概念）變質(zhì)處理：向金屬液加入某些微量物質(zhì)以影響晶體的生長機理，達到改變組織結(jié)構(gòu)，提高機械性能的目的，該處理工藝稱為變質(zhì)處理。孕育與變質(zhì)的區(qū)別：孕育主要影響生核過程，增加晶核數(shù)實現(xiàn)細化晶粒；變質(zhì)主要改變晶體的生長過程，通過變質(zhì)元素的選擇性分布實現(xiàn)改變晶體的生長形貌。

14第14頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月影響孕育效果的因素：（1）自身因素；（2）孕育處理工藝。

1）溫度越高，孕育衰退越快——在保證孕育劑均勻溶解的前提下，應采用較低的孕育處理溫度。

2）孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度和具體的處理方法、液態(tài)金屬的體積等因素來選擇。

孕育衰退現(xiàn)象：隨時間的延長，孕育效果減弱甚至消失，這種現(xiàn)象稱為孕育衰退現(xiàn)象。大多數(shù)孕育劑（生核劑）都有衰退現(xiàn)象。15第15頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月生核劑分類

1、直接作為外加晶核的生核劑該類生核劑具備的條件：（1）與欲細化相具有界面共格對應關系；（2）高熔點的物質(zhì)或同類金屬、非金屬碎粒；（3）與欲細化相間界面能較小、潤濕角小；（4）能直接作為有效襯底促進非自發(fā)生核。如：高錳鋼——加錳鐵——細化奧氏體組織；鑄鐵——加石墨粉——增加石墨數(shù)量、降低尺寸。16第16頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2、生核劑中元素能與液態(tài)金屬中的某元素形成較高熔點的穩(wěn)定化合物這些化合物與欲細化相具有界面共格對應關系和較小界面能。如：鋼——加含V、Ti的生核劑——形成含V、Ti的的碳化物或氮化物——促進非均質(zhì)生核——細化晶粒。過共晶Al—Si合金——加含P生核劑——形成磷化物、使初晶硅細化。

17第17頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月3、通過在液相中造成很大的微區(qū)富集而造成結(jié)晶相通過非均質(zhì)形核而提前彌散析出的生核劑如，把硅加入鐵液瞬時形成很多富硅區(qū)——形成局部過共晶成分——使石墨提前析出。而硅的脫氧產(chǎn)物SiO2及某些微量元素形成的化合物可作為石墨析出的有效襯底而促進非均質(zhì)生核。18第18頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月4、含強成分過冷元素的生核劑強成分過冷元素：偏析系數(shù)1-k0絕對值大的元素。含強成分過冷元素的生核劑的作用：（1）通過在生長的固液界面前沿富集使晶粒根部或樹枝晶分枝根部產(chǎn)生細弱縮頸，在熔體流動及沖擊下產(chǎn)生晶粒游離?！黾由寺屎途Я?shù)；（2）產(chǎn)生的強成分過冷也能強化界面前沿熔體內(nèi)部的非均質(zhì)形核?！黾由寺屎途Я?shù)；（3）強成分過冷元素的界面富集對晶體生長具有抑制作用，降低晶體生長速度，也使晶粒細化?！种粕L。19第19頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月良好的晶粒細化劑應該具有的特性：（1）含有非常穩(wěn)定的異質(zhì)固相顆粒，這些顆粒不易溶解；（2）異質(zhì)固相顆粒與固相之間存在良好的晶格匹配關系，從而獲得很小的潤濕角；（3）異質(zhì)固相顆粒非常細小，高度彌散，既能起非均質(zhì)形核的作用，又不影響合金的性能；（4）不帶入任何影響合金性能的有害元素。20第20頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）控制澆注條件

1、采用較低的澆注溫度試驗及生產(chǎn)實踐表明，降低澆注溫度是減小柱狀晶、獲得細等軸晶的有效措施之一。低溫澆注的作用：（1）有利于游離晶及自由表面的晶粒雨更多地殘存下來，減少被重新熔化的數(shù)量；（2）過熱度小——易產(chǎn)生較多的游離晶粒。但澆注溫度不能過低，否則流動性降低——產(chǎn)生澆不足、冷隔、夾雜等。最好通過試驗確定合適的澆注溫度。21第21頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月2、采用合適的澆注工藝

等軸晶來源于激冷游離晶，游離晶與液態(tài)金屬流動密切相關。凡是能夠增加液流對型壁的沖刷和促進液態(tài)金屬內(nèi)部產(chǎn)生對流的澆注工藝均能擴大并細化等軸晶區(qū)。22第22頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月3、鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)（1）鑄型激冷能力的影響薄壁件：激冷——整個斷面同時產(chǎn)生較大過冷；型蓄熱系數(shù)越大——整個熔體生核能力越強。所以，金屬型比砂型更易獲細等軸晶。23第23頁，課件共24頁，創(chuàng)作于2023年2月

鑄件較厚或鑄型導熱性較差時：激冷——只作用