1、铸件成形原理第6章铸件凝固组织的控制6.1铸件宏观组织特征6.2表面激冷晶区的形成机理6.3柱状晶区的形成机理6.4内部等轴晶区的形成机理6.5铸件宏观凝固组织控制6.6凝固组织与熔体热历史的相关性液态金属凝固时，由于金属熔体的化学成分、浇注条件、铸型条件及铸件结构等不同，铸件宏观组织及其分布的情形也可能完全不同，如图6-1所示。典型的宏观组织由表面激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区组成，如图6-1a所示，随着条件不同也可能出现图6-1bd等其他宏观组织分布情况。6.1铸件宏观组织特征6.1铸件宏观组织特征图6-1铸件截面的宏观组织示意图a) 含有三个晶区的典型凝固组织b) 全部柱状晶的凝固组织
2、c) 柱状晶加表面激冷晶组织d) 全部等轴晶的凝固组织6.2表面激冷晶区的形成机理除了过冷熔体中的大量非均质形核外，其他各种形式的晶粒游离，包括型壁晶粒脱落、枝晶熔断与增殖等(详见6.4节)，也可能是形成表面激冷晶区晶核的来源之一。这些运动晶粒一部分沉积在型壁附近区域形成表面激冷晶区，具体哪种晶粒的形成方式更显著，要根据具体凝固条件而定。根据实验研究，表面激冷晶区的形成与熔体的运动状态有关，若浇注过程中的液流冲刷作用及凝固过程对流较强，则有利于晶粒游离，可能产生等轴晶，相反易形成柱状晶2。需要明确指出的是，获得表面激冷晶区的关键因素是促使大量晶核形成，增加游离晶粒的数量。铸型的激冷能力对表面激
3、冷晶区的影响具有双重性3，4。6.2表面激冷晶区的形成机理增加铸型的激冷能力一方面可以提高型壁附近熔体的非均质形核能力，由传统理论可知这种状况促使形成表面细小的等轴晶；另一方面，型壁附近非均质形核数量快速增加，在较大的激冷能力下这些晶核没有能力进行游离而是迅速长大连接形成稳定的凝固壳层，抑制表面激冷晶区的扩展，促进了表面激冷晶区向柱状晶区的转变。大野笃美将750的Al-0.1%Ti合金分别浇注到室温状态和冰水激冷状态的两个不锈钢杯中，室温空冷状态铸件的宏观组织是细小的等轴晶，而水冷状态的宏观组织由外部柱状晶区和内部等轴晶区组成，从而证实了铸型激冷能力的双重性作用2。柱状晶区通常是由表面激冷晶区
4、发展而来的，但也有可能直接从型壁处长出。表面激冷晶区一旦形成稳定的凝固壳层，激冷晶形成阶段的各向同性生长条件即被破坏，在垂直于型壁的单向热流作用下，处于凝固界面前沿的晶粒开始转而以总体沿热流反方向由外向熔体内生长。在柱状晶生长过程中，各枝晶生长的主干方向互不相同，那些主干方向与热流逆方向平行的枝晶较相邻的非平行的枝晶生长速度更为迅速，它们优先向熔体内部伸展并阻碍相邻其他方向枝晶的生长。在淘汰掉取向不利枝晶的过程中逐渐发展形成柱状晶区，如图6-2所示(实例可见图4-37)。在柱状晶体的择优生长过程中，距离型壁越远，取向不利的枝晶被淘汰得越多，柱状晶的伸展方向越趋于同热流的逆方向一致，柱状晶主干的
5、平均间距也越大。6.3柱状晶区的形成机理6.3柱状晶区的形成机理图6-2柱状晶区形成示意图6.4内部等轴晶区的形成机理6.4.1成分过冷理论6.4.2激冷等轴晶型壁脱落与游离理论6.4.3枝晶熔断及结晶雨理论6.4.1成分过冷理论成分过冷理论认为，随着凝固层向熔体内部推移，固相散热能力逐渐削弱，熔体内部温度梯度趋于平缓，液相中溶质原子越来越富集，界面前方成分过冷逐渐增大。当成分过冷产生的过冷度超过非均质形核所需的临界过冷度时，就会在成分过冷熔体中产生晶核并长大，形成内部等轴晶区。根据成分过冷理论，成分过冷所导致的非均质形核是内部等轴晶晶核的重要来源，非均质晶核长大形成等轴晶区。6.4.2激冷等
6、轴晶型壁脱落与游离理论图6-3浇注过程中激冷晶游离示意图6.4.2激冷等轴晶型壁脱落与游离理论图6-4凝固初期的激冷等轴晶游离示意图a)晶体密度比熔体的小b)晶体密度比熔体的大6.4.2激冷等轴晶型壁脱落与游离理论图6-5型壁晶粒脱落示意图6.4.2激冷等轴晶型壁脱落与游离理论图6-6游离晶体的生长、局部熔化与增殖示意图6.4.3枝晶熔断及结晶雨理论图6-7铸铁奥氏体枝晶及其脖颈现6.5铸件宏观凝固组织控制1.合理控制浇注工艺和冷却条件2.孕育处理3.动力学细化6.5铸件宏观凝固组织控制图6-8金属液通过水冷斜板低温浇注示意图1.合理控制浇注工艺和冷却条件(1)较低的浇注温度从前面讨论可知，降
7、低浇注温度导致熔体的过热温度变小，在浇注过程中及凝固初期易使较多激冷晶发生游离；同时，较低的浇注温度可避免激冷晶粒在向铸型内部游离过程中完全重熔，从而熔体内具有较大游离晶粒的数量。(2)合理的浇注工艺通过合理设计浇注系统和浇注方式，增加金属液对型壁的冲刷作用，强化铸型中金属熔体的对流，同时避免引起大量气体和夹杂卷入而导致铸件产生相应的缺陷，可以促进游离晶粒的产生和晶粒游离，有利于等轴晶的形成和细化。1.合理控制浇注工艺和冷却条件(3)冷却条件的控制合理控制铸型的冷却条件，若能够获得小的温度梯度和高的冷却速率，则可以形成宽的凝固区域，获得大的过冷度，从而促进熔体的内部形核和晶粒游离。图6-9不同
8、浇注方式(上)所对应的铸件宏观组织(下)示意图a)单孔中心浇注b)单孔沿型壁浇注c)六孔均匀沿型壁浇注1.合理控制浇注工艺和冷却条件2.孕育处理(1)孕育剂的作用孕育剂的种类有很多，关于孕育剂的作用机理存在两种观点：第一种观点认为，孕育剂主要起非均质形核的作用；第二种观点则认为，孕育剂含有易偏析元素，可增加晶核数量并细化晶粒。(2)合理的孕育工艺孕育处理具有时间效应，孕育剂加入熔体中会经历其作用的孕育期和衰退期。(1)孕育剂的作用1)孕育剂直接作为非均质形核物质。2)孕育剂能与熔体中某些元素反应，生成较稳定的化合物而产生非均质形核，所产生的化合物也和欲细化相具有界面共格对应关系而促进非均质形核
9、。3)孕育剂在熔体中造成很大的微区富集，迫使结晶相提前弥散析出而促进形核，结晶相的提前弥散析出增加了欲细化晶核的数量。(1)孕育剂的作用图6-10Al-Si合金中不同硼含量的孕育效图6-11铝合金孕育效果对a) Al-5Ti-1B细化b)未细化(1)孕育剂的作用表6-1合金常用孕育剂的主要元素(1)孕育剂的作用3.动力学细化(1)铸型振动铸型振动使金属熔体与凝固层之间产生一定的相对运动，促进晶体脱落和游离。(2)超声振动在金属凝固过程中引入超声振动，声空化和声流起着主要作用。(3)电磁搅拌在凝固初期，在熔体周围进行机械搅拌、电磁搅拌可造成液相与固相的相对运动，导致枝晶的熔断、破碎及增殖，可以得
10、到与铸型振动、超声振动相同的细化晶粒效果。(4)半固态铸造半固态铸造是由美国麻省理工学院Flemings教授等人发明的。(1)铸型振动图6-12不同凝固方式下Al-Si铸件的凝固组a)铸型未振动b)铸型振动(2)超声振动图6-13不同凝固方式下Al-Si铸件的凝固组a)未经超声振动b)超声振动(2)超声振动图6-14在电磁力作用下12Cr18Ni9奥氏体钢晶粒尺寸的变(3)电磁搅拌图6-15几种典型合金的半固态淬火组a)Al-20%Si合金b)AZ91Dc)905铜合金d)12Cr18Ni9(4)半固态铸造图6-16半固态铸造工艺流程图(4)半固态铸造图6-17搅拌条件下球状晶粒形成过程示意6
11、.6凝固组织与熔体热历史的相关性6.6.1熔体热历史与凝固相关性6.6.2凝固行为及组织与熔体状态相关性的认识6.6.1熔体热历史与凝固相关性图6-18熔体过热温度对镍基单晶高温合金DD3单向凝固界面形态的影(保温时间均为30min)a)1400b)1500c)1600d)17006.6.1熔体热历史与凝固相关性图6-19熔体过热温度对Al-16%Si过共晶合金初晶硅的作(砂型凝固组织，浇注温度均为720)a) 720熔炼b) 1050熔炼6.6.2凝固行为及组织与熔体状态相关性的认识液态物理新进展表明，与固态系统存在同素异构现象相似，在液态系统中也存在结构多型性(Polyamorphism)
12、现象45及临界现象46。这些新的发现为人们认知熔体热历史与凝固相关性的本质和规律带来了新的契机，也使得有目标地操控熔体热历史而更为有效地改善凝固行为和组织成为可能。对于发生不可逆液-液结构转变的合金熔体，由于温度诱导液-液转变之后的熔体结构和性质状态与此前的明显不同，从而引起凝固行为和组织的显著改变。其影响及作用规律包括：凝固过冷度明显增加，形核率提高、组织明显细化；晶体生长行为发生改变并导致晶体形貌的变化；溶质再分配过程发生改变，且使有效分配系数KE明显改变(合金系统不同减小或增大)。6.6.2凝固行为及组织与熔体状态相关性的认识图6-20Bi-10%Sb合金升降温过程的电阻率-温度曲线6.6.2凝固行为及组织与熔体状态相关性的认识图6-21液-液结构转变前后Bi-10%Sb凝固过程的固相增长率6.6.2凝固行为及组织与熔体状态相关性的认识图6-22Bi-10%Sb合金液-液结构转变前后熔体凝固组织对比a)转变前b)转变后6.6.2凝固行为及组织与熔体状态相关性的认识图6-23Sn-40%Bi亚共晶合金熔体转变前后的凝固组织中初生-Sn相(浇注温度均为650)a)熔体转变前的凝固组织b)熔体转变后的凝固组织
