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1、第七章 金属凝固的宏观组织与 凝固方式 7-1 宏观凝固组织的形成与控制 7-2 凝固方式与凝固时间 7-1 宏观凝固组织的形成与控制 一、凝固过程中液体金属的流动 1.浇注及凝固过程中液体的流动形式 （1）浇注时存在液流的冲刷（强制对流） 液流冲刷浇道、型壁及已凝固层的 生长界面。 （2）浇注时及浇注完毕后液体存在 自然对流 液体金属表面以及液体金属与型 壁或凝固层的接触区，温度低、密 度大而下沉，热的密度小的金属液 上浮，形成自然对流。 图7.1 液体中的自然对流 （3）存在着枝晶间及分枝间的液体流动（微观流动） 枝晶凝固时，发生收缩而产生负压，液体被吸入枝 晶分枝而产生微观流动 2.液体
2、的流动对凝固过程的影响 （1）顶部晶体的沉积（铸锭上部形成等轴晶） 不锈钢筛网 等轴晶 图7.2 在坩埚中置一不锈钢筛网（大野笃美的实验） （2）型壁上晶体的脱落及晶体的增殖 在浇注的过程中及 凝固初期的激冷,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7.3 图7.4 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 为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶 质浓度大的合金容易得到等轴晶呢? 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
3、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7.5 晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离 图7.6 游离晶体的生长、局部熔化与增殖 （3）枝晶分枝的熔断脱落 枝晶生长时，其分枝也因成分过冷而形成细的“脖颈”， 遇高温液体时，产生熔断脱落。 图7.7 枝晶分枝“缩颈”的形成 a）、b）、c）为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图（虚线表示溶质富 集层，V为枝晶生长方向） d）环己烷（Cyclohexane）的枝晶，可明显 看出分枝的缩颈 二、宏观凝固组织的形成及影响因素 1.表面细等轴晶区的形成 2.内部柱状晶区的形成 3.中心等轴
4、晶区的形成 图7.8 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 金属凝固的典型宏观组织 内部柱状晶区 中心等轴晶区 表面细等轴晶 区 1.表层细等轴 晶区 2.内部柱状晶 区：晶粒垂直 于型壁排列， 且平行于热流 方向 3.中心等轴晶 区：晶粒较为 粗大 图7.9 铸锭凝固的典型宏观组织 1.表面细等轴晶区的形成 型壁附近熔体由于受到强烈 的激冷作用，产生很大的过冷 度而大量异质生核（必要条件 ）,各种形式的晶粒游离也是形 成表面细等轴晶的“晶核”来源 （充分条件）。这些晶核在过 冷熔体中采取枝晶方式生长， 由于其结晶
5、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。 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 将转为柱状晶区由型壁向内的生 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，表面细等轴晶粒区向柱状 晶区转变得也就越快，表面细等 轴晶区也就越窄。 图7.10 表面细晶粒区 2.内部柱状晶区的形成 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 固层中某些一次分枝与散热方 向（垂直于型壁）相反的晶粒 择优向生长，发展成由外向液 体内生长的柱状晶区。 柱状晶区开始于稳定凝固壳层的 产生，而结束于中心等轴晶区的 形成。因此柱状晶
6、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 。柱状晶向内部生长的条件是界 面前沿存在一个较窄的成分过冷 区。图7.11 内部柱状晶区的形成 铸 型 液 态 金 属 图7.12 柱状晶生长过程的动态演示 3.中心等轴晶区的形成 柱状晶在向液体内生长过 程中，不断排出多余的低 熔点溶质，使凝固温度降 低（即TX线变陡），同时 放出结晶潜热，使铸件中 心液体温度升高，液体的 实际结晶温度降低（即GL 线变小），在界面前沿存 在较大成分过冷，当 TC(max) T*时，便在铸 件中心的液体中独立生核 和长大，且此
7、时枝晶的生 长受铸型散热方向的影响 小，在各个方向上生长成 比较均匀的粗大等轴晶。 型壁上晶体的脱离随液 流进入铸件中心区域， 增加了中心等轴晶区 晶体上分枝的熔断脱落 进入铸件中心区形成中 心等轴晶区 顶部晶体的沉积进入铸 件中心区而形成中心等 轴晶 图7.13 游离晶促使中心等轴晶形成 思路: 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核能力和各 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，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
8、围，并细化等轴晶组织。 三、宏观凝固组织的控制 根据液态成形件不同的使用性能，其凝固宏 观组织的要求是不同的。对一些特殊性能要 求的成形件，需要获得单一柱状晶（如航空 发动机的叶片、磁钢等）甚至单晶（单晶体 叶片），而大量的情况是希望液态成形件获 得细小等轴晶，使其具有优良的各向同性的 综合机械性能。这里重点讲述等轴晶的获得 及细化。 获得细等轴晶的措施 措施 加强液体金属在浇注及凝固期间 的流动（动力学细化） 孕育处理 外加晶核 采用生核剂 采用强成分过冷元素 提高冷却速度（V冷），降低浇 注温度（t浇 ） （控制浇注工艺及冷却条件） 外部工艺措 施 内部措施 1.增大冷却速度（V冷）和降低
9、浇注温度（t浇） V冷 铸型激冷能力 t浇 t型 b2（金属型） 合理的浇注工艺 冷却条件的控制 图7.14 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。 铸型中间顶注 沿型壁单孔顶注 沿型壁六孔顶注 图7.15 不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织 低温铸造 水流冷却的斜板浇注方法 图7.16 图7.17 冷却条件的
10、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V冷可以满足以上要求。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、热传导能力强的铸型 。 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V冷的要求。 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。 图7.18 悬浮浇注用涡流导入法的浇注
11、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。 2.加强液体在浇注和凝固
12、期间的流动 促使型壁上已凝固层晶体的脱落，分枝的熔断脱落及脱落 晶体的增殖。 具体方法： 利用液流的冲刷 利用旋转磁场使液体旋转运动 利用惯性力使液体运动 使铸型产生振动或振击 振动浇口杯 铸型变速或不断变向运动 （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 图7.19 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
13、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。 图7.20 超声波振动结晶 （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，电磁搅拌技术便成为首选。 （4）流变（触变）铸造 流变（触变）铸造又称半 固态铸造，这种方法是当液 体金属凝
14、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 挤压至铸件凝固成形。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。 图7.21 流变铸造过程 图7.22 传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织 3.孕育处理（钢及铝、镁、铜合金中称变 质处理，铁中称孕育处理） （1）外加晶核 在浇注时向液流中加入被细化相具有界
15、面共格对应的高 熔点物质或同类金属的碎粒，使之成为异质形核的有效衬 底，促使异质形核，增加晶粒数而细化晶粒。 例如：高Mn钢中加入Mn铁 高Cr钢中加入Cr铁 Cu合金中加入Fe（） 在生产中，外加晶核称为晶粒细化剂。 3.孕育处理 （2）采用生核剂 加入的物质不一定能作为晶核，但通过它与液态金属 的某些元素相互作用，能产生晶核或成为有效衬底，这 类物质称为生核剂。分为两类： 加入的生核剂与液体中某元素形成稳定的化合物， 且此化合物与被细化相具有界面共格对应，促使异质形 核。 例如 钢中加入V、Ti等，生成的VC，TiC及VN，TiN 使钢的晶粒细化 Al合金中加入Ti，生成TiAl3，细化-Al 在生产中，此种生核剂剂也称为为晶粒细细化剂剂。 加入的生核剂造成液体中很多大的微区富集，迫 使结晶相提前弥散析出 例如 Si加入铁水中，造成瞬时的很多富Si区，造
