重庆大学 金属凝固原理 第7章 金属凝固的宏观组织与凝固方式

合理的浇注工艺
冷却条件的控制
图7.14
合理的浇注工艺
合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得
• 浇注温度
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
• 浇注方式
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。
悬浮浇注法是在浇注
料斗
过程中将一定量的
固态金属颗粒加入
离心集液包
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
直浇道
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系统
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15～35%； （ 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；
（4）流变（触变）铸造
•
这种细小圆整的半固态 固态铸造，这种方法是当液 金属浆液由于具有较好 体金属凝固达50～60％时， 的流动性而容易成形。 在氩气保护下进行高速搅拌， 因为它的温度远低于液 使金属成为半固态浆液，将 相线温度，所以对于黑 半固态浆液凝固成坯料或挤 色金属的压铸件来说， 压至铸件凝固成形。其固态 能大大减轻金属对模具 晶体随搅拌转速的增加趋于 的热冲击，提高压铸模 细小而圆整，机械性能显著 具的寿命，扩大黑色金 提高。 属压铸的应用范围。
• 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
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
图7.16 低温铸造
图7.17
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。
（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。
图7.20 超声波振动结晶
（3）液相搅拌
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、 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 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 的运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。 铸坯以及浇铸质量要求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。
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）
措施
加强液体金属在浇注及凝固期间 的流动（动力学细化） 外加晶核 孕育处理 采用生核剂 采用强成分过冷元素
外部工艺措 施
内部措施
1.增大冷却速度（V冷↑）和降低浇注温度（t浇↓）
t 型↓ 铸型激冷能力↑
V冷↑
t浇↓
b2↑（金属型）
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 型壁上晶体的脱离随液 程中，不断排出多余的低 流进入铸件中心区域， 熔点溶质，使凝固温度降 增加了中心等轴晶区 低（即TX线变陡），同时 ●放出结晶潜热，使铸件中 晶体上分枝的熔断脱落 进入铸件中心区形成中 心液体温度升高，液体的 心等轴晶区 实际结晶温度降低（即GL 线变小），在界面前沿存 ● 顶部晶体的沉积进入铸 在较大成分过冷，当 件中心区而形成中心等 △TC(max)> △T**时，便在铸 轴晶 件中心的液体中独立生核 和长大，且此时枝晶的生 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。
（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
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。
• 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
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?
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
图7.21 流变铸造过程
流变（触变）铸造又称半
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（γ ） 在生产中，外加晶核称为晶粒细化剂。
• 孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。 几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现 • 在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完 孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本 成熔化过程，或与合金液反应生成化合物，起细化 身，而且也与孕育处理工艺密切相关。 作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿， 一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂 逐渐达到最佳的细化效果。 均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。 • 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 孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量 所需要的时间也不同。 和具体的处理方法来选择。
●
图7.13 游离晶促使中心等轴晶形成
三、宏观凝固组织的控制
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 的范围，并细化等轴晶组织。
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α-Al 在生产中，此种生核剂也称为晶粒细化剂。
●
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 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 状晶就直接由表面细等轴晶凝 形成。因此柱状晶区的存在与否 固层中某些一次分枝与散热方 及宽窄程度取决于上述两个因素 向（垂直于型壁）相反的晶粒 综合作用的结果。如果在凝固初 择优向生长，发展成由外向液 期就使得内部产生等轴晶的晶核， 体内生长的柱状晶区。 将会有效地抑制柱状晶的形成。
● 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 成局部的过共晶成分迫使石墨提前析出，Si的脱氧产 物SiO2及其他化合物可作为石墨析出的衬底，达到 细化组织的目的。 此类生核剂在铸铁中称为孕育剂，处理过程称为 孕育处理。
孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）
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）
等轴晶
不锈钢筛网
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
内部柱状晶区