液態(tài)金屬成型作業(yè)

1、一、簡(jiǎn)述普通金屬材料特點(diǎn)及熔配工藝 1 普通金屬材料的特點(diǎn) 1.1鑄鐵材料  鑄鐵是含碳量大于2.11%或者組織中具有共晶組織的鐵碳合金，其成分范圍為：2.4% 4.0%C，0.6%3.0%Si，0.2%1.2%Mn，0.1%1.2%P，0.08%0.15%S。依據(jù)碳在鑄鐵中的形態(tài)可將鑄鐵分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵及麻口鑄鐵，其中灰口鑄鐵依據(jù)石墨形態(tài)的不同分為普通灰鑄鐵、蠕蟲狀石墨鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。 （1）白口鑄鐵  白口鑄鐵中的碳少量溶于鐵素體，大部分以碳化物的形式存在于鑄鐵中，斷口呈銀白色。白口鑄

2、鐵硬而脆，很難加工。我們可以利用它的硬度高和抗磨性好的特點(diǎn)制造一些高耐磨的零件和工具。 （2）灰鑄鐵  碳主要結(jié)晶成片狀石墨存在于鑄鐵中，斷口為暗灰色?；铱阼T鐵不能承受加工變形，但是卻具有特別優(yōu)良的鑄造性能，同時(shí)切削加工性能也很好，低熔點(diǎn)、良好的流動(dòng)性和填充性以及小的凝固收縮。 （3）麻口鑄鐵  麻口鑄鐵具有灰口和白口的混合組織，斷口呈灰白交錯(cuò)。麻口鑄鐵不利于機(jī)械加工，也無(wú)特殊優(yōu)異的使用性能。 （4）可鍛鑄鐵  可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經(jīng)過(guò)石墨化退火后制成的。具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，與球墨鑄鐵相比具有質(zhì)量

3、穩(wěn)定、處理鐵水簡(jiǎn)便以及易于組織流水線生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，適用于形狀復(fù)雜薄壁小件的大批量生產(chǎn)。 （5）球墨鑄鐵  球墨鑄鐵中的碳主要以球狀石墨形態(tài)存在于鑄鐵中。球墨鑄鐵具有比灰口鑄鐵高得多的強(qiáng)度、塑性和韌性，同時(shí)仍保持著灰口鑄鐵所具有的耐磨、消震、易切削加工、容易鑄造等一系列優(yōu)異性能。1.2 鑄鋼材料  鑄鋼具有良好的綜合機(jī)械性能和物理化學(xué)性能，比鑄鐵具有更高的強(qiáng)度、塑性和良好的焊接性。按化學(xué)成分可以分為碳素鋼和合金鋼，其中碳素鋼又分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。 （1）低碳鋼  低碳鋼的含碳量小于0.20%，它的塑性

4、和韌性較高，但是強(qiáng)度較低，通常要經(jīng)過(guò)滲碳后進(jìn)行淬火、回火處理來(lái)提高強(qiáng)度和耐磨性。低碳鋼的鑄造性能差，熔點(diǎn)高，鋼液流動(dòng)性差，易產(chǎn)生澆注不足和形成縮孔縮松、非金屬夾雜等缺陷，并且容易氧化。 （2）中碳鋼  中碳鋼的鑄造性能較好，熔點(diǎn)較低，流動(dòng)性較好，氣孔和非金屬夾雜物較少，抗熱裂傾向的能力較強(qiáng)，易于獲得成型鑄件。具有良好的強(qiáng)度、塑性和韌性。 （3）高碳鋼  高碳鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但塑性較低。高碳鋼的鑄造性能良好，但由于熱導(dǎo)性能差和較大的脆性，容易產(chǎn)生巨大應(yīng)力而形成冷裂。所以一般需要進(jìn)行退火處理。 （4）合金鋼

5、60; 合金鋼中的合金元素總量少于5%，是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入合金元素。其組織與含碳量相同的碳素結(jié)構(gòu)鋼類似。隨著加入合金元素的不同，可以具有高強(qiáng)度、耐高溫、傳導(dǎo)性好等特殊性能。1.3 鑄造鋁合金  鑄造鋁合金具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，表面有一薄層幾何透明而致密的氧化膜保護(hù)，表面有光澤，在大氣、淡水及氧化性酸類介質(zhì)中有良好的腐蝕性。常用鑄造鋁合金有四類，分別是Al-Si系合金、Al-Cu系合金、Al-Mg系合金、Al-Zn系合金。 （1）Al-Si系合金  Si含量一般為4%22%，具有流動(dòng)性好、氣密性好、收縮率小、熱烈傾

6、向小等良好的鑄造性能，耐磨性、耐熱性、耐蝕性也較好，熱脹系數(shù)小，在鑄造鋁合金中品種最多，用量最大。 （2）Al-Cu系合金  Cu含量一般為3%11%。其最大特點(diǎn)是具有較高的室溫和高溫力學(xué)性能。但比重較大，耐蝕性和鑄造性較差。 （3）Al-Mg系合金  Mg含量為4%11%。Al-Mg系合金是密度最小、耐蝕性最好、強(qiáng)度最高的鑄造鋁合金，但高溫強(qiáng)度較低，一般工作溫度不超過(guò)200，鑄造性能較差，熔煉鑄造工藝也較復(fù)雜。（4）Al-Zn系合金  鋅在鋁中的溶解度非常大，當(dāng)Al中加入的Zn大于10%時(shí)能顯著提高合金的強(qiáng)度。它

7、是鑄造鋁合金中最便宜的一種，力學(xué)性能較高且不經(jīng)熱處理可直接使用，但密度較大，耐蝕性較差、鑄造時(shí)容易產(chǎn)生熱裂。 1.4 鑄造鎂合金  鎂的密度小，在合金中加入鎂可以大大減輕質(zhì)量。鎂合金的比彈性模量與高強(qiáng)度鋁合金、合金鋼大致相同。在受外力作用時(shí)容易產(chǎn)生較大的變形，有利于避免過(guò)高的應(yīng)力集中，可使受力構(gòu)件的應(yīng)力分布更為均勻。鎂合金具有優(yōu)良的切削加工性能，在受沖擊及摩擦?xí)r不會(huì)起火花。鑄造鎂合金按合金系可分為三類：Mg-Al系合金、Mg-Zn-Zr系合金、Mg-RE-Zr系合金。（1）Mg-Al系合金  Mg-Al系合金具有優(yōu)良的性能，不含稀貴元

8、素，熔煉工藝較易掌握，生產(chǎn)成本較低，應(yīng)用普遍。它的屈服極限較低，機(jī)械性能的壁厚效應(yīng)較大，縮松比較嚴(yán)重。 （2）Mg-Zn-Zr系合金  Mg-Zn-Zr系合金具有較高的屈服強(qiáng)度和組織致密性。它可以加入鋯改善合金鑄造性能，降低縮松傾向，細(xì)化晶粒，提高力學(xué)性能，加鋯也能在表面生成致密氧化膜，提高合金抗腐蝕性能。Mg-Zn-Zr系合金還可以加入其它稀土元素、銀、釷等元素以進(jìn)一步改善它的性能。 （3）Mg-RE-Zr系合金  Mg-RE-Zr系合金為耐熱合金，可在200260工作，具有良好的力學(xué)性能。1.5 鑄造銅合金 &

9、#160;鑄造銅合金是廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料之一，具有較好的力學(xué)性能，強(qiáng)度高，韌性好，并有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性。由于銅的電極電位很高，因?yàn)榫哂袃?yōu)異的耐蝕性，在大氣、海水、氫氟酸、鹽酸等介質(zhì)中有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。但是鑄造銅合金的熔鑄比較困難，其吸氣性大，易形成氣孔。吸氫造成氫脆，吸氧致使其它合金元素氧化，形成夾雜物。鑄造銅合金主要分為青銅和黃銅，其中青銅又分為錫青銅和特殊青銅。 （1）錫青銅  錫青銅是最古老的一種鑄造合金，其主要特點(diǎn)是具有優(yōu)良的耐磨性能，其次，它在蒸汽、海水及堿溶液中具有很高的耐蝕性。錫青銅具有足夠的抗拉強(qiáng)度和一定的塑性，可以制造一般條件下工作的各種耐磨

10、、耐蝕的機(jī)器零件。但是錫青銅結(jié)晶容易產(chǎn)生疏松、偏析、致密性等缺陷。 （2）特殊青銅  特殊青銅包括鋁青銅（加有鐵、錳、鎳等元素）、鉛青銅和其它青銅。鋁青銅有很高的強(qiáng)度，其耐蝕性、耐磨性和氣密性也都較好，可用于高強(qiáng)度零件，并可部分代替錫青銅。鉛青銅抗磨性很好，主要用作高速滑動(dòng)和受力大的軸承、襯套等抗磨零件。（3）黃銅  黃銅的主要成分是Cu-Zn合金。與青銅相比，黃銅的力學(xué)性能較高，黃銅的熔點(diǎn)隨Zn含量的增加而降低，流動(dòng)性好，組織較為致密，鑄造工藝相對(duì)青銅比較簡(jiǎn)單，因此，黃銅廣泛應(yīng)用于要求較高力學(xué)性能和耐壓性能的工作場(chǎng)合。 2 

11、;熔配工藝 2.1 鑄鐵材料的熔配  鑄鐵主要用沖天爐熔煉，沖天爐熔煉的基本過(guò)程包括爐料的預(yù)熱、熔化、過(guò)熱及儲(chǔ)存，這些均在沖天爐的爐身內(nèi)完成。將空氣用鼓風(fēng)機(jī)升壓后送入風(fēng)箱，然后均勻的由各風(fēng)口進(jìn)入爐內(nèi)，與底焦層中的焦炭進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生大量的熱量和氣體產(chǎn)物（爐氣：CO2、CO、N2等）。這些熱量通過(guò)爐氣和炙熱的焦炭傳給金屬和爐料，達(dá)到熔煉的目的，另外還有60%左右的熱量傳給爐襯、爐渣或由爐氣帶入大氣。爐柱中的爐料被上升的熱爐氣加熱，溫度由室溫逐漸升高到1200攝氏度左右，完成了爐料的預(yù)熱。金屬爐料在此時(shí)被爐氣繼續(xù)加熱，有固體塊料熔化成為同溫度的液滴，即熔化階段

12、。1200左右的液滴在下落過(guò)程中繼續(xù)從爐氣和炙熱的焦炭表面吸收熱量，是溫度上升到1500攝氏度以上，稱為過(guò)熱階段。高溫的液滴在爐底匯集然后分離，爐渣和鐵水分別由出渣口和出鐵口放出，完成金屬爐料有固體到一定溫度鐵水的熔化過(guò)程。  一般鐵液的最終含碳量主要與爐料含碳量及爐內(nèi)燃燒狀況有關(guān)。生產(chǎn)上控制鐵液含碳量主要是通過(guò)配料進(jìn)行的。在金屬爐料中，生鐵的含碳量較高，一般在4.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)以上；回爐廢鑄鐵件的含碳量低于生鐵，其含量依照鑄鐵牌號(hào)不同，大致在3.2%3.8%之間；廢鋼的含碳量最低，一般在0.2%0.6%之間。2.2 鑄鋼材料的熔配  一般三相

13、電弧爐煉鋼應(yīng)用比較普遍。其中，氧化法煉鋼的主要過(guò)程： 1、補(bǔ)爐：每煉完一爐鋼在裝入下一爐的爐料之前要進(jìn)行補(bǔ)爐，其目的是修補(bǔ)爐底和爐壁被浸濁和被碰壞的部位。補(bǔ)爐操作要點(diǎn)是：爐溫高、操作快，補(bǔ)層薄。 2、裝料：每煉完一爐鋼在裝入下一爐的爐料之前要進(jìn)行補(bǔ)爐，其目的是修補(bǔ)爐底和爐壁被浸濁和被碰壞的部位。用原來(lái)打結(jié)的爐襯材料（如鹵水鎂砂或焦油鎂砂）進(jìn)行修補(bǔ)。補(bǔ)爐操作要點(diǎn)是：爐溫高、操作快，補(bǔ)層薄。 3、熔化期：熔化期的任務(wù)是將固體爐料熔化成鋼液并進(jìn)行脫磷。主要原理為：2Fe + O2  2FeO，Si + O2&#

14、160; SiO2，2Mn  O2  2MnO，4P  5O2  2P2O5。 4、氧化期：氧化期進(jìn)行脫磷、去除鋼液中的氣體和夾雜物并提高鋼液溫度。氧化期的前一階段鋼液溫度較低，主要是造渣脫磷。當(dāng)鋼液溫度提高(一般熱電偶溫度1530以上后進(jìn)入第二階段，進(jìn)行氧化脫碳沸騰精煉，以去除鋼液中的夾雜物和氣體。經(jīng)過(guò)氧化脫碳后，鋼液中含有大量的氧化亞鐵。為減少殘留的氧化亞鐵量，可在停止供氧(不再加礦石條件下使鋼液繼續(xù)沸騰一段時(shí)間，這一階段的沸騰稱為凈沸騰。當(dāng)鋼液含磷量和含碳量都已符合工藝要求，鋼液溫度足夠高

15、時(shí)，可以扒出氧化渣進(jìn)入還原期。 5、還原期：還原期的任務(wù)是脫氧、脫硫和調(diào)整鋼液溫度及化學(xué)成分。扒除氧化渣后，首先往熔池中加入錳鐵進(jìn)行“預(yù)脫氧”。通過(guò)預(yù)脫氧可快速去除鋼液中部分氧化亞鐵，以減輕后來(lái)通過(guò)爐渣進(jìn)行脫氧的任務(wù)，加速整個(gè)還原期的過(guò)程。 6、出鋼：出鋼時(shí)要求鋼液流要粗，而且要使鋼液與爐渣一起出到盛鋼桶中。 2.3 鋁合金材料的熔配  中間合金熔制要求，熔點(diǎn)盡量接近所熔制的合金；含合金元素盡量高；成分均勻； 含氣、夾雜物少；容易破碎。以Al-Ti 和Al-Si為例： Al-Ti合金的熔制：將石墨坩堝預(yù)熱

16、至暗紅色，加入預(yù)熱的鋁錠；待鋁錠全熔，用石墨鐘罩壓入預(yù)熱海綿鈦。快速升溫至10501100，用石墨棒充分?jǐn)嚢瑁蛊浔M快熔化。全熔后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.6%的C2Cl6精煉。攪拌均勻，于900澆鑄成錠，快速凝固可防止鈦偏析。加入海綿鈦的量為4%，可熔制wTi=4%的Al-Ti合金。Al-Si合金的熔制：將2040mm 塊度的結(jié)晶硅加在鋁錠上和爐蓋上。待鋁熔化后，將爐蓋上的硅推入坩堝內(nèi)?？焖偕郎刂?00，硅全部熔化后用石墨棒充分?jǐn)嚢?。加入ZnCl2（w ZnCl2 =0.2%0.4%）或C2Cl6（w C2Cl6 =0.3%0.6%）精煉。清渣、攪勻

17、、鑄錠。  每一爐的各種爐料的加入量，包括新料、回爐料、中間合金，保證設(shè)計(jì)的化學(xué)成分。須知：a 熔制合金設(shè)計(jì)的化學(xué)成分、雜質(zhì)限度及其他技術(shù)要求；b 擬用爐料的化學(xué)成分；c 熔煉過(guò)程中各元素的燒損率；d 每一爐的投料量等等。鑄造鋁合金的熔煉工藝主要包括：熔化前的準(zhǔn)備與投料、加熱融化、精煉處理、調(diào)節(jié)溫度和澆注。 2.4 銅合金材料的熔配 對(duì)銅合金的爐料、熔劑以及預(yù)熱（爐料和坩堝）等的要求與鋁合金相同。對(duì)熔爐的要求，除普通電阻絲加熱爐外，鋁合金使用的熔爐均適于銅合金，只是溫度要求不同。根據(jù)氫氧平衡原理，銅合金熔

18、煉可采用弱的氧化性氣氛。使用液體和氣體燃料時(shí)，要有適當(dāng)?shù)倪^(guò)剩空氣，燒嘴的火焰呈透明白亮色。也可加入氧化熔劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.5 鎂合金材料的熔配 鎂合金在熔煉過(guò)程中始終要有覆蓋劑保護(hù)。為去除鎂液中的氧化物夾雜，要撒入足夠數(shù)量的精煉劑進(jìn)行精煉，精煉過(guò)程中使鎂液產(chǎn)生平穩(wěn)的循環(huán)流動(dòng)，保證精煉劑能充分吸附夾雜物，而后沉淀在坩堝底部。為提高性能，采取細(xì)化晶粒處理。所用覆蓋劑以氯、氟鹽為主。最好在細(xì)化晶粒前后進(jìn)行兩次精煉。  參考文獻(xiàn)： 1 宋維錫. 金屬學(xué). 冶金工業(yè)出版社, 1980. 2 徐州,&

19、#160;姚壽山. 材料加工原理. 科學(xué)出版社. 3 范金輝, 華勤. 鑄造工程基礎(chǔ). 北京大學(xué)出版社, 2009. 4 蔡啟舟, 吳樹森. 鑄造合金原理及熔煉. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.二、金屬結(jié)晶（凝固）形核熱力學(xué)條件及形核機(jī)理 1、金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件  液態(tài)金屬結(jié)晶的過(guò)程是一種相變，它是一個(gè)系統(tǒng)自由能降低的自發(fā)過(guò)程，系統(tǒng)自由能G、熵S、溫度T、體積V及環(huán)境壓力P滿足式子： 結(jié)晶過(guò)程可以認(rèn)為是在恒壓下進(jìn)行的

20、，則p為常數(shù)，dp=0，即由于熵值為正數(shù)，故自由能隨溫度上升而下降。又因?yàn)橐簯B(tài)熵值大于固態(tài)，所以液相自由能GL隨溫度上升而下降的斜率大于固相GS的斜率，兩者相交處的溫度為T0，即為純金屬的平衡結(jié)晶溫度。  當(dāng)T=T0，GS=GL，固、液相處于平衡狀態(tài)；當(dāng)T>T0，GL S ，與固相比較，液態(tài)處于自由能更低的穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)晶是不可能進(jìn)行的；只有當(dāng) T 0 ， G L >G S ，結(jié)晶才可能自發(fā)進(jìn)行。此時(shí)兩相自由能之差 G 為相變驅(qū)動(dòng)力。 G=G L -G S =(H L -H S -T(S L -S S 。 假設(shè)晗與熵在結(jié)晶時(shí)不隨溫度的變化而變化，則可認(rèn)為結(jié)晶潛熱L

21、= HL-HS，熔化熵S= SL-SS，則G=L-TS，當(dāng)T=T0時(shí)，G=0，得S=L/T0。即G= LT/T0。由此可見，對(duì)于特定的金屬，L、T0為定值，所以過(guò)冷度T決定了液態(tài)金屬結(jié)晶的相變驅(qū)動(dòng)力的大小。T越大，相變驅(qū)動(dòng)力也越大。  在相變驅(qū)動(dòng)力的作用下，高能量狀態(tài)的液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杂赡艿墓虘B(tài)結(jié)構(gòu)，必須越過(guò)一個(gè)自由能更高的中間過(guò)渡態(tài)（由固液界面所致）。  液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程從形核開始，然后晶核逐漸生長(zhǎng)，使得系統(tǒng)逐步由液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。在存在相變驅(qū)動(dòng)力的前提下，液態(tài)金屬還需要通過(guò)其起伏作用來(lái)克服界面自由能和激活能。液態(tài)金屬存

22、在著結(jié)構(gòu)起伏、成分起伏和能量起伏作用，正是由于這種起伏作用，是部分原子具有較高的能量狀態(tài)，得以克服界面自由能和激活能，凝固過(guò)程才能繼續(xù)進(jìn)行。 2、形核機(jī)理亞穩(wěn)態(tài)的液態(tài)金屬通過(guò)起伏作用在某些微觀區(qū)域內(nèi)形成穩(wěn)定的靜態(tài)小質(zhì)點(diǎn)的過(guò)程稱為形核。形核的首要條件就是體系必須處于亞穩(wěn)定態(tài)，即存在一定的過(guò)冷度，以提供相變驅(qū)動(dòng)力；其次，需要克服界面自由能才能形成穩(wěn)定存在的晶核，并保證其進(jìn)一步生長(zhǎng)。一般形核方式包括均勻形核和非均勻形核。 （1）均勻形核  均勻形核是在沒(méi)有任何外來(lái)界面的均勻熔體中的形核過(guò)程。 在一定的過(guò)冷度條件下，固相的自由能低于液相的自由能，當(dāng)次過(guò)

23、冷液體中出現(xiàn)晶胚時(shí)，一方面原子從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)使系統(tǒng)的自由能降低，另一方面，由于晶胚構(gòu)成新的表面，從而使系統(tǒng)的自由能升高。假設(shè)晶胚為球體（半徑為r），則系統(tǒng)自由能G的表達(dá)式為當(dāng)某一晶胚長(zhǎng)大，半徑r增大，其體積自由能減少絕對(duì)值大于表面積自由能的增加值時(shí)，該長(zhǎng)大過(guò)程才能自發(fā)進(jìn)行。由金屬學(xué)可知，只有大于臨界半徑的晶胚才可以作為晶核穩(wěn)定存在，此時(shí)的晶胚稱為臨近晶核，其大小成為臨界形核半徑。  對(duì)上式進(jìn)行微分，并令其等于零，即-4r2GV+8LC=0，則臨界形核半徑為：由此可知，臨界形核半徑與過(guò)冷度成反比，過(guò)冷度越大則臨界形核半徑越小。在LC、L一定時(shí)，達(dá)到臨界形核半徑所需的過(guò)冷度為

24、臨界過(guò)冷度。由圖可知，當(dāng)晶核尺寸大于r0時(shí)，系統(tǒng)的自由能小于零，晶核是穩(wěn)定的；但在r*均-r0范圍時(shí)，系統(tǒng)的自由能仍然大于零，即晶核表面自由能大于體積自由能，阻力大于驅(qū)動(dòng)力。因此，在此區(qū)間晶核要穩(wěn)定存在，必須要求外界對(duì)系統(tǒng)做功，使晶核能補(bǔ)償自由能增加的絕對(duì)值。這一外部補(bǔ)償?shù)哪芰糠Q為形核功GK，其極大值即為對(duì)應(yīng)臨界形核半徑r*均處的臨界形核功G*均。通過(guò)代入可得：可見，臨界形核功的大小恰好等于臨界晶核表面自由能的1/3。這表明形成臨界晶核時(shí)，體積自由能的下降僅補(bǔ)償了表面自由能增量的2/3，還有1/3表面自由能部分必須依靠外部對(duì)晶核做功。  從式子可知，臨界形核功的大小與過(guò)冷度

25、的平方成反比。因此，增大過(guò)冷度能顯著降低臨界形核功，從而使形核更容易進(jìn)行。（2）非均勻形核  非均勻形核是指在不均勻的熔體中依靠外來(lái)雜質(zhì)或型壁界面提供的襯底進(jìn)行形核的過(guò)程。  液體中存在的大量固體質(zhì)點(diǎn)可以作為形核的襯底。假設(shè)在亞穩(wěn)定的液態(tài)金屬L中存在著固相物質(zhì)S，在S的平面襯底上形成了一個(gè)球冠狀晶核C。當(dāng)界面能之間處于平衡時(shí)，有：又因?yàn)榫Ш说捏w積晶核與液相的接觸面積為晶核與襯底的接觸面積為因此，形成球冠狀晶核的總自由能變化為 用同樣的方法可得：參考文獻(xiàn)： 1 徐州, 姚壽山. 材料加工原理. 科

26、學(xué)出版社. 2 賈志宏.金屬液態(tài)成型原理.北京大學(xué)出版社,2011. 三、如何控制鑄錠的鑄態(tài)組織 穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生決定著表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)的過(guò)渡，而阻止柱狀晶區(qū)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵則是中心等軸晶區(qū)的形成。因此，從本質(zhì)上說(shuō)，晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過(guò)冷熔體獨(dú)立形核的能力和各種形式晶粒游離、漂移與沉積的程度這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果，各種晶粒游離的產(chǎn)生就要受到金屬性質(zhì)、鑄型特點(diǎn)、澆鑄工藝、及鑄件結(jié)構(gòu)等方面的影響。 1 金屬性質(zhì)方面 首先，強(qiáng)形核劑在過(guò)冷熔體中存在，寬結(jié)晶溫度范圍的合金和小的溫度梯度GL，這既能保證熔體有較寬的形核

27、區(qū)域也能促使較長(zhǎng)的脆弱枝晶的形成；并且，合金中溶質(zhì)元素含量較高、平衡分配系數(shù)k0值偏離1較遠(yuǎn)。因此凝固過(guò)程中樹枝晶比較發(fā)達(dá)，縮頸現(xiàn)象也就比較嚴(yán)重。 2 熔體處理方面 熔體在凝固過(guò)程中存在時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)流激烈等因素，都能促進(jìn)晶粒游離，獲得等軸晶組織；合適的溶體處理可以強(qiáng)化形核。 3 澆鑄條件方面 首先，低的澆注溫度。其次，要有合適的澆鑄工藝。凡是能強(qiáng)化流液對(duì)型壁沖刷作用的澆注工藝均能擴(kuò)大并且細(xì)化等軸晶區(qū)。 4 鑄型性質(zhì)和組件結(jié)構(gòu)方面 對(duì)于薄壁鑄件而言，激冷可以使整個(gè)斷面同時(shí)產(chǎn)生較大的過(guò)冷。鑄型蓄熱系數(shù)越大，整個(gè)

28、熔體的形核能力就越強(qiáng)。因此金屬型鑄造比砂型鑄造更容易獲得較細(xì)的等軸晶的斷面組織。 對(duì)于型壁較厚或?qū)嵝暂^差的鑄件而言，鑄型的激冷作用只產(chǎn)生于鑄件的表面層，等軸晶區(qū)的形成主要依靠各種形式的晶粒游離。這時(shí)鑄型冷卻能力的影響是矛盾的。一方面，低蓄熱系數(shù)的鑄型能延緩穩(wěn)定凝固殼層的形成，有助于凝固初期激冷晶的游離，同時(shí)也使內(nèi)部溫度梯度變小，凝固區(qū)域加寬，對(duì)增加等軸晶有利；另一方面，它減慢熔體過(guò)熱熱量的散失，不利于已游離晶粒的殘存，減少等軸晶的數(shù)量。通常前者是主導(dǎo)因素，因而在一般生產(chǎn)中，除薄壁鑄件外，采用金屬型鑄造比砂型鑄造更易獲得柱狀晶，特別是高溫澆注更是如此。但砂型鑄造所形成的等軸晶粒比較粗

29、大。如果促使非均勻形核與晶粒游離的其他因素（如強(qiáng)形核劑的存在、低的澆注溫度、嚴(yán)重的晶?？s頸以及強(qiáng)烈的熔體對(duì)流和攪拌等）足以抵消其不利影響，則無(wú)論是金屬型鑄造還是砂型鑄造皆可獲得細(xì)的等軸晶粒。當(dāng)然，在相同情況下，金屬型鑄造獲得的等軸晶粒更為細(xì)小。所以，為了獲得和細(xì)化等軸晶組織，可以通過(guò)合理控制熱學(xué)條件、通過(guò)孕育處理、即動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化法來(lái)獲得。 1、合理控制熱力學(xué)條件 （1）低溫澆注和采用合理的澆注工藝  當(dāng)澆注溫度低時(shí)，熔體的過(guò)熱度較小，它與澆道內(nèi)壁接觸就能產(chǎn)生大量的游離晶粒。此外，低過(guò)熱度的熔體也有助于已形成的游離晶粒的殘存，這對(duì)等軸晶的形成和細(xì)化有利。凡是能強(qiáng)化流液對(duì)型壁沖刷作用的澆注工藝均能擴(kuò)大并且細(xì)化等軸晶區(qū)。