鑄錠組織形成機理及在生產中應用

1、鑄錠組織形成機理及在生產中應用鑄錠是將熔化的金屬倒入永久的或可以重復使用的鑄模中制造出來的。 凝固之后，這些錠（或棒料、板坯或方坯，根據(jù)容器而定）被進一步機械 加工成多種新的形狀。在實際生產中，液態(tài)金屬是在鑄錠?；蜩T型中凝固的，前者得到鑄錠， 后者得到鑄件。雖然它們的結晶過程遵循著結晶的普遍規(guī)律，但是由于鑄 錠或鑄件冷卻條件的復雜性，因而給鑄件組織帶來很多特點。對鑄件來說， 鑄態(tài)組織直接影響到它的力學性能和使用壽命；對鑄錠來說，鑄態(tài)組織 不但影響到它的壓力加工性能，而且還影響到壓力加工后的金屬制品的組 織和性能。因此，應該，應該了解鑄錠或鑄件的組織及其形成規(guī)律，并設 法改善鑄錠或鑄件的組織。1

2、鑄錠的分類1.1靜態(tài)鑄錠靜態(tài)鑄錠僅是單純將熔化的金屬倒入永久 的鑄模中凝固后，將鑄錠從鑄模中抽出，鑄模可以再次使用。每年用這種 方法生產出數(shù)以百萬噸的鋼。1.2半連續(xù)鑄錠半連續(xù)鑄錠工藝在鋁工業(yè)中用于制造大多數(shù)的鑄造合 金，由這些合金加工出棒料、薄板、板條和板材的形狀。在這一工藝中， 熔化的鋁被傳送到一個由水冷卻的永久鑄模中，在鑄模的長活塞上裝有活 動底座。在鑄模表面進一步凝固而形成一層堅硬的“皮”之后，活塞向下 運動，更多的金屬連續(xù)填入容器中。最后，活塞運動至全長，過程停止。 鋁工業(yè)中常規(guī)的方法是利用適當潤滑的金屬鑄模。然而，工藝的改進已經(jīng) 允許主要的鋁合金生產者用一種電磁場取代（至少部分取代

3、）金屬鑄模以 使熔化的金屬僅僅短暫地接觸到金屬鑄模，因此與傳統(tǒng)方法相比可以生產 出光潔度更高的產品。1.3連續(xù)鑄錠連續(xù)鑄錠為鋼和銅工業(yè)提供了主要的鑄材資源，而且在 鋁工業(yè)中增長迅速。在這一工藝中，熔化的金屬被送到一個永久鑄模中， 鑄造開始時與半連續(xù)鑄造極為相似。然而，該過程不是在一定時間后停止， 凝固的鑄錠被連續(xù)剪成或切成一定長度并且在鑄造過程中被運走。因此， 該過程是連續(xù)的，凝固的棒料或板條像鑄造一樣被迅速運走。與傳統(tǒng)鑄造 工藝相比這一方法有許多經(jīng)濟優(yōu)勢；因此，所有的現(xiàn)代鋼廠都生產連續(xù) 鑄造的產品。2鑄錠組織形成機理金屬的鑄態(tài)組織包括：鑄態(tài)組織包括晶粒的大小、 形狀和取向，合金元素和雜質的分

4、布以及鑄錠中的缺陷如縮孔、氣孔等等。 因此應該了解鑄錠或鑄件的組織及其形成規(guī)律，并設法改善鑄錠或鑄件的 組織對鑄件來說，鑄態(tài)組織直接影響到它的機械性能和使用壽命；對鑄 錠來說，鑄態(tài)組織不但影響到它的壓力加工性能，而且還影響到壓力加工 后的金屬制品的組織及性能。2.1鑄錠三晶區(qū)的形成純金屬鑄錠的宏觀組織通常由三個晶區(qū)所組成， 即外表層的細品區(qū)，中間的柱狀晶區(qū)和心部的等軸晶區(qū)。（1）表層細晶區(qū)表層細晶區(qū)或激冷層的形成： 當高溫的金屬液體 倒入鑄型后，結晶首先從型壁處開始。這是由于溫度較低的模壁有強烈地 吸熱和散熱作用，使靠近型壁的一薄層液體產生極大地過冷，加上模壁可 以作為非均勻形核的基底，因此在

5、此一薄層液體中立即產生大量的晶核， 并同時向各個方向生長。由于晶核數(shù)目很多，故鄰近的晶粒很快彼此相遇， 不能繼續(xù)生長，這樣便在靠近模壁處形成一很細的薄層等軸晶粒區(qū)。表層細晶區(qū)的形核率和厚度決定于下列因素：1.模壁的形核能力以 及模壁處所能達到的過冷度大小，后者主要依賴于鑄型的表面溫度、鑄型 的熱傳導能力和澆注溫度等因素。如果鑄型的表面溫度低，熱傳導能力好，以及澆注溫度較低的話， 便可以獲得較大的過冷度，從而使形核率增加，細晶區(qū)的厚度即可增大。相反，如果澆注溫度高，鑄錠模的散熱能力小而使其溫度很快升高 的活，就可大大降低晶核數(shù)目，細品區(qū)的厚度也要減小。(2)柱狀晶區(qū)： 柱狀晶區(qū)由垂直于模壁的粗大

6、的柱狀晶所構成。 在表層細晶區(qū)形成的同時，一方面模壁的溫度由于被液態(tài)金屬加熱而迅速 升高，另一方面由于金屬凝固后的收縮，使細晶區(qū)和型壁脫離，形成一空 氣層，給液態(tài)金屬的繼續(xù)散熱造成困難。此外，細品區(qū)的形成還釋放出了 大量的結晶潛熱，也使型壁的溫度升離，上述種種原因均使液態(tài)金屬冷卻 減慢，溫度梯度變得平緩，這時開始形成柱狀晶區(qū)。這時開始形成柱狀晶區(qū)這是因為：盡管在結晶前沿液體中有適當?shù)倪^ 冷度，這一過冷度很小，使之不能生成新的晶核，但它有利于細晶區(qū)靠近 液相的某些小晶粒的繼續(xù)長大，而離柱狀品前沿稍遠處的液態(tài)金屬尚處于 過熱之中，無法另行生核，因此結晶主要靠晶粒的繼續(xù)長大來進行。l垂直于型壁方向散

7、熱最快，因而晶體沿其相反方向擇優(yōu)生長成柱狀 晶。晶體的長大速度是各向異性的，一次軸方向長大速度最大，但是由于 散熱條件的影響，因此只有那些一次晶軸垂直于型壁的晶粒長大速度最快， 迅速地優(yōu)先長入液體中，由于這些優(yōu)先成長的晶粒并排向液體中生長，側 面受到彼此的限制而不能側向生長，只能沿散熱方向生長，結果便形成了 柱狀晶區(qū)。穿晶組織以及穿晶組織的4個形成條件：1.如果已結晶的固相的導 熱性好2.散熱速度很快3.始終能保待定向散熱4.并且在柱狀晶前沿的液 體中沒有新形成的晶粒阻擋5.那么柱狀晶就可以一直長大到鑄錠中心， 直到與其它柱狀晶相遇而止，這種鑄錠組織稱為穿晶組織。柱狀晶區(qū)組織性能特點：1.組織

8、致密：在柱狀晶區(qū)中，晶粒彼此間 的界面比較平直，氣泡縮孔很小，所以組織比較致密。2.柱間晶界或弱面：（3）中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū)的形成：l隨存柱狀晶的發(fā)展，經(jīng)過散熱，鑄錠中心部分的液態(tài)金腐全部降至熔點以 下，再加上液態(tài)金屬中雜質等因素的作用，滿足了形核對過冷度的要求， 于是在整個剩余液體中同時形核。由于此時的散熱已經(jīng)失去了方向性，晶 核在液體中可以自由生長，在各個方向上的長大速度差不多相等，因此即 長成了等軸晶。當它們長到與柱狀品相遇，全部液體凝固完畢后，即形成 明顯的中心等軸晶區(qū)。中心等軸晶區(qū)與柱狀晶區(qū)相比1.等軸晶區(qū)的各個晶粒在長大時彼此 交叉，枝杈間的搭接牢固，裂紋不易擴展2.不存在明

9、顯的弱面； 3. 各晶粒的取向各不相同，其性能也沒有方向性。這是等軸晶區(qū)的優(yōu)點。但其缺點是等軸晶的樹枝狀晶體比較發(fā)達，分枝較多，因此顯微縮 孔較多，組織不夠致密。但顯微縮孔一般均未氧化，因此鑄錠經(jīng)過熱壓力 加工之后，一般均可焊合，對性能影響不大。2.2三晶區(qū)形成的原因及每個晶區(qū)的性能特點： 形成原因：1） 表層細晶區(qū)：低溫模壁強烈地吸熱和散熱，使靠近模壁的薄層液體產生極 大地過冷， 形成原因 形成原 模壁又可作為非均勻形核的基底，在此 一薄層液體中立即產生大量的晶核，并同時向各個方向生長。晶核數(shù)目 多，晶核很快彼此相遇，不能繼續(xù)生長，在靠近模壁處形成薄層很細的等 軸晶粒區(qū)。2）柱狀晶區(qū)：模壁溫

10、度升高導致溫度梯度變得平緩； 過 冷度小，不能生成新晶核，但利于細晶區(qū)靠近液 相的某些小晶粒長 大； 遠離界面的液態(tài)金屬過熱，不能形核； 垂直于模壁方向散熱最快， 晶體擇優(yōu)生長。3）中心等軸晶區(qū)：柱狀晶長到一定程度后，鑄錠中部 開始形核長大-中部液體溫度大致是均勻的，每個晶粒的成長在各方向上接近一致，形成等軸晶。性能特點：1）表層細晶區(qū)：組織致密，力學性能好；2）柱狀晶區(qū)：組織較致密，存在弱面，力學性 能有方向性；3）中心等軸晶區(qū)：各晶粒枝杈搭接牢固，無弱面，力學性能無方向性。3鑄錠組織的控制3.1鑄錠典型的組織鑄錠的宏觀組織通常由：（1） 激冷區(qū)（2）柱狀晶區(qū)（3）等軸晶區(qū)鑄錠典型的組織（1

11、 ）激冷區(qū)的形成金 屬熔體澆入鑄模時，與模壁接觸的一層金屬熔體受到強烈的激冷，產生較 大的過冷度，同時，熔體的對流（澆鑄時的動量對流、溫度引起的熱對流、 以及由對流引起的溫度起伏，均能使模壁上形成的晶粒脫落和游離，晶核 具有增殖效應。（2）柱狀經(jīng)晶區(qū)的形成與散熱方向平行的晶粒優(yōu)先長大，而與散熱方 向不平行的晶粒則被壓抑。優(yōu)先生長的晶粒最后單向生長，并互相接觸而 形成柱狀晶區(qū)?？梢?，柱狀晶區(qū)是在單向導熱及順序凝固條件下形成的。柱狀晶形成示意圖3.2等軸晶區(qū)的形成（a）表面細等軸晶的游離晶 核對流示意圖（b）枝晶的熔斷及游離（c）液面或凝殼上晶體的沉積晶體 沉積形成等軸晶示意圖3.3鑄態(tài)組織對性能

12、的影響晶粒細化是晶界強化的 重要機制，可顯著提高鋁材的力學性能和塑性變形能力，是改善鋁材質量 的重要途徑。（1）正常組織對鑄錠性能的影響正常鑄錠組織通常指鑄錠的宏觀組 織： （a）激冷區(qū)（b）柱狀晶區(qū)（c）等軸晶區(qū)柱狀晶對鑄錠性能的影 響最大，柱狀晶的粗大特點和方向性，以及柱狀晶區(qū)邊界的存在低熔點共 晶和夾雜物、氣孔等缺陷，所以，柱狀晶及附近區(qū)域的機械性能較低，在 塑性成形能力差，后續(xù)加工過程中出現(xiàn)表面缺陷，還可能導致熱裂的產生。（2）異常組織對鑄錠性能的影響鑄錠中除上述常見的等鈾晶和柱狀晶 組織外，有時還會出現(xiàn)一些異常的晶粒組織，給鑄錠的性能帶來不良影響。異常組織包括： （a）表層粗大晶粒組

13、織（結晶器與金屬熔體接觸 不良） （b）浮游晶粒組織（指在正常柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的粗大晶粒 組織，它是優(yōu)先形核長大的初晶，主要是在低過冷度條件下，是初晶異常 長大形成的）（c）粗大金屬間化合物組織（形成原因與懸浮晶基本相同，是金屬間化合物異常長大的結果，其形態(tài)多呈塊狀、片狀或針狀，不 均勺地分布于基體中，一般硬脆，降低鑄錠的塑性，加工時不易變形，使 加工制品分層或開裂）（d）羽毛狀晶粒組織（在鋁合金的連續(xù)鑄錠中，呈現(xiàn)羽毛狀形態(tài)，宏觀上成群分布。微觀上，由許多明暗相間、相互平行 的羽毛狀晶組成，羽毛狀晶擇優(yōu)取向的攣晶其組織具有效強的各向異性， 降低鑄錠的力學性能和加上性能。羽毛狀晶組織3.4不同

14、材料和不同條件晶區(qū)的控制1電磁攪拌；電磁攪拌對控制晶區(qū)的影響，通過對AL-Cu未經(jīng)電磁攪拌的試樣邊緣處銅含 量明顯較中心處高，屬于逆偏析。在小尺寸試樣中，溶質元素的偏析情況是 由合金元素的擴散和補縮流動兩個過程控制。當擴散溶質通量小于補縮液 流的溶質通量時，合金元素將發(fā)生逆偏析施加電磁攪拌后，溫度梯度變小， 兩相區(qū)擴大，補縮液流通量隨之增大，定向凝固傾向被削弱,促進了鑄錠以 等軸晶的方式進行凝固，逆偏析受到抑制凝固過程中施加電磁攪拌,能明顯 細化晶粒，增加等軸晶區(qū)寬度。凝固過程中施加電磁攪拌，能減輕鑄錠中的 疏松。凝固過程中施加電磁攪拌，能抑制鋁合金鑄錠中銅的逆偏析。2無氟渣重熔鑄錠的各種凝固

15、變量，從鑄錠表層至中心的變化幅度稍 大于高氟渣重熔鑄淀的。由于無氟渣重熔渣池有效電阻高，熔速快,熔池深 度及兩相區(qū)厚度變化大所造成的。采用大充填比配合無氟渣電渣重熔，可 望熔池達扁平,二次晶軸間距更為均勻，可進一步提高顯微組織的均勻性無 氟渣電渣重熔可細化晶粒。3對NdFeB合金的鑄造方法。通過對NdFeB合金鑄錠微觀組織的觀察 通過金相組織分析,認為鑄態(tài)組織由主相Nd2Fe14B、晶間的富釹相和少量 的a-Fe組成。Nd2Fe14B相沿垂直于鑄錠底部生長成片狀晶，片的厚度約 10m30m,寬度約28m54m,長度約0.04mm1.08mmNd2Fe14B采用均勻退 火的方式。消除鑄態(tài)組織中軟

16、磁性相a-Fe,使組織均勻化，通過實驗測定 NdFeB鑄錠經(jīng)050C、24h均勻化退火后，某射線在某些角度處的衍射峰明 顯加強，衍射強度最大到約190,峰寬減小，峰頂尖銳,說明退火后，晶面的 各向異性更加明顯。經(jīng)退火后，a-Fe基本消除,片狀晶變?yōu)榈容S晶并粗化。4結束語由于鑄錠或鑄件冷卻條件的復雜性，因而給鑄件組織帶來很 多特點。對鑄件來說，鑄態(tài)組織直接影響到它的力學性能和使用壽 命； 對鑄錠來說，鑄態(tài)組織不但影響到它的壓力加工性能，而且還影響 到壓力加工后的金屬制品的組織和性能。為了改善鑄錠組織，需要提高液 態(tài)金屬中的形核率，限制柱狀晶的發(fā)展，細化晶粒，則鑄件的性能得到提 高，使鑄件在實際生活中得到廣泛的應用。參考文獻1超聲波振動處理時間對鑄錠組織的影響，李軍文，鑄造技術, 2004,25 2電磁攪拌對鑄錠凝固組織