鑄錠晶粒組織及其細(xì)化課件

第六章鑄錠晶粒組織及其細(xì)化6.1鑄錠正常晶粒組織6.2鑄錠異常晶粒組織6.3晶粒細(xì)化技術(shù)6.1鑄錠正常晶粒組織鐵模鑄錠的晶粒組織常由三個區(qū)域組成：表面細(xì)等軸晶區(qū)（激冷晶區(qū)）柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)2圖6-1具有三個晶區(qū)的鑄錠晶粒組織示意圖6.1鑄錠正常晶粒組織并非所有鑄錠晶粒組織都是由上述三個晶區(qū)組成的。如在不銹鋼鑄錠中，往往全部是柱狀晶，沒有中心等軸晶區(qū)，而經(jīng)細(xì)化處理的鋁合金鑄錠中，往往全部為等軸晶，沒有柱狀晶區(qū)。即使鑄錠具有上述三種晶區(qū)，但各自的寬窄也會因合金、鑄錠方法和工藝的不問而不同。在同一鑄錠條件下，純金屬多形成柱狀晶，合金則常形成粗等軸品。對于同一合金，用冷卻強度大的連鑄方法，易于形成細(xì)長柱狀晶，用鐵模鑄錠時可得到粗等軸晶或柱狀晶。36.1.1表面細(xì)等軸晶區(qū)的形成傳統(tǒng)的理論認(rèn)為，當(dāng)過熱金屬澆入錠模時，與模壁接觸的一層液體受到強烈激冷，產(chǎn)生極大過冷，并由于模壁的形核作用，因而在模壁附近的過冷液體中大量生核，并同時生長成柱狀細(xì)等軸晶。液體金屬的對流對表面細(xì)等軸晶區(qū)的形成有決定性的影響。澆注時流柱引起的動量對流，液體內(nèi)外溫差引起的熱對流，以及由對流引起的溫度起伏，均可促使模壁上形成的晶核粒脫落和游離，增加凝固區(qū)內(nèi)的晶核數(shù)目，因而形成了表面細(xì)等軸晶區(qū)。但是，如果無對流，即使有強烈的激冷，也不一定形成細(xì)等軸晶區(qū)。46.1.1表面細(xì)等軸晶區(qū)的形成表面細(xì)等軸區(qū)的寬窄與澆注工藝、模溫及模壁的導(dǎo)熱能力、合金成分等因素有關(guān)。澆溫高，顯熱的散失使模溫迅速升高，形成穩(wěn)定晶核數(shù)減少。脫離模壁的晶粒少或易于被完全重溶，因而表面等軸晶區(qū)窄。當(dāng)模壁激冷作用過強時，細(xì)等軸晶區(qū)也變窄甚至消失。合金中元素含量較高時，晶粒或枝晶根部易形成縮剄而游離，細(xì)等軸晶區(qū)變寬。56.1.2柱狀晶區(qū)的形成在表面細(xì)等軸晶區(qū)內(nèi)，生長方向（立方金屬為<100>）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。使愈往鑄錠內(nèi)部晶粒數(shù)目愈少，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)。如圖6-2。柱狀晶區(qū)是在單向?qū)峒绊樞蚰虠l件下形成的。固／液界面前沿溫度梯度大，凝固區(qū)窄，從界面上脫落的枝晶易于被完全熔比。66.1.2柱狀晶區(qū)的形成7柱狀晶區(qū)的影響因素8凡能阻止晶體脫離模壁和在固／液界面前沿形核的因素，均有利于擴大柱狀晶區(qū)。如模壁導(dǎo)熱性好，激冷作用強，易形成穩(wěn)定的凝殼，則柱狀晶發(fā)達(dá)。合金化程度低，溶質(zhì)偏斬系數(shù)小，成分過冷弱，晶拉或枝晶根部不易形成縮頸而被熔斷，也較易于獲得掛狀晶。柱狀晶區(qū)的影響因素9提高澆溫游離晶重熔的可能性增大，故有利于擴大柱狀晶區(qū)，見圖6－3a。但澆溫提高延長了形成穩(wěn)定凝殼的時間，溫度起伏大，故也有利于等軸晶的形成。所以，隨著撓溫的提高柱狀晶區(qū)變寬，等軸晶極大，如圖6—4所示。(6-4)(6-3a)柱狀晶區(qū)的影響因素合金凝固時，由于熔質(zhì)偏析產(chǎn)生成分過冷，促進(jìn)晶體根部頸縮及脫落，使固/液界面的前沿晶核增殖，不利于獲得柱狀晶，故隨合金含量提高．柱狀晶區(qū)變窄，見圖6－3b

。10柱狀晶區(qū)的影響因素合金凝固時，如在固/液界面前沿能始終保持較大的溫度梯度，則柱狀晶區(qū)可延伸至鑄錠中心，直至與由對面模壁生長過來的柱狀晶相遇為止，如圖6-5。11金屬液內(nèi)對流的影響：對流的沖刷作用以及對流造成的溫度起伏，會促使晶體脫落及游離，利于等鈾晶的形成。反之，如能抑制金屬液內(nèi)的對流，則可促進(jìn)柱狀晶的形成。施加穩(wěn)定磁場，可消弱或抑制金屬液內(nèi)部的對流，阻止晶體的游離，有利于得到柱狀晶；沿一個方向恒速旋轉(zhuǎn)錠模；定向凝固，關(guān)鍵是保證單向?qū)?，保持較大的溫度梯度和較小的凝固速度。12金屬液內(nèi)對流的影響：柱狀晶的加工性能較差，因此用于加工變形的鑄錠，應(yīng)減少柱狀晶。136.1.3中心等軸晶區(qū)的形成等軸晶晶核的來源均質(zhì)生核形成中心等軸晶區(qū)：中心等軸晶區(qū)是在柱狀晶區(qū)包圍的殘余液體中，同時過冷生核而形成的。從熱力學(xué)觀點看，均質(zhì)生核需要較大的過冷度，這在一般鑄錠條件下是難以滿足的。因此，均質(zhì)生接形成中心等馴品區(qū)的觀點早已被否定。成分過冷引起中心非均質(zhì)生核：當(dāng)出現(xiàn)成分過冷時，由于固/液界面處過冷度最小，柱狀晶生長被抑制，而界面前沿過冷度較大的地方，利于非均質(zhì)生核而形成等軸晶區(qū)。146.1.3中心等軸晶區(qū)的形成公認(rèn)的形成中心等軸晶區(qū)的方式有三種，即：表面細(xì)等軸晶的游離；枝晶的熔斷及游離；波面或凝完L晶體的沉積。凝固初期在模劈附近形成的晶體，由于其比重大于或小于液體比重，也會產(chǎn)生對流，晶體被卷入鑄錠中心，然后長大成等軸晶。156.1.3中心等軸晶區(qū)的形成表面細(xì)等軸晶的游離166.1.3中心等軸晶區(qū)的形成17需要指出的是，凝固初期在模壁附近形成的晶體，由于其比重大于或小于液體比重，也會產(chǎn)生對流(圖6－6)，晶體被卷入鑄錠中心，然后長大成等軸晶。枝晶的熔斷及游離18

上圖所示，枝晶長大時，在其周圍會形成溶質(zhì)偏析層，因而抑制枝晶生長；由于此偏析層很薄，枝晶一旦穿過該偏析層，就會迅速生長變粗，在偏析層內(nèi)留下縮頸。這種帶縮頸的枝晶，在對流作用下易被熔斷，其碎塊游離至鑄錠中心，在溫度較低的情況下，長成為中心等軸晶。枝晶的熔斷及游離19枝晶的熔斷及游離枝晶熔斷現(xiàn)象在無對流的情況下也可發(fā)生。由于杖晶縮頸處表面張力大，熔點較低，在固／液兩相共存溫度下保溫，該處有可能被熔斷，此即等溫粗化模型2所示情況(見圖5－9)。此外，強烈過冷形成的細(xì)小枝晶，在結(jié)晶潛熱作用下，將會被熔斷而形成極細(xì)小的粒狀晶。在上述兩種情況下，如有對流存在，則更易形成等軸晶。20枝晶的熔斷及游離21枝晶根部形成縮頸后逐漸熔化及游離。晶體沉積形成中心等軸晶區(qū)的過程在澆注和凝固過程中，形成的大量晶體在對流作用下，沿模壁下沉（a），其中部分晶體由于模壁的冷卻，積聚在模壁上形成表面細(xì)等軸晶；部分晶體由于對流作用被卷向鑄錠中部，懸浮在液體中。隨著溫度的降低，對流的減弱，沉積于鑄錠下部的晶體越來越多；22晶體沉積形成中心等軸晶區(qū)的過程與此同時，表面細(xì)等軸晶通過競爭生長形成柱狀晶區(qū)（b）；23晶體沉積形成中心等軸晶區(qū)的過程中部晶體不斷長大形成中心等軸晶區(qū)。當(dāng)它與由外向里生長的柱狀晶相遇時，凝固過程結(jié)束，形成具有三個晶區(qū)的組織（c）。24晶體沉積形成中心等軸晶區(qū)的過程258.1.3中心等軸晶區(qū)的形成綜上所述，形成中心等軸晶區(qū)的主要原因是由于溶質(zhì)偏析產(chǎn)生成分過冷，阻礙了晶體迅速形成穩(wěn)定的凝殼，并使晶?；蛑Ц啃纬煽s頸，在對流作用下，根部帶縮頸的晶?；蛑撾x模壁或凝殼，游離到鑄錠中心起晶核增殖作用所致。268.1.3中心等軸晶區(qū)的形成278.1.3中心等軸晶區(qū)的形成286.2鑄錠異常晶粒組織6.2.1異常粗大晶粒6.2.1.1表層粗晶粒：通常，鑄錠表層為細(xì)等軸晶。但是，在連續(xù)鑄錠表層中，宏觀組織也可能由冷隔(皺折)、細(xì)晶粒和粗晶粒組成。消除表層粗晶粒的方法：降低結(jié)晶器內(nèi)的液穴深度，供流勻穩(wěn)，保持錠模內(nèi)壁光滑，涂料勻薄。其次，可通過銑面消除。296.2.1.2懸浮晶懸浮晶是指夾在正常柱狀晶區(qū)或等軸晶區(qū)中的粗大晶粒。它是優(yōu)先形核生長的基體金屬固溶體初晶，在固／液界面前沿溫度梯度較小的過冷液體中自由長大，然后進(jìn)入凝固層內(nèi)而形成的。306.2.1.2懸浮晶形成方式主要有四種：液體中溫度梯度較小、凝固區(qū)較寬時，脫離模壁的少數(shù)晶粒在凝固區(qū)內(nèi)自由長大；大型鑄錠冷卻緩慢時，液穴表面形成的晶粒沉積于凝固區(qū)內(nèi)，得以充分長大；位于氣隙較大處的凝殼，由于溫度回升被重熔成半凝固狀態(tài)，在對流作用下凝殼邊緣塌落下來的碎塊；尚未完全熔化的基體金屬晶體碎塊。3132鑄錠中可見到一些高熔點金屬化合物初晶，呈塊狀、片狀或針狀不均勻分布與基體中。形成原因：與懸浮晶基本相同。因此澆注時間長，或澆溫低，鑄錠冷卻緩慢，則向鑄錠中部游移的化合物初晶得以在液體中自由生長成粗大晶粒。防止措施：適當(dāng)提高撓溫，加大冷卻強度，可減少游離化合物初晶的數(shù)目，有利于防止粗大化合物初晶的形成。嚴(yán)格控制合金成分或變質(zhì)處理。8.2.1.3粗大金屬化合物8.2.1.3粗大金屬化合物利用過熱法可以細(xì)化金屬化合物初晶，改善鑄錠組織的均勻性。338.2.2羽毛狀晶僅存于鋁合金連續(xù)鑄錠中。一種由許多羽毛狀片晶組成的晶粒，稱為羽毛狀晶，是一種變態(tài)的柱狀晶。多分布于鑄錠周邊處。位向一致的若干羽毛狀晶組成羽毛狀晶群，位向略有差別的組成另一羽毛狀晶群。羽毛狀晶宏觀上成群分布，互相交錯。羽毛狀晶顯微組織是由許多明暗相間、互相平行的羽毛狀片晶組成的。348.2.2羽毛狀晶358.2.2羽毛狀晶羽毛狀晶組織具有較強的遺傳性。368.3晶粒細(xì)化技術(shù)

細(xì)小等軸晶組織各向異性小，加工時變形均勻．且使易偏聚在晶界上的雜質(zhì)、夾雜及低熔點共晶組織分布更均勻，因此具有細(xì)小等軸晶組織的鑄錠，其機械性能和加工性能均較好。增大冷卻強度：采用水冷模和降低澆溫。水冷模冷卻強度大，金屬澆入模子能迅速形成穩(wěn)定的凝殼，加之模壁的強烈定向散熱作用，故易得到細(xì)長的柱狀晶。適用于小型鑄錠。對于導(dǎo)熱性差的大型鑄錠，錠模的冷卻作用僅影響鑄錠的外層，對鑄錠中心晶粒的細(xì)化作用不明顯。此時適當(dāng)降低澆溫，可在一定程度上使晶粒得到細(xì)化。378.3.2加強金屬流動依據(jù)：隨著流動加強，金屬液能更好地與模壁接觸，有效地發(fā)揮模壁的激冷效果，溫度起伏和對流的沖刷作用，增加游離晶數(shù)目。措施：改變澆注方式。388.3.2.1改變澆注方式39流柱使液面波動和對模壁的沖刷，以及由此而引起的溫度起伏，對等軸晶的形成和細(xì)化影響顯著。8.3.2.1改變澆注方式40金屬流進(jìn)錠模以前，先流經(jīng)一傾斜冷卻器，在金屬液的沖刷作用下，由槽壁生成的大量晶粒，隨流而下一起進(jìn)入模中，使鑄錠晶粒細(xì)化。8.3.2.2使錠模周期性振動超聲波或機械振動。振動的作用只要使金屬液與模壁或凝殼之間產(chǎn)生周期性的相對運動，從而加速晶體的游離，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。還可加強金屬液充填枝晶間隙的補縮作用，從而提高鑄錠的致密性。418.3.2.2使錠模周期性振動42攪拌438.3.3變質(zhì)處理