金属熔炼与铸锭 第十讲铸锭晶粒组织及其细化

1、第十讲 铸锭晶粒组织及其细化10.1 铸锭正常晶粒组织铸锭正常晶粒组织10.2 铸锭异常晶粒组织铸锭异常晶粒组织10.3 晶粒细化技术晶粒细化技术210.1 铸锭正常晶粒组织铁模铸锭的晶粒组织常由三个区域组成：铁模铸锭的晶粒组织常由三个区域组成：p 表面细等轴晶区（激冷晶区）表面细等轴晶区（激冷晶区）p 柱状晶区柱状晶区p 中心等轴晶区中心等轴晶区图图 具有三个晶区的铸锭晶粒具有三个晶区的铸锭晶粒组织示意图组织示意图 铸锭具有上述三种晶区，各自的宽窄也会铸锭具有上述三种晶区，各自的宽窄也会因合金成分、铸锭方法和工艺的不同而不同。因合金成分、铸锭方法和工艺的不同而不同。 在同一铸锭条件下，在同一

2、铸锭条件下，纯金属多形成柱状晶，纯金属多形成柱状晶，合金则常形成粗等轴晶合金则常形成粗等轴晶。 对于同一合金，用冷却强度大的连铸方法，对于同一合金，用冷却强度大的连铸方法，易于形成细长柱状晶，用铁模铸锭时可得到粗易于形成细长柱状晶，用铁模铸锭时可得到粗等轴晶或柱状晶。等轴晶或柱状晶。310.1.1 表面细等轴晶区的形成 形成表面薄层细等轴晶区的原因形成表面薄层细等轴晶区的原因 与模壁接触的金属液薄层激冷产生极大过冷，形核率大增与模壁接触的金属液薄层激冷产生极大过冷，形核率大增 动量对流、热对流，以及由对流引起的温度起伏动量对流、热对流，以及由对流引起的温度起伏 结晶快，潜热来不及散失，液结晶快

3、，潜热来不及散失，液-固界面温度升高，停止发展，所以薄固界面温度升高，停止发展，所以薄 形成表面细等轴晶区的影响因素形成表面细等轴晶区的影响因素 （1）浇温高，显热的散失使模温迅速升高，过冷度迅速降低，形成）浇温高，显热的散失使模温迅速升高，过冷度迅速降低，形成稳定晶核数减少。脱离模壁的晶粒少或易于被完全重溶，因而表面等稳定晶核数减少。脱离模壁的晶粒少或易于被完全重溶，因而表面等轴晶区窄；轴晶区窄； （2）当模壁激冷作用过强时，细等轴晶区也变窄甚至消失；）当模壁激冷作用过强时，细等轴晶区也变窄甚至消失； （3）合金中元素含量较高时，晶粒或枝晶根部易形成缩颈而游离，）合金中元素含量较高时，晶粒或

4、枝晶根部易形成缩颈而游离，细等轴晶区变宽。细等轴晶区变宽。4p 细晶区形成后，模壁温度升高，散热减慢，细晶区形成后，模壁温度升高，散热减慢，冷速降低，过冷度减小，不再生核冷速降低，过冷度减小，不再生核p 在表面细等轴晶区内，生长方向（立方金在表面细等轴晶区内，生长方向（立方金属为属为，六方金属，六方金属）与散）与散热方向平行的热方向平行的晶粒优先长大晶粒优先长大，而与散热方，而与散热方向不平行的晶粒则被压抑。愈往铸锭内部向不平行的晶粒则被压抑。愈往铸锭内部晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向生长并互相接触而形成柱状晶区。生长并互相接触而形成柱状晶区。p 柱状

5、晶区是在柱状晶区是在单向导热及顺序凝固单向导热及顺序凝固条件下条件下形成的。形成的。 10.1.2 柱状晶区的形成5p 凡能凡能阻止晶体脱离模壁阻止晶体脱离模壁和和在固在固/液界面前沿形核液界面前沿形核的因素，的因素，均有利于扩大柱状晶区。均有利于扩大柱状晶区。p 如模壁导热性好，激冷作用强，易形成稳定的凝壳，则柱如模壁导热性好，激冷作用强，易形成稳定的凝壳，则柱状晶发达。状晶发达。p 合金化程度低，溶质偏析系数小，成分过冷弱，晶粒或枝合金化程度低，溶质偏析系数小，成分过冷弱，晶粒或枝晶根部不易形成缩颈而被熔断，也较易于获得柱状晶。晶根部不易形成缩颈而被熔断，也较易于获得柱状晶。形成柱状晶区的

6、影响因素形成柱状晶区的影响因素10.1.2 柱状晶区的形成6p 提高浇注温度提高浇注温度，游离晶重，游离晶重熔的可能性增大，故有利熔的可能性增大，故有利于扩大柱状晶区。于扩大柱状晶区。形成柱状晶区的影响因素形成柱状晶区的影响因素10.1.2 柱状晶区的形成7p 合金凝固时，随合金凝固时，随合金含量提高合金含量提高，由于溶质偏析产生成分过，由于溶质偏析产生成分过冷，促进晶体根部颈缩及脱落，使固冷，促进晶体根部颈缩及脱落，使固/液界面的前沿晶核液界面的前沿晶核增殖，不利于获得柱状晶，柱状晶区变窄。增殖，不利于获得柱状晶，柱状晶区变窄。柱状晶区的影响因素8p 合金凝固时，如在固合金凝固时，如在固/液

7、界面前沿能始终保持较大的液界面前沿能始终保持较大的温度温度梯度梯度，则柱状晶区可延伸至铸锭中心，直至与由对面模，则柱状晶区可延伸至铸锭中心，直至与由对面模壁生长过来的柱状晶相遇为止，如图所示。壁生长过来的柱状晶相遇为止，如图所示。柱状晶区的影响因素铸锭中具有单一柱状晶组织示意图铸锭中具有单一柱状晶组织示意图9p 对流的冲刷作用对流的冲刷作用以及对流造成的温度起伏，会促使晶体脱落以及对流造成的温度起伏，会促使晶体脱落及游离，有利于等轴晶的形成，不利于柱状晶形成。及游离，有利于等轴晶的形成，不利于柱状晶形成。p 施加施加稳定磁场稳定磁场，或，或沿一个方向沿一个方向恒速旋转恒速旋转锭模锭模，可消弱或

8、抑制，可消弱或抑制金属液内部的对流，阻止晶体的游离，有利于得到柱状晶；金属液内部的对流，阻止晶体的游离，有利于得到柱状晶；p 定向凝固定向凝固，关键是保证单向导热，保持较大的温度梯度和较，关键是保证单向导热，保持较大的温度梯度和较小的凝固速度。小的凝固速度。金属液内对流的影响金属液内对流的影响柱状晶区的影响因素定向凝固定向凝固10在铁模中凝固比在砂模中在铁模中凝固比在砂模中更易获得柱状晶。更易获得柱状晶。冷却速度、传热过程、凝冷却速度、传热过程、凝壳形成。壳形成。砂模和铁模中晶体游离对比砂模和铁模中晶体游离对比（a）砂模；（）砂模；（b）铁模）铁模柱状晶区的影响因素11等轴晶晶核的来源等轴晶晶

9、核的来源(1) 均质生核均质生核形成中心等轴晶区：中心等轴晶区是在柱状晶形成中心等轴晶区：中心等轴晶区是在柱状晶区包围的残余液体中，同时过冷生核而形成。从热力学区包围的残余液体中，同时过冷生核而形成。从热力学观点看，均质生核需要较大的过冷度，这在一般铸锭条观点看，均质生核需要较大的过冷度，这在一般铸锭条件下是难以满足的。件下是难以满足的。(2) 成分过冷成分过冷引起中心非均质生核：当出现成分过冷时，引起中心非均质生核：当出现成分过冷时， 由于固由于固/液界面处过冷度最小，柱状晶生长被抑制，而液界面处过冷度最小，柱状晶生长被抑制，而界面前沿过冷度较大的地方，利于非均质生核而形成等界面前沿过冷度较

10、大的地方，利于非均质生核而形成等轴晶区。轴晶区。10.1.3 中心等轴晶区的形成12公认的形成中心等轴晶区的方式有三种，即：公认的形成中心等轴晶区的方式有三种，即：表面细等轴晶的游离；表面细等轴晶的游离；枝晶的熔断及游离；枝晶的熔断及游离；液面或凝壳上晶体的沉积。液面或凝壳上晶体的沉积。凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其比重大凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其比重大于或小于液体比重，也会产生对流，晶体被卷入于或小于液体比重，也会产生对流，晶体被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。铸锭中心，然后长大成等轴晶。10.1.3 中心等轴晶区的形成1310.1.3 中心等轴晶区的形成凝固初期在模壁附近形

11、成的晶体，由于其比重大于或小于凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其比重大于或小于液体比重，也会产生对流，晶体被卷入铸锭中心，然后长液体比重，也会产生对流，晶体被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。大成等轴晶。凝固初期因比重不同引起的对流凝固初期因比重不同引起的对流（a）晶体比重小于金属液；（）晶体比重小于金属液；（b）晶体比重大于金属液）晶体比重大于金属液14枝晶的熔断及游离 枝晶长大时，在其周围枝晶长大时，在其周围会形成溶质偏析层，因而抑会形成溶质偏析层，因而抑制枝晶生长；由于此偏析层制枝晶生长；由于此偏析层很薄，枝晶一旦穿过该偏析很薄，枝晶一旦穿过该偏析层，就会迅速生长变粗，在层，就会迅速生长

12、变粗，在偏析层内留下缩颈。这种带偏析层内留下缩颈。这种带缩颈的枝晶，在对流作用下缩颈的枝晶，在对流作用下易被熔断，其碎块游离至铸易被熔断，其碎块游离至铸锭中心，在温度较低的情况锭中心，在温度较低的情况下，长成为中心等轴晶。下，长成为中心等轴晶。枝晶缩颈的形成示意图，虚线表示溶质偏枝晶缩颈的形成示意图，虚线表示溶质偏析层析层15枝晶的熔断及游离Quickly cooled Slowly cooled 过共晶过共晶Co-33Ge合金形成的（合金形成的（a）枝晶颈缩与断开，（）枝晶颈缩与断开，（b）颈缩枝）颈缩枝晶及枝晶断开的碎块晶及枝晶断开的碎块16枝晶的熔断及游离 枝晶熔断现象在无对流的情况下枝

13、晶熔断现象在无对流的情况下也可发生。由于枝晶缩颈处表面张力大，也可发生。由于枝晶缩颈处表面张力大，熔点较低，在固熔点较低，在固/液两相共存温度下保液两相共存温度下保温，该处有可能被熔断，此即等温粗化温，该处有可能被熔断，此即等温粗化模型模型II所示情况。此外，强烈过冷形成所示情况。此外，强烈过冷形成的细小枝晶，在结晶潜热作用下，将会的细小枝晶，在结晶潜热作用下，将会被熔断而形成极细小的粒状晶。在上述被熔断而形成极细小的粒状晶。在上述两种情况下，如有对流存在，则更易形两种情况下，如有对流存在，则更易形成等轴晶。成等轴晶。17晶体沉积形成中心等轴晶区的过程大量晶体在对流作用下，沿模壁下沉；部分晶体

14、由于模壁的冷却，大量晶体在对流作用下，沿模壁下沉；部分晶体由于模壁的冷却，积聚在模壁上形成表面细等轴晶；部分晶体由于对流作用被卷向积聚在模壁上形成表面细等轴晶；部分晶体由于对流作用被卷向铸锭中部，悬浮在液体中。铸锭中部，悬浮在液体中。随着温度的降低，对流的减弱，沉积于铸锭下部的晶体越来越多；随着温度的降低，对流的减弱，沉积于铸锭下部的晶体越来越多；表面细等轴晶通过竞争生长形成柱状晶区；表面细等轴晶通过竞争生长形成柱状晶区；中部晶体长大后与柱状晶相遇，凝固结束。中部晶体长大后与柱状晶相遇，凝固结束。1810.2 铸锭异常晶粒组织10.2.1 异常粗大晶粒异常粗大晶粒表层粗晶粒表层粗晶粒悬浮晶悬浮

15、晶粗大金属间化合物粗大金属间化合物19表层粗晶粒表层粗晶粒 通常铸锭表层为细等轴晶。但在连续铸锭表层中，宏观通常铸锭表层为细等轴晶。但在连续铸锭表层中，宏观组织也可能由组织也可能由冷隔冷隔、细晶粒和粗晶粒细晶粒和粗晶粒组成。由于组成。由于传热过程受传热过程受到影响到影响，使形成稳定凝壳的时间延迟，使形成稳定凝壳的时间延迟，只有少量晶核只有少量晶核在该处在该处长大成粗大晶粒。长大成粗大晶粒。润滑油分布不匀、涂料厚度不匀导致接触不良，传热局部变慢润滑油分布不匀、涂料厚度不匀导致接触不良，传热局部变慢形成气隙后，表层温度升高，表层偏析物重熔，然后结晶长大成粗晶形成气隙后，表层温度升高，表层偏析物重熔

16、，然后结晶长大成粗晶 消除表层粗晶粒的方法：消除表层粗晶粒的方法：降低结晶器内的液穴深度，供降低结晶器内的液穴深度，供流匀稳，保持锭模内壁光滑，涂料均匀。流匀稳，保持锭模内壁光滑，涂料均匀。其次，可通过其次，可通过铣面消除铣面消除。10.2 铸锭异常晶粒组织2010.2 铸锭异常晶粒组织2110.2 铸锭异常晶粒组织Fe-3%Si二次再结晶组织与二次再结晶相区别与二次再结晶相区别2210.2 铸锭异常晶粒组织悬浮晶悬浮晶 夹在正常柱状晶区或等轴晶区中的粗大晶粒夹在正常柱状晶区或等轴晶区中的粗大晶粒，它是优，它是优先形核生长的基体金属固溶体初晶，在固先形核生长的基体金属固溶体初晶，在固/液界面前

17、沿温液界面前沿温度梯度较小的过冷液体中自由长大，然后进入凝固层内度梯度较小的过冷液体中自由长大，然后进入凝固层内而形成的。而形成的。 23悬浮晶的形成方式主要有四种：悬浮晶的形成方式主要有四种：(1)液体中温度梯度较小、凝固区较宽时，液体中温度梯度较小、凝固区较宽时，脱离模壁的少数脱离模壁的少数晶粒在凝固区内自由长大晶粒在凝固区内自由长大；(2)大型铸锭冷却缓慢时，液穴表面形成的大型铸锭冷却缓慢时，液穴表面形成的晶粒沉积于凝固晶粒沉积于凝固区内区内，得以充分长大；，得以充分长大；(3)位于气隙较大处的凝壳，由于温度回升被重熔成半凝固位于气隙较大处的凝壳，由于温度回升被重熔成半凝固状态，在对流作

18、用下状态，在对流作用下凝壳边缘塌落下来的碎块凝壳边缘塌落下来的碎块；(4)尚未完全熔化的基体金属尚未完全熔化的基体金属晶体碎块晶体碎块。 增大冷却强度，提高铸锭断面的温度梯度，缩小凝固区，增大冷却强度，提高铸锭断面的温度梯度，缩小凝固区，可防止产生悬浮晶。可防止产生悬浮晶。10.2 铸锭异常晶粒组织24铸锭中可见到一些高熔点金属化合物初晶，呈块状、片状或针铸锭中可见到一些高熔点金属化合物初晶，呈块状、片状或针状不均匀分布与基体中。状不均匀分布与基体中。形成原因：与悬浮晶基本相同。因为浇注时间长，或浇温低，形成原因：与悬浮晶基本相同。因为浇注时间长，或浇温低，铸锭冷却缓慢，则向铸锭中部游移的化合

19、物初晶得以在液体中铸锭冷却缓慢，则向铸锭中部游移的化合物初晶得以在液体中自由生长成粗大晶粒。自由生长成粗大晶粒。防止措施：防止措施：适当适当提高浇注温度提高浇注温度，加大冷却强度加大冷却强度，可减少游离化合物初晶的，可减少游离化合物初晶的数目，有利于防止粗大化合物初晶的形成。数目，有利于防止粗大化合物初晶的形成。严格严格控制合金成分控制合金成分或或采用变质处理采用变质处理。利用利用过热法过热法可以细化金属化合物初晶，改善铸锭组织的均匀性。可以细化金属化合物初晶，改善铸锭组织的均匀性。10.2 铸锭异常晶粒组织粗大金属间合化物粗大金属间合化物2510.2 铸锭异常晶粒组织26目前只发现存在于铝合

20、金连续铸锭中。一种由许多羽毛状片晶组成的目前只发现存在于铝合金连续铸锭中。一种由许多羽毛状片晶组成的晶粒，称为晶粒，称为羽毛状晶羽毛状晶，是变态的柱状晶，多分布于铸锭周边处。，是变态的柱状晶，多分布于铸锭周边处。位向一致的若干择优生长的羽毛状晶组成位向一致的若干择优生长的羽毛状晶组成羽毛状晶群羽毛状晶群。浇注温度高、浇速快、冷却强度大的定向凝固容易形成羽毛状晶。浇注温度高、浇速快、冷却强度大的定向凝固容易形成羽毛状晶。同一羽毛状晶粒内部有两个不同的位向，两者以（同一羽毛状晶粒内部有两个不同的位向，两者以（111）面为对称面，）面为对称面，构成柱状孪晶，也称铸造孪晶。构成柱状孪晶，也称铸造孪晶。

21、羽毛状晶具有较强的羽毛状晶具有较强的各向异性各向异性，降低铸锭的力学性能和加工性能。，降低铸锭的力学性能和加工性能。采用较低的浇温，均匀供流，防止液穴局部过热，加入采用较低的浇温，均匀供流，防止液穴局部过热，加入Ti或细化晶粒，或细化晶粒，或增大变形量和热处理来消除。或增大变形量和热处理来消除。10.2.2 羽毛状晶羽毛状晶10.2 铸锭异常晶粒组织2710.2.2 羽毛状晶羽毛状晶10.2 铸锭异常晶粒组织 羽毛状晶的低倍组织特征为呈扇形分布的、有许多平行细条组成羽毛状晶的低倍组织特征为呈扇形分布的、有许多平行细条组成的羽毛状，尺寸较大，在铸锭截面上分布有时分散，有时连成一的羽毛状，尺寸较大

22、，在铸锭截面上分布有时分散，有时连成一片；片； 显微组织为粗大孪晶组织，是柱状晶变种。枝晶一边为显微组织为粗大孪晶组织，是柱状晶变种。枝晶一边为直线孪晶直线孪晶晶轴，另一边为晶轴，另一边为锯齿状晶界锯齿状晶界 2810.3 晶粒细化技术p细小等轴晶组织细小等轴晶组织各向异性小各向异性小p加工时加工时变形均匀变形均匀p使易偏聚使易偏聚在晶界上的杂质、夹杂及低熔点共晶组在晶界上的杂质、夹杂及低熔点共晶组织分布更均匀织分布更均匀p具有细小等轴晶组织的铸锭，其机械性能和加工具有细小等轴晶组织的铸锭，其机械性能和加工性能均较好性能均较好希望获得晶粒更细小的铸锭。希望获得晶粒更细小的铸锭。晶粒细化技术：晶

23、粒细化技术：增大冷却强度增大冷却强度、加强金属液流动加强金属液流动、变质处理变质处理。细晶的优点细晶的优点2910.3 晶粒细化技术采用水冷模和降低浇温采用水冷模和降低浇温 对小型铸锭，对小型铸锭，采用水冷模、冷却强度大，易得到细小晶粒采用水冷模、冷却强度大，易得到细小晶粒组织。组织。 对大型铸锭对大型铸锭，适当降低浇温，可在一定程度上使晶粒得到，适当降低浇温，可在一定程度上使晶粒得到细化。细化。增大冷却强度增大冷却强度(晶粒细化技术之一晶粒细化技术之一)30能更好地与模壁接触，有效发挥模壁的激冷效果能更好地与模壁接触，有效发挥模壁的激冷效果温度起伏和对流的冲刷作用，增加游离晶数目温度起伏和对

24、流的冲刷作用，增加游离晶数目10.3 晶粒细化技术加强金属流动加强金属流动(晶粒细化技术之二晶粒细化技术之二) 改变浇注方式改变浇注方式 使锭模周期性振动使锭模周期性振动 搅拌搅拌措施：措施：31 底注式底注式，液面平静，液面平静，对流弱，由粗大柱状对流弱，由粗大柱状晶组成晶组成 顶注式顶注式，铸锭出现等，铸锭出现等轴晶轴晶 沿模壁浇注沿模壁浇注，等轴晶，等轴晶区扩大，晶粒细化区扩大，晶粒细化 采用六口沿模壁浇注，采用六口沿模壁浇注，等轴晶细化显著。等轴晶细化显著。10.3 晶粒细化技术加强金属流动加强金属流动改变浇注方式改变浇注方式32 金属流进锭模以前，先流经金属流进锭模以前，先流经一一倾

25、斜冷却器倾斜冷却器，在金属液的，在金属液的冲刷作用下，由槽壁生成的冲刷作用下，由槽壁生成的大量晶粒，随液流而下一起大量晶粒，随液流而下一起进入模中，使铸锭晶粒细化。进入模中，使铸锭晶粒细化。10.3 晶粒细化技术改变浇注方式改变浇注方式加强金属流动加强金属流动+降低浇温降低浇温33超声波或机械振动超声波或机械振动振动使金属液与模壁或凝壳之间产生周期性的相振动使金属液与模壁或凝壳之间产生周期性的相对运动，对运动，加速晶体的游离加速晶体的游离，细化晶粒，细化晶粒加强金属液充填枝晶间隙的补缩作用，加强金属液充填枝晶间隙的补缩作用，提高铸锭提高铸锭致密性致密性10.3 晶粒细化技术加强金属流动加强金属

26、流动使锭模周期性振动使锭模周期性振动3410.3 晶粒细化技术加强金属流动加强金属流动使锭模周期性振动使锭模周期性振动振动与晶粒度的关系振动与晶粒度的关系浇温及振动对晶粒度的影响浇温及振动对晶粒度的影响振动降低组织对浇温的敏感性振动降低组织对浇温的敏感性3510.3 晶粒细化技术加强金属流动加强金属流动搅拌搅拌 搅拌方法包括搅拌方法包括机械搅拌机械搅拌和和电磁场搅动电磁场搅动，作用和效，作用和效果同于振动果同于振动 搅拌器放入结晶器进行搅拌，细化晶粒效果更好搅拌器放入结晶器进行搅拌，细化晶粒效果更好 为获得细小等轴晶，应为获得细小等轴晶，应周期性改变搅拌方向或速周期性改变搅拌方向或速度度，避免抑制铸锭内外层间的自然对流和温度起，避免抑制铸锭内外层间的自然对流和温度起伏而不利于枝晶的游离。伏而不利于枝晶的游离。3610.3 晶