铸造3-结晶组织形成和控制-PPT课件

1、第三章 结晶组织的形成和控制1教学大纲 教学目的和要求:掌握过冷及其对结晶的影响、凝固过程中的液体流动对结晶的影响、铸件和铸锭典型晶粒组织的形成、铸件（铸锭）晶粒组织的控制途径。教学内容：1.过冷及其对结晶的影响。2.凝固过程中的液体流动对结晶的影响。3.铸件和铸锭典型晶粒组织的形成。4.铸件（铸锭）晶粒组织的控制途径。教学重点和难点：重点：过冷及其对结晶的影响，铸件和铸锭典型晶粒组织的形成，铸件（铸锭）晶粒组织的控制途径。难点：凝固过程中的液体流动对结晶的影响。2第一节 铸件宏观结晶组织的形成及其影响因素一、铸件宏观组织特征表面细晶粒区：紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，仅几个

2、晶粒厚；柱状晶区：由自外向内沿着热流方向彼此平行排列的柱状晶所组成；内部等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。(a) 包括三个晶区的铸件宏观结晶组织 图3-1 几种铸件截面宏观组织示意图3晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质和具体凝固条件而变化在一定的条件下，也可以获得完全由柱状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织图3-1(b)、(c)。(b) 由柱状晶构成的铸件组织 (c) 全部由等轴晶构成的组织图3-1 几种铸件截面宏观组织示意图4二、晶粒游离的产生 独立形核游离状态自由小晶体等轴晶粒“晶核”。游离晶形成、漂移、堆积等轴晶的数量、大小和分布铸件宏观结晶组织51液态金属流动的作用6

3、液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是通过影响其传热和传质过程而实现的。（1）传热方面：液态金属的流动加速其过热热量的散失，使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于30s）从浇注温度下降到凝固温度。（2）传质方面：液态金属流动的最大作用在于导致游离晶粒的漂移和堆积，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。同时改变界面前沿的溶质分布状态，加速流体宏观成分的均匀化。72直接来自过冷熔体中的非均质生核所引起的晶粒游离浇道、型壁及液面等处的激冷作用而使其附近的熔体过冷，并通过非均匀形核作用在其内部形成大量处于游离状态的小晶体先形成的游离晶随着液流向深入漂移的时候，新过冷的熔体中又会不断形成新的游离晶。图

4、 3-2 浇注过程及凝固初期的晶粒游离83型壁晶粒的脱落形成的晶粒游离在浇注过程及凝固初期由于浇注系统和铸型型壁处的激冷作用，形成了大量细小的等轴晶。一方面，初生枝晶直接依靠金属液流的机械冲刷作用，并随对流作用游离到熔体内部，在区域温度较低时能保留于熔体内起到晶核的作用。另一方面，初生枝晶通过“缩颈”现象导致脱落，产生游离。9 图3-3 型壁晶粒脱落示意图104枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离图3-4 枝晶分枝“缩颈”的形成114枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离图3-5 从铸型游离的晶粒的增殖作用 125液面晶粒沉积所引起的晶粒游离液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分枝密度比液体大下沉产生晶粒游离

5、。 多发生在大型铸锭的凝固过程中13三、表面细晶粒区的形成铸型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用而大量生核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并互相抑制，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织，故（以往常把表面细等轴晶）称为“激冷晶”。现代研究表明，除了非均质生核过程以外，各种形式的晶粒游离也是形成表面细晶粒区的“晶核”来源。 14细化程度取决于：型壁散热条件所决定的过冷度和凝固区域的宽度。型壁附近熔体内大量的非均匀形核。各种形式的晶粒游离。前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层凝固壳层界面处晶粒单向散热晶粒逆热流方向择优生长而形成柱状晶。15四、柱状晶区的形成16图3-6 柱状晶择优生长示意图17五、内部等

6、轴晶区的形成熔体内部晶核自由生长的结果1819第二节 等轴晶组织的获得和细化一、影响铸件宏观结晶组织形成的因素通过强化非均质生核和促进晶粒游离以抑制凝固过程中柱状晶区的形成和发展，就能获得等轴晶组织。非均质晶核数量越多，晶粒游离的作用越强，熔体内部越有利于游离晶的残存，则形成的等轴晶粒就越细。凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离及有助于游离晶的残存与堆积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。20一、影响铸件宏观结晶组织形成的因素 (1) 金属性质方面21一、影响铸件宏观结晶组织形成的因素 (2) 浇注条件方面22一、影响铸件宏观结晶组织形成的因素(3)

7、 铸型性质和铸件结构方面23二、铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。（1）柱状晶：生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。但柱状晶比较粗大，晶界面积小，位向一致，其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体，将导致铸件热裂。24二、铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响（2）等轴晶：晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。枝晶比较

8、发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。晶粒越细综合性能越好。对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱状晶，增加其致密度；对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组织；对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。25三、等轴晶组织的获得和细化强化非均匀形核促进晶粒游离抑制柱状晶区26三、等轴晶组织的获得和细化(一)合理控制热学条件 1低温浇注和采用合理的浇注工艺低温浇注可有效减少柱状晶，获得细等轴晶，但低温液态金属流动性差的不足。 图3-7 等轴晶大小d与柱

9、状晶长度L的关系(r为试样半径)27合理的浇注工艺强化液流对型壁冲刷作用的浇注工艺也能有效地促进细等轴晶的形成。图3-8 不同浇注工艺Al-Cu0.2合金的宏观结构组织(石墨型)282合理控制冷却条件 目的：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。小的温度梯度和高的冷却速度。可以满足上述要求。29（二）孕育（变质）处理孕育处理是向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善组织之目的的一种方法。1孕育剂的作用机理合理选用孕育剂作用机理可分两类：一是强化非均质形核；二是通过在结晶生长界面前沿形成成分富集而使枝晶产生缩颈，促进晶粒游离。30(1) 强化形核作用 直接作为外加晶核 通

10、过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核（a）孕育剂能与液相中某些元素(最好是欲细化相的原子)组成较稳定的化合物，与欲细化相具有界面共格对应关系而能促进非均质生核。（b）通过在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前弥散析出。31(2) 强成分过冷元素孕育剂 强成分过冷元素的主要作用是 ：（a）通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生细弱缩颈，从而促进晶粒的游离；（b）强化熔体内部的非均质生核；（c）孕育剂富集抑制了晶体生长也能促使组织细化，从而最终有利于等轴晶的获得和细化过程。322合理确定孕育工艺孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。在孕育期内，孕育剂的组元熔化于合金液

11、中或与合金液发生反应生成化合物，起细化作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿，逐渐达到最佳的细化效果。当细化效果达到最佳值时进行浇注是最理想的，通常就存在一个可接受的保温时间范围。随合金种类及孕育剂的不同，达到最佳孕育效果所需要的时间也不同。实践中还发现，几乎所有的孕育剂在处理后存在孕育衰退现象。因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。33（三）动态晶粒细化振动机械振动、电磁振动、音频或超声波振动。搅拌机械、电磁搅拌或利用气泡搅拌。旋转振荡周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度。34流变铸造 又称为半固态铸造 图3-9 半固态铸造(挤压)成型工艺过程35（四）等轴

12、晶枝晶间距的控制等轴枝晶每个枝晶的一次分枝彼此相交而沿径向辐射，不同枝晶间没有任何确定的位向关系，一次枝晶间距意义不大。研究发现等轴晶二次枝晶间距对机械性能的影响比晶粒大小更为明显。二次枝晶间距的大小与晶体的结构形态及晶粒大小无必然的联系。可采取某些措施既减小二次枝晶间距又能细化等轴晶晶粒组织。36具体措施： 薄壁铸件的快速冷却； 具有显微激冷作用的悬浮铸造； 强成分过冷孕育剂和稀土孕育剂的应用； 低温浇注有利于加快冷却速度，因而也能在一定程度上细化二次枝晶间距。高温度梯度和小的非平衡结晶温度范围细化二次枝晶间距对等轴晶的形成是不利的。37第三节 定向凝固定向凝固又称定向结晶，是使金属或合金在

13、熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。在高温合金、磁性材料、共晶复合材料及其他新材料领域有很大的应用。3839一、定向凝固原理必要条件：必须在固液界面前沿建立必要的温度梯度；温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。40需要如下基本的工艺措施来保证：(1) 严格的单向散热；(2) 要减小熔体的非均质生核能力以避免界面前方的生核现象，即要提高熔体的纯净度；(3) 要避免液态金属的对流、搅动和振动，以阻止界面前方的晶粒游离。41二、定向凝固工艺根据成分过冷理论，要使合金定向凝固得到平面凝固组织，主要取决于合金的性质和工艺参数的选择。前者包括溶质质量、液相线斜率和溶质在液相中的扩散系数；后者包括温度梯

14、度、凝固速度。42几种定向凝固的工艺方法：1炉外结晶法（发热剂法）图3-10 炉外单项凝固方法示意图432炉内结晶法炉内单向凝固方法，就是使铸件在加热器内浇注和冷却，可以调节炉内温度梯度及对结晶过程实现程度不同的控制，因此可以获得较高质量的复杂铸件。44其具体的工艺方法可分为：(1) 功率降低法(PD法) 图3-11 功率降低法装置示意图45(2) 高速凝固法(HRS法) 图3-12 高速凝固法装置示意图 46(3) 液态金属冷却法(LMC法) 为了获得更高的温度梯度和生长速度，在HRS法的基础上，将抽拉出的铸件部分浸入具有高热导率的高沸点、低熔点、热容量大的液态金属中，形成了一种新的定向凝固

15、技术，即液态金属冷却法(LMC法)。图3-13 液态金属冷却法装置图 473新型定向凝固技术(1) 区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC法) 图3-14 区域熔化液态金属冷却法1试样；2感应圈；3隔热板；4冷却水；5液态金属；6拉锭机构； 7熔化区； 8坩埚48(2) 深过冷定向凝固(DUDS) 其基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一激冷基座上，在金属液被动力学过冷的同时，金属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷却过程中温度最低的底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架，其间是残余的金属液。在随后的冷却过程中，这些金属液依靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上凝固，最终获得了定向凝固组织。

16、 49与传统定向凝固工艺相比，深过冷定向凝固法具有下述特点：(a) 铸件和炉子间无相对运动，省去了复杂的传动和控制装置，大大降低了设备要求。(b) 凝固过程中热量散失快，铸件生产率高。(c) 定向凝固组织形成过程中的晶体生产速度高，组织结构细小，微观成分偏析程度低，促使铸件的各种力学性能大幅度提高。50(3) 电磁约束成型定向凝固技术(DSEMS) 电磁约束成型定向凝固技术是将电磁约束成型技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型定向凝固技术。该技术利用电磁感应加热熔化感应器内的金属材料，并利用在金属熔体表层部分产生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成型。同时，冷却介质与铸件表面直接接触，增强了铸

17、件固相的冷却能力，在固液界面附近熔体内可以产生很高的温度梯度，使凝固组织超细化，显著提高铸件的表面质量和内在综合性能。51(4) 激光超高温度梯度快速定向凝固 激光表面处理技术是利用激光束的高能流密度实现材料表面的快速加热，同时由于材料表面吸收的热量在短时间内聚集，使表面温度迅速升高，而材料内部在激光束扫过瞬间基本不受影响。随后，由于表面附近极大的温度梯度，使基体材料对表面起到激冷作用。利用激光束的快速加热与激冷作用可以实现对材料的表面硬化、表面熔凝(快速凝固)、表面合金化及表面黏附处理。激光超高温度梯度快速定向凝固是目前仍处于研究阶段的新兴技术。在激光表面快速熔凝时，凝固界面的温度梯度可高达

18、5104K/cm，凝固速度高达数米每秒，能够获得比常规定向凝固包括ZMLMC技术高得多的温度梯度和凝固速率。52三、单晶制备53利用单向凝固技术还可以生产单晶体铸件，使用的有选晶法和籽晶法两种工艺。选晶法为图3-15(a)所示：图3-15 单晶体铸件制备工艺晶体铸件 54籽晶法如图3-15(b)所示，利用一个小单晶体作为引晶(籽晶)，使铸件在引晶上生长而获得单晶体组织。图3-15 单晶体铸件制备工艺晶体铸件 55四、连续单向凝固技术最具有代表性的就是大野笃美的O.C.C连续铸造法。该技术与一般的连续铸造的根本区别是利用加热铸型型壁的高温以阻止晶核在型壁处形成。这样，通过端部散热使溶液在铸锭心部先凝固，而表层在脱离铸型的一瞬间才凝固，从而获得具有单向凝固组织的连续铸锭(图3-16)。图3-16 普通连续铸造法与O.C.C法的比较56第四节 快速凝固57在快速凝固条件下凝固过程的各种传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。经典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应，成为凝固过程研究的一个特殊领域。58快速凝固条件下凝固过程表现出的主要特征在于：59快速凝固条件下凝固过程表现出的主要特征在于：(1) 偏析形成倾向减小，随着凝固速率的增大，溶质分配系数还是，实际溶质分配系数总是随着凝固速率的增大向1趋近，偏析