液态金属凝固原理

第一章液态金属凝固原理1.4.1铸件典型晶粒组织的形成及其影响因素铸件的典型晶粒凝固组织（三个晶区）：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。1.4金属结晶组织和凝固缺陷的控制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，在一定条件下，可获得完全由柱状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织：完全柱状晶完全等轴晶1.4金属结晶组织和凝固缺陷的控制形成原因：（1）铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。（2）各种形式的晶粒游离（浇注时液体冲刷、液体对流造成）。细化程度取决于（1）浇注温度、铸型导热能力：浇注温度越高、铸型导热能力越强，不利于细晶区形成；（2）合金成分：溶质含量越多，造成“颈缩”，利于细晶区形成。（3）非金属夹杂物含量：型壁附近熔体内大量的“非均匀形核”，利于细晶区形成。细晶区形成的前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层。

1、表面细晶粒区的形成稳定凝固壳层产生→→柱状晶区开始内部等轴晶区形成→→柱状晶区结束柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素综合作用结果。生长方式：择优生长2、内部柱状晶区的形成择优生长:各枝晶主干方向互不相同，主干与热流方向相平行的枝晶生长迅速，优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。竞争淘汰:离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰得就越多，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan柱状晶区影响因素：（1）铸型导热能力：铸型导热能力越强，有利于柱状区形成；（2）合金成分：溶质含量越少，有利于柱状晶区形成。（3）非金属夹杂物含量：非金属夹杂物含量少，有利于柱状晶区形成。2、内部柱状晶区的形成穿晶组织凝固壳层→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晶核来源：（1）过冷液态金属直接形核溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核（2）随对流漂移到铸件中心的自由小晶体

1）激冷游离晶2）型壁晶粒脱落

3）液面晶粒沉降（结晶雨）上述晶粒随着液流漂移到铸件心部，通过增殖（枝晶熔断），长大形成内部等轴晶（3）共格的非金属夹杂物的非均匀形核3、中心等轴晶区的形成

－－液态金属内部晶核自由生长的结果

1）激冷游离晶因浇注温度低，浇注中形成的激冷游离晶凝固初期形成的激冷游离晶非均质形核的激冷游离晶图型壁晶粒脱落示意图型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖——理论基点为溶质再分配。2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离

图枝晶分枝“缩颈”的形成b)c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图。V为生长方向。d)分枝缩颈2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离3）“结晶雨”游离晶液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分枝→→密度比液体大→下沉→产生晶粒游离。多发生在大型铸锭的凝固过程中铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成。晶区的形成和转变是过冷熔体独立形核能力和各种形式晶粒游离、漂移与沉积的程度这两个基本条件综合作用的结果。决定了铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan浇注温度的影响1.4.2铸件晶粒组织的控制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大小。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1.4.2铸件晶粒组织的控制（1）柱状晶（组织致密、晶粒粗大、各向异性）：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，排列位向一致，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，将导致铸件热裂。

1.4.2铸件晶粒组织的控制（2）等轴晶（组织疏松、各向同性）：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。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan

1.4.2铸件晶粒组织的控制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。1.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1.4.2铸件晶粒组织的控制（1）降低浇注温度

熔体的过热度较小，与浇道内壁接触就能产生大量的游离晶粒。有助于已形成的游离晶粒的残存，这对等轴晶的形成和细化有利。

1.等轴晶组织的获得和细化（2）孕育处理孕育——向液态金属中添加少量孕育剂促进液态金属内部形核，以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的。

A.形核剂：a）熔点高，直接作为外加晶核

b）通过与液态金属的相互作用形成高熔点化合物而产生非均匀晶核－能与液相中某些元素组成较稳定的化合物

如，铝液中加入Ti，形成TiAl3；钢中加入Ti、V等生成TiC、VC可起到细化晶粒的作用。1.等轴晶组织的获得和细化UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（2）孕育处理铝液中加入Ti，形成TiAl3.1.等轴晶组织的获得和细化B.造成溶质偏析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。如，钢中加入B可起到细化晶粒的作用。（2）孕育处理1.等轴晶组织的获得和细化溶质平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值：

k0=CS/CLUCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（2）孕育处理1.等轴晶组织的获得和细化UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan(a)中心顶注法（Al-0.2%Cu合金）

图不同浇注工艺铸锭的宏观组织（3）动力学细化法

1）控制浇注条件强化液流冲刷1.等轴晶组织的获得和细化(b)沿型壁浇注法（c)靠近型壁（6孔）顶注法

图不同浇注工艺铸锭的宏观组织（3）动力学细化法

1）控制浇注条件强化液流冲刷1.等轴晶组织的获得和细化UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）动力学细化法

1）控制浇注条件强化液流冲刷1.等轴晶组织的获得和细化（3）动力学细化法2）铸型振动：熔体在凝固过程中存在长时间、激烈的对流。（晶粒或枝晶脱落、破碎、游离、增殖）

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

旋转振荡－周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度振动对晶粒大小的影响（lin=2.54cm）1.等轴晶组织的获得和细化图利用旋转磁场控制晶粒组织柱状晶区（未加磁场）细等轴晶区（加磁场）（3）动力学细化法1.等轴晶组织的获得和细化（4）提高冷却速度薄壁铸件：激冷使整个断面同时产生较大的过冷，采用金属型容易获得细等轴晶。型壁较厚或导热性较差的铸件，采用金属型容易形成凝固壳层，易形成柱状晶；采用砂型可防止形成凝固壳层，有利于形成等轴晶，但晶粒粗大。1.等轴晶组织的获得和细化2.柱状晶组织的获得

定向凝固发热剂法、功率降低法、高速凝固法、液态金属冷却法等发热剂法UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2.柱状晶组织的获得定向凝固

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2.柱状晶组织的获得定向凝固

功率降低法UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan单晶体的制备（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。（2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。1.4.3凝固缺陷及其控制

铸件中常见的缺陷有：偏析、缩孔、缩松、气孔、非金属夹杂等，这些缺陷的出现，影响了铸件的质量、降低铸件的使用寿命，严重时使铸件报废。通过控制铸造工艺参数可以控制这些缺陷。

1.4.3凝固缺陷及其控制1．偏析铸件中化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析分为微观偏析和宏观偏析两大类。

微观偏析是指在微小范围内的化学成分不均匀现象，一般指一个晶粒范围内；

宏观偏析是指在大范围内的化学成分不均匀现象，表现为铸件各部位之间化学成分的差异，宏观偏析又称区域偏析。（1）微观偏析按其形式分为胞状偏析、晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析.（2）宏观偏析包括正偏析（正常偏析）与反偏析（反常偏析）、比重偏析（Pb-Sb,Pb-Sn)。（1）微观偏析：胞状偏析、晶内偏析（枝晶偏析）、晶界偏析.1．偏析

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1．偏析

（2）宏观偏析

由于结晶过程中液相与固相内溶质原子的重新分布造成的。包括：正偏析、反偏析、比重偏析。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1．偏析

（2）宏观偏析

宏观偏析后果：造成产品各部位性能不均匀。

不能通过均匀化退火消除。消除宏观偏析的方法：控制凝固速度（1）气孔1）析出性气孔在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出气体，来不及从液面排出而形成气孔。H2孔、N2孔、O2孔。含氢量2）反应性气孔（皮下气孔）金属液－铸型之间、金属液内部发生化学反应所产生的气孔。2.气孔与夹杂1、析出性气孔形成

形核、长大、上浮三阶段上浮受阻→保留于凝固金属→气孔气孔的形成机理铸件中气孔的形成示意图2、反应性气孔形成（1）金属液与铸型（芯）反应性气孔原因：铸型水分高、透气性低；合金中有易氧化成分。类型：H2O、CO、CH4、渣气孔。气孔的形成机理例钢中氧或氧化物与碳反应形成CO，CO不溶钢。（FeO）+[C]=CO+[Fe]（MnO）+[C]=CO+[Mn]（SiO2）+2[C]=2CO+[Si]（Cu2O）+2[H]=2[Cu]+H2O(气)1）有效工作断面↓→σb↓δ↓2）应力集中→裂纹，如氢脆3）疏松→δ↓气密性↓耐蚀性↓

气孔的危害1．析出性气孔的防止1）减少金属液的原始含气量炉料干燥、避免有机物、预热、去除水分、采用真空熔炼2）对金属液采取除气处理

a）浮游去气；b）采用真空去气；c）氧化去气；d）冷凝除气法。3）阻止浇入铸型内的金属液析出气体a)提高铸件冷却速度对易产生析出性气孔的铝合金尽量采用金属型铸造。b)提高铸件凝固时的外压

如将浇注的铝合金铸型放在通入4～6大气压的压缩空气的压力容器中凝固,可有效地减少或消除铝合金铸件中的气孔。气孔的防止UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan浮游去气:吹入氮气、惰性气体如氩气2．反应性气孔的防止1）减少金属液的原始含气量2）严格控制和氧亲和力强的元素含量

3）适当提高浇注温度4)限制砂型水分5)增加型内还原气氛，防止金属液氧化气孔的防止2）夹杂物

各种非金属化合物1、按来源分为：内生夹杂（如FeS）、外来夹杂（如粘土）2、按形成时间先后：一次夹杂物、二次夹杂物3、按夹杂物成分：氧化物、硫化物、氮化物、磷化物等。

决定于夹杂物的成分、性能、形状、大小、数量、分布=>硬脆→δαk

球形→影响↓；针状、尖角影响↑↑（应力集中）事物的另一方面：

高熔点、细小颗粒→好的作用非自发形核核心→细化