凝固原理-7铸件凝固组织控制

β = V L − VS V = 1− S VL VL
① 保证合金 成分， 使凝固过程中液体 的密 度差减 到最 小。因 为 液 体 的 密 度 差 是 促使液 体流动的 因素之 一。 ② 适当 的铸件 或 铸 锭高度。因 为液体 的静压头愈 大，流动愈会加剧。 ③ 加入孕育剂细化枝晶组织， 使流动阻力增加， 从而 减小流动速 度。 ④ 在凝固 开始阶段 ，用加速液 体对流的办法，可 以细化晶粒 ，但 在凝固 过 程中 ， 应 该使 液体 的对流 运动 停止。 如果自然 对流速 度较 大，应 该外 加磁 场 使 对流 运 动停 止。 可以想象，离心铸件的 宏观 偏析是大的。 ⑤ 加 大冷 却 速 度， 缩短固 /液两 相区的凝固 时间 ，尽量 使R 值增大。浇注 温 度 太 高 、 浇注速度 太快， 均会 延缓铸件冷 却， 从而使 宏观 偏析加剧。
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以Al-Cu( CCu = 4.5% )合金为例，该合金凝固时收缩率为0.057
液 体 流动速度等于 零 的 地方，对于凝 固 时收缩的合金来 说将 产生正偏析。
Al-Cu合金相图
因为对于凝固时收缩的合金来说，它和 凝固 时没有体积变化的合金（凝固时体积不 收缩 也不膨胀）相比，固相分率减少，与之 相对 应，也就是说液相分率增加，而液相内 溶质 浓度是高的，因此，该地区的最终溶质 平均 C 浓度 会增加，形成正偏析。
第三节 凝固收缩及其控制
减少宏观偏析的措施
消除宏观偏析的条件是：
1. 凝固过 程中的收缩
v β =− R 1− β
（因为此时 CS = C 0 ）
也就是：1）v与R两者方向相反；2)
v / R 的绝对值要小，即v要小，而R要大。
1）纯金属 对于纯金属，凝固通常是在恒定的温度下完成的，凝 固期间的体收缩只是相变收缩。凝固收缩率 β 定义为：
S
会增加 ，形成正偏析，
细小断面积为粗大处的1/9，在 断面突然变化的地方，在铸件的 心部，液体金属为了补偿下部铸 件的收缩，其流动速度必须很大， 即接近于大断面处的9倍。
如果在大断面处，其宏观偏析为 “0”，其：
v / R ≈ −0.06
这样，在断面突变处：
v / R = −0.54
显然，这里会产生大的负偏析，
k0小于1时，其值越小，偏析越严重。
2．凝固组织中的宏观偏析及其控制
铸件 各 部 位之间化学 成 分的 差异
铸件产生宏观偏析的规律与铸件的凝固特点密切相 关。当铸件以逐层凝固方式凝固时，宏观偏析的产生主 要与结晶过程中的溶质再分配有关，可用Scheil方程近 似地描述；当铸件以糊状凝固方式凝固时，铸件产生宏 观偏析的原因主要是凝固早期固相或液相的沉浮以及枝 晶间的液体流动。 液态金属沿枝晶间流动的原因主要有：①凝固收 缩（或膨胀）的抽吸作用促使液体流动；②冷却时液 相和固相的收缩；③由于密度差而发生的对流；④大 容积内液体对流向枝晶间的穿透；⑤固一液两相区内 气体的形成。
细化晶粒的主要途径：
①控制传热条件促进熔体生核； ②添加晶粒细化剂，即向液态金属中引入大量形核能力很强 的异质晶核，达到细化晶粒的目的； ③采用机械搅拌、电磁搅拌、铸型振动等力学方法，促使枝 晶折断、破碎，使晶粒数量增多，尺寸减小；
④提高冷却速率使液态金属获得大过冷度，增大形核速率； ⑤去除液相中的异质晶核，抑制低过冷度下的形核，使合金 液获得很大过冷度，并在大过冷度下突然大量形核，获得细小 等轴晶组织。
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第二节 等轴晶的晶粒细化 4. 铸件凝固组织形态的控制
凝固组织形态的控制主要是晶粒形态和相结 构的控制 。相结构在很大程 度上取决于合金的成分，而晶粒形态及其尺寸则 是由凝固过程决定 的。 晶粒形态的控制是凝固组织控制的关键，其次是晶粒尺寸 。 柱状晶比较粗大，晶界面积小，并且位向一 致。因而 其性能具有明显的方 向性：纵向好，横向差。此外，其凝固界面前方 常汇集有 较多的第二相杂质 ， 特别是当不同方位的柱状晶区相遇而构成晶界时大量夹杂 与气体等 在该处聚 集 将导致铸件热裂，或者使铸件在以后的塑形加工 中产生裂纹。 等轴晶区的界面积大，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。 其缺点是 枝晶比较 发达，显 微缩松较多，凝固后组织不够致密。等轴晶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。一般说来 ，晶粒越 细，其综合性能就 越好，抗疲劳性能也越高。 基于上述原因，大多数情况下希望获得较多 的甚至是 全部细小的等轴晶组 织。晶粒形态的控制主要是通过形核过程的控制 实现的。 促进形核的方法包括 浇注过程控制方法、化学方法、物理方法、机械 方法、传 热条件控制方法等。
2．添加晶粒细化剂法（孕育处理）
异质晶核通过以下途径产生：①晶粒细 化剂中的 高熔点化合物在熔 化过程中不被完全熔化，在随后的凝固过程中成 为异质形 核的核心 。如在高 锰钢中加入锰铁，在高铬钢中加入铬铁都可以直接作为欲 细化相的 非均质晶 核。②晶粒细化剂中的微量元素加入合金液后， 在冷却过程中首先 形成化合 物固相质点，起到异质形核核心的作用。如向铝 合金中加入微量钛 ，在冷却 过程中通过包晶反应形成TiAl3。
fS * CS = k0C0 1 − 1 + α k0
τf
k0 −1
α = DSτ f / λ 2
枝 晶 偏析在凝固后的均匀化处理
把铸件加热到低于固相线100~200oC，长期保温，使溶质 原子充分扩散， 假设枝晶偏析值近似地为正弦波，根据扩散第二定律可解出 在一定温度下经τ 时间后的偏析幅值A：
（1）浇注过程控制技术
铝合金
Ti+B：0.0l(Ti)、0.005(B) Ti+C：0.0l(Ti)、 中间合金：Al-Ti、 0.005(C) Al-Ti-B、A1-Ti-C Ti：0.15 Zr：0.2 0.0l～0.02 纯金属或合金
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铅合金
铜合金
0.02 ～0.04
纯金属或合金
(a)
(b)
(c)
金属凝固原理
当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由 于受到强烈的激冷作用而大量生核加上型壁晶粒脱落、枝晶 熔断和晶粒增殖等各种形式的晶粒游离过程，在铸型表面形 成了无方向性的表面细等轴晶组织。 一旦型壁晶粒互相连接而构成稳定的凝固壳层，处在凝 固界面前沿的晶粒便开始向内生长，在垂直于型壁的单向热 流的作用下，那些择优生长方向与热流方向平行的枝晶，生 长速度快，逐步淘汰取向不利的晶粒而发展成柱状晶组织。 随着熔体的不断冷却，由于生核及晶粒游离、枝晶熔断 等在柱状晶前沿产生大量等轴晶，并形成内部等轴晶区。
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2）共 晶合金
1. 传热条件控制
大量实验证实，降低浇注温度是减少柱状晶 获得细等轴晶的有 效措施之 一，甚至在减少液体流动的情况下也能得到细等轴晶组织。 合理控制冷却条件从而形成宽 的凝固区域和获得大的过冷可促进 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。但就铸型的冷却能力而言，除 薄壁铸件外，这两者不可兼得。 由于高的冷却速度不仅使温 度梯度变大，而且在凝固初期还 促使稳定凝固壳层的过早形成。 因此对厚壁铸件，一般采用冷却 能力小的铸型以确保等轴晶的形 成，再辅以其它晶粒细化措施以 得到满意的效果。
（4）液相搅拌 采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造 成液相相 对固相的 运动， 引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的 目的。其 中机械和 电磁搅 拌方法不仅使晶粒细化，而且可使晶粒球化，获得流动性 很好的半 固态金 属，可进行半固态铸造或半固态挤压。 胞状偏析 晶界偏析 低合金钢柱状晶的等浓度面
(d)
镍基高温 合金
—
碳化物粉末
利用浇注过程液流控制进行晶粒细化的几种方法
(a)中心浇注法 (b)沿型壁浇注 (c)沿型壁四周浇注 (d)斜板浇注 1—中间包 2—冷却水 3—游离晶 4—铸型
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第三节 凝固组织中的偏析及其控制
（2）铸型振动 在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生 相对运动 ，导致枝 晶破碎 形成结晶核心。同时振动铸型可促使“晶雨”的 形成。由于“晶雨”的来 源是液态金属表面的凝固层，当液态金属静止时表面凝固的金属结 壳而不 能下落，铸型振动可使壳层中的枝晶破碎，形成 “晶雨” 。
枝晶生长过程中，在树枝晶各次分枝的根部 同样会由于溶质富集产生 “缩颈”现象，并在液流冲刷和热波动的作用下发生熔断、脱落， 形成自 由晶体。 （3）表面凝固和“晶雨”的形成
人为 地进行表面振动有 利于“ 晶雨”的形成
表面形成的晶核由于密度比液体大而下沉， 另外液相 的流动Hale Waihona Puke Baidu 表面的 扰动会带动表面形成的晶核下落形成“晶雨”。
Southin认为内部等 轴晶区的形成不仅要 求界面前方存在有等 轴晶的晶核，而且还 要求这些晶核长到一 定的大小，并形成网 络以阻止柱状晶区的 生长。 Fredriksson等人则 认为内部等轴晶区的 产生是由一部分游离 晶的沉淀和一部分游 离晶被侧面生长着的 柱状前沿捕获后而形 成的。 Wizke等及Lipton等的研 究表明，液相流动对凝固 界面前的液相成分过冷度 的形成具有重要影响，而 该 过冷度则是决定等轴晶 形成的 关键因素，可作为 柱状晶 向等轴晶转变的判 据。
DS 合金元素的固相扩散系数越大，凝 ② 合金元素的固相扩散系数 固过程的扩散就越充分，该元素的偏析也就越轻 。
③ 溶质平衡分配系数
可见，均匀化时间取决于枝晶间距和扩散系数。 枝晶间距越小，均匀化退火时原子扩散路程越短，故均匀化时间 越短。因此，凡能细化枝晶的各种工艺措施均有利于以后的均匀化 退火。偏析元素的扩散系数愈大，在其它条件相同时，均匀化退火 时间愈短。
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第五章
铸件凝固组织控制
凝固原理
李元东
0931-2976795 liyd_sim@163.com
主要内容
• 铸件凝固组织的形成 • 等轴晶的晶粒细化 • 凝固组织中的偏析及其控制 • 凝固收缩及其控制 • 半固态金属的特性及半固态铸造
第一节 铸件凝固组织的形成
1．凝固条件与凝固方式 2. 铸件的典型凝固组织与形成过程
3. 等轴晶的形核
（1）型壁处的晶粒游离
合金 的 浇注过热度对游 离晶的形成具有决定性 的影响
液态金属在铸型型壁的激冷作用下依附型壁 形核，这些晶粒在长大过 程中由于根部溶质的富集产生根部“缩颈”现象 ，并在流体的机械冲刷和 温度反复波动的热冲击下，自型壁脱落形成游离 晶。
液相流动对枝晶熔断具有重要影响 （2）枝晶熔断
1．凝固组织中的微观偏析及其控制
微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶 偏析和晶界偏析。它们的表 现 形式虽不同，但形成机理是相似的，都是合金在 结晶过程中溶质再 分配的 必然结果，其中枝晶偏析是微观偏析的主要表现形式。
（3）超声波振动 超声振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时， 液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高 的压力， 起到促进 形核的 作用。
悬浮铸造示意图
1.合金粉 2.坩埚 3.金属液流 4.悬浮铸造液
常用合金的晶粒细化剂
合 金 晶粒细化元素 Ti、Zr、Ti+B、 Ti+C Se、Bi2Se3、 Ag2Se、BeSe Zr、Zr+B、 Zr+Mg、 Zr+Mg+Fe+P 碳化物(WC、 NbC)等 加入量(质量分数)/% 加入方法
3. 动力学细化法
表面细晶区 内部等轴晶区
表面细晶粒区。它是紧靠型 壁的一个外壳层，由紊乱排 列的细小等轴晶所组成；
平界面
等轴晶
柱状晶
等轴晶
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。
柱状晶区
铸件典型凝固组织
(a) (b) (c) (d)
铸件凝固过程中的温度分布与凝固方式
A0 —铸态合金枝晶偏析的初始幅值， A0 = C max − Cmin
影响微观偏析的主要因素是：
① 局部凝固时间 或凝固速率 随着局部凝固时间的增大，扩散时 间延长，促进了成分的均匀化，偏析减轻。合理的方法是 快速凝固 使枝 晶细化，然后进行均匀化退火处理。
A = A0 exp ( − π 2 DSτ / λ 2 )