材料成形原理-第四章鑄件結(jié)晶組織的形成與控制鑄件結(jié)晶組織形成與控制§4-1鑄件宏觀組織的形成及影響因素§4-2鑄件結(jié)晶組織的控制鑄件的結(jié)晶組織，僅宏觀狀態(tài)而言，指的是鑄態(tài)晶粒的形成、大小、取向和分布等情況；鑄件微觀結(jié)構(gòu)的概念包括晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)，如樹(shù)枝晶、胞狀晶等亞結(jié)構(gòu)形態(tài)，共晶團(tuán)內(nèi)部的兩相結(jié)構(gòu)形態(tài)，以及這些結(jié)構(gòu)形態(tài)的細(xì)化程度等。兩者表現(xiàn)形式不同，但其形成過(guò)程卻密切相關(guān)，并對(duì)鑄件的各項(xiàng)性能，特別是力學(xué)性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。在第三章講解的基礎(chǔ)上，本章我們將主要針對(duì)鑄件的宏觀組織進(jìn)行講解及分析。12/9/20232鑄件宏觀組織的形成及影響因素

自1954年Winegand和Chalmers提出假設(shè)以來(lái)，人們對(duì)于三個(gè)晶區(qū)形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)，經(jīng)歷了一個(gè)由淺入深的歷史發(fā)展過(guò)程。直到最近的二三十年間人們才逐步認(rèn)識(shí)到晶粒游離在鑄件結(jié)晶過(guò)程中的重大作用，對(duì)三個(gè)晶區(qū)的形成機(jī)理才有一個(gè)基本明確的認(rèn)識(shí)。因此在討論鑄件三個(gè)晶區(qū)的形成機(jī)理之前必須深入研究結(jié)晶過(guò)程中的晶粒游離問(wèn)題。因此，本節(jié)的主要內(nèi)容可拓展為：4.1.1鑄件結(jié)晶中的晶粒游離4.1.2鑄件結(jié)晶過(guò)程表面細(xì)晶區(qū)的形成4.1.3鑄件結(jié)晶過(guò)程柱狀晶區(qū)的形成4.1.4鑄件結(jié)晶過(guò)程內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成4、1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素12/9/20233鑄件結(jié)晶中的晶粒游離

液態(tài)金屬的流動(dòng)對(duì)晶粒游離過(guò)程的作用主要是通過(guò)影響其傳熱和傳質(zhì)過(guò)程而實(shí)現(xiàn)。此外對(duì)流本身對(duì)凝固層的機(jī)械沖刷作用也有一定的影響。澆注過(guò)程中的流動(dòng)凝固期間的流動(dòng)自然對(duì)流強(qiáng)迫對(duì)流溫度差引起的密度不同溶質(zhì)再分配引起的成分和密度變化游離晶體和液體間的密度差澆注時(shí)注入的動(dòng)量(mv)外加電磁攪拌或機(jī)械攪拌晶粒游離有關(guān)的對(duì)流傳熱方面，金屬液的流動(dòng)宏觀上加速了過(guò)熱熱量的散失；微觀上紊流帶來(lái)了強(qiáng)烈的溫度起伏，對(duì)晶粒游離現(xiàn)象有著極大的影響。傳質(zhì)方面，金屬液的流動(dòng)最大作用在于導(dǎo)致游離晶粒的漂移和堆積，并促進(jìn)晶粒游離的進(jìn)行，加速熔體的均勻化。12/9/20234鑄件結(jié)晶中的晶粒游離鑄件結(jié)晶過(guò)程中的晶粒游離，可能存在以下幾種形式：

1）游離晶直接來(lái)自過(guò)冷熔體內(nèi)的非均質(zhì)生核在鑄件結(jié)晶過(guò)程中，只要存在有滿足非均質(zhì)生核條件的過(guò)冷熔體和相應(yīng)有效的生核質(zhì)點(diǎn)，這種晶粒游離現(xiàn)象總是存在的。2）由型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離依附于型壁的晶粒生長(zhǎng)時(shí)引起溶質(zhì)再分配，界面前沿液態(tài)凝固點(diǎn)降低，其實(shí)際過(guò)冷度減小。晶體根部緊靠型壁，溶質(zhì)不易擴(kuò)散，偏析嚴(yán)重，生長(zhǎng)受到抑制。而遠(yuǎn)離根部處易于通過(guò)擴(kuò)散和對(duì)流而均勻，生長(zhǎng)快。這樣將在根部產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。在流體的沖刷和溫度反復(fù)波動(dòng)所形成的熱沖擊作用下，熔點(diǎn)最低而又最脆弱縮頸部位極易斷開(kāi)，晶粒自型壁脫落而導(dǎo)致晶粒游離。12/9/20235鑄件結(jié)晶中的晶粒游離

縮頸現(xiàn)象在樹(shù)枝晶各次分枝的根部也存在。這是因?yàn)橹Ω缮L(zhǎng)過(guò)程中在其側(cè)面形成的溶質(zhì)偏析層阻礙了側(cè)面的生長(zhǎng)，當(dāng)偶然產(chǎn)生的凸出部分突破此層后，便進(jìn)入較大的成分過(guò)冷區(qū)內(nèi)，長(zhǎng)出較粗大的分枝，從而在分枝根部留下縮頸。另外，還有一種非常重要的晶粒游離現(xiàn)象－晶粒增殖。如圖游離晶在漂移過(guò)程中不斷通過(guò)不同的溫度區(qū)域和濃度區(qū)域，不斷受到?jīng)_擊，處于反復(fù)局部熔化和反復(fù)生長(zhǎng)之中，這樣分枝根部縮頸就可能斷開(kāi)而破碎成幾個(gè)晶粒。鑄件結(jié)晶過(guò)程中的晶粒游離，可能存在以下幾種形式：2）由型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離12/9/20236鑄件結(jié)晶中的晶粒游離鑄件結(jié)晶過(guò)程中的晶粒游離，可能存在以下幾種形式：3）液面晶粒沉積所引起的晶粒游離

凝固初期在液面處形成的晶?；蝽敳磕虒用撀涞姆种τ捎诿芏缺纫后w大而下沉也能導(dǎo)致晶粒游離的產(chǎn)生。12/9/20237表面細(xì)晶區(qū)的形成

表面激冷區(qū)中的晶粒通常是無(wú)方向性的細(xì)等軸晶。根據(jù)傳統(tǒng)理論，當(dāng)液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時(shí)，型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過(guò)冷度而大量非均質(zhì)生核。這些晶核在過(guò)冷熔體中迅速生長(zhǎng)并互相抑制，從而形成了無(wú)方向性的表面細(xì)等軸晶組織。故以往常把表面細(xì)等軸晶稱為“激冷晶”。現(xiàn)代研究表明，除非均質(zhì)生核過(guò)程以外，各種形式的晶粒游離也是形成表面細(xì)晶粒區(qū)的“晶核”來(lái)源。型壁附近熔體內(nèi)部的大量生核只是表面細(xì)晶粒區(qū)形成的必要條件，而抑制鑄件形成穩(wěn)定的凝固殼層則為其充分條件。大量試驗(yàn)證實(shí)，表面細(xì)晶區(qū)的等軸晶粒不僅直接來(lái)源于過(guò)冷熔體的非均質(zhì)形核，而且還來(lái)自包括型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和晶粒增值等各種形式的晶粒游離過(guò)程。

穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。一旦型壁附近的晶粒互相連結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長(zhǎng)。這時(shí)，表面激冷細(xì)晶粒區(qū)將不再發(fā)展。4.1.2表面細(xì)晶區(qū)的形成12/9/20238表面細(xì)晶區(qū)的形成等軸晶750℃水淬,搖動(dòng)，不銹鋼杯子大野篤美的實(shí)驗(yàn)

型壁激冷雖然能增大其附近熔體的非均質(zhì)生核能力，但也使型壁上的晶核數(shù)目大大增加，從而促使型壁晶粒很快連接而形成穩(wěn)定的凝固殼并最終阻止表面細(xì)晶粒區(qū)的發(fā)展。因此，如果在凝固開(kāi)始階段不存在強(qiáng)的型壁晶粒游離條件(如高的溶質(zhì)含量和強(qiáng)烈的液態(tài)金屬流動(dòng)等)，那么，過(guò)強(qiáng)的型壁激冷能力反而不利于表面細(xì)晶粒區(qū)的形成。如圖b）所示，大野篤美的試驗(yàn)，證實(shí)了以上結(jié)論。12/9/20239柱狀晶區(qū)的形成

緊貼鑄型表面穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝固層某些晶粒為基底向內(nèi)生長(zhǎng)，發(fā)展成由外向內(nèi)生長(zhǎng)的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長(zhǎng)迅速

。由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干與熱流方向相平行的枝晶，較之取向不利的相鄰枝晶生長(zhǎng)得更為迅速。它們優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶的生長(zhǎng)。在逐漸淘汰掉取向不利的晶體過(guò)程中發(fā)展成柱狀晶組織(如圖)。這個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)淘汰的晶體生長(zhǎng)過(guò)程稱為晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)。鑄型液態(tài)金屬12/9/202310柱狀晶區(qū)的形成

柱狀晶區(qū)開(kāi)始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)的存在與否及寬窄程度取決于上述兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會(huì)有效地抑制柱狀晶的形成。控制柱狀晶區(qū)繼續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素是內(nèi)部等軸晶區(qū)的出現(xiàn)。如果界面前方始終不利于等軸晶的形成與生長(zhǎng)，則柱狀晶區(qū)可以一直延伸到鑄件中心，直到與對(duì)面型壁長(zhǎng)出的柱狀晶相遇為止，從而形成所謂的穿晶組織。12/9/202311內(nèi)部等軸晶的形成從本質(zhì)上說(shuō)，內(nèi)部等鈾晶區(qū)的形成是由于熔體內(nèi)部晶核自由生長(zhǎng)的結(jié)果。但是，關(guān)于等軸晶晶核的來(lái)源以及這些晶核如何發(fā)展并最終形成等軸晶區(qū)的具體過(guò)程，存在不同的爭(zhēng)議。1、關(guān)于等軸晶晶核的來(lái)源：（1）過(guò)冷熔體直接生核理論（2）界面前方晶粒游離理論（3）激冷晶游離理論12/9/202312內(nèi)部等軸晶的形成這個(gè)理論是Winegand和Chalmers于1954年提出來(lái)的該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來(lái)越富集，從而使界面前方成分過(guò)冷逐漸增大。當(dāng)成分過(guò)冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時(shí)，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。（1）過(guò)冷熔體直接生核理論（“成分過(guò)冷”理論）等軸晶形貌12/9/202313內(nèi)部等軸晶的形成Jackson等人提出，生長(zhǎng)著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。Southin(索辛)、osenhain（羅遜漢）等人則認(rèn)為，液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過(guò)程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來(lái)源，稱為“結(jié)晶雨”理論。（2）界面前方晶粒游離理論（枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論）12/9/202314內(nèi)部等軸晶的形成

在澆注的過(guò)程中及凝固的初期激冷,等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成,澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等軸晶區(qū)。等軸晶體即便在澆注過(guò)程中沒(méi)有來(lái)得及形成，那么澆洼完畢凝固的開(kāi)始階段，在型壁處形成的晶體，由于其密度或大于母液或小于母液也會(huì)產(chǎn)生對(duì)流，依靠對(duì)流可將型壁處產(chǎn)生的晶體脫落且游離到鑄件的內(nèi)部，圖5-5是產(chǎn)生這種對(duì)流的示意圖。（3）激冷晶游離理論（激冷等軸晶型壁脫落與游離理論）12/9/202315內(nèi)部等軸晶的形成2關(guān)于等軸晶區(qū)的形成過(guò)程：（1）索新（Southin）等人認(rèn)為不僅要求界面前方存在有等軸晶晶核，而且還要求這些晶核長(zhǎng)到一定的大小，并形成網(wǎng)絡(luò)以阻止柱狀晶區(qū)的生長(zhǎng)。（2）富蘭杰克遜（Fredikesson）認(rèn)為內(nèi)部等軸晶區(qū)的產(chǎn)生并不要求游離晶形成網(wǎng)絡(luò)阻止柱狀晶區(qū)的生長(zhǎng)，而是由一部分游離晶的沉淀和一部分游離晶被側(cè)面生長(zhǎng)著的狀狀前沿捕獲后而形成的。（3）我國(guó)學(xué)者，認(rèn)為內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成是由于凝固界面的生長(zhǎng)速率R與游離晶垂直于界面的運(yùn)動(dòng)速率v之間互相作用的結(jié)果。當(dāng)兩者之差遠(yuǎn)大于界面捕獲游離晶所必需的臨界速率時(shí)，即可形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。12/9/202316內(nèi)部等軸晶的形成

無(wú)論是關(guān)于等軸晶晶核的來(lái)源問(wèn)題，還是等軸晶區(qū)形成的具體過(guò)程問(wèn)題，上述各理論與看法均有自己的實(shí)驗(yàn)根據(jù)，然而也受到各自實(shí)驗(yàn)條件的限制。關(guān)于等軸晶區(qū)的形成過(guò)程比較統(tǒng)一的看法是，中心等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑的。在一種情況下，可能是這種機(jī)理起主導(dǎo)作用；在另一種情況下，可能是另一種機(jī)理在起作用，或者是幾種機(jī)理的綜合作用，而各自作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。12/9/202317影響鑄件宏觀組織形成的因素

綜上所述，鑄件中三個(gè)晶區(qū)的形成是相互聯(lián)系、彼此制約的。穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生決定著表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)的過(guò)渡，而阻止柱狀晶區(qū)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵則是中心等軸晶區(qū)的形成。凡能強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核，促進(jìn)晶粒游離及有助于游離晶的殘存與堆積的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。這些因素包括以下幾個(gè)方面：1.金屬性質(zhì)方面；2.澆注條件方面；3.鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面。12/9/202318影響鑄件宏觀組織形成的因素1金屬性質(zhì)方面：（1）強(qiáng)生核劑在過(guò)冷熔體中的存在；（2）寬結(jié)晶溫度范圍的合金和小的溫度梯度；（3）合金中溶質(zhì)元素含量較高、平衡分配系數(shù)k0偏離1較遠(yuǎn)；（4）熔體在凝固過(guò)程中存在長(zhǎng)時(shí)間的、激烈的對(duì)流。12/9/202319影響鑄件宏觀組織形成的因素2澆注條件方面：（1）低的澆注溫度過(guò)熱度小，能產(chǎn)生大量的游離晶，并有助于游離晶的殘存。（2）合適的澆注工藝凡能強(qiáng)化液流對(duì)型壁的沖刷作用的澆注工藝均能擴(kuò)大并細(xì)化等軸晶區(qū)。

大野篤美研究比較了幾種澆注方法（石墨型，Al-0.2%Cu合金）對(duì)鑄件宏觀凝固組織的影響。圖a所示鑄型中間的方法澆注，對(duì)型壁無(wú)沖刷作用，獲得的凝固組織大多為粗大柱狀晶。圖b所示單孔上注方法，使液流沿型壁沖刷，結(jié)果柱狀晶區(qū)縮小，內(nèi)部等軸晶區(qū)擴(kuò)大且晶粒細(xì)化。進(jìn)一步使液流分散，采用圖c所示的沿型壁六孔澆注，得到全部細(xì)小等軸晶。澆注緩慢，并且澆注結(jié)束時(shí)過(guò)冷度較低，越利于晶核的生存。后來(lái)大野篤美采用水流冷卻的斜板澆注方法，獲得比圖c更好的晶粒細(xì)化效果。12/9/202320影響鑄件宏觀組織形成的因素3鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面：

對(duì)于薄壁鑄件而言，激冷可以使整個(gè)斷面同時(shí)產(chǎn)生較大的過(guò)冷。鑄型蓄熱系數(shù)越大，整個(gè)熔體的生核能力越強(qiáng)。因此這時(shí)采用金屬型鑄造比采用砂型鑄造更易獲得細(xì)等軸晶的斷面組織。對(duì)于型壁較厚或?qū)嵝暂^差的鑄件而言，鑄型的激冷作用只產(chǎn)生于鑄件的表面層。在這種情況下，等軸晶區(qū)的形成主要依靠各種形式的晶粒游離。這時(shí)鑄型冷卻能力的影響是矛盾的。12/9/202321影響鑄件宏觀組織形成的因素3鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面：一方面，低蓄熱系數(shù)的鑄型延緩穩(wěn)定凝固殼層的形成，有助于凝固初期激冷晶的游離，同時(shí)也使內(nèi)部溫度梯度GL變小，凝固區(qū)城變寬，從而對(duì)增加等軸晶有利另一方面，它減慢了熔體過(guò)熱熱量的散失，不利于游離晶粒的殘存，從而減少了等軸晶的數(shù)量。通常，前者是矛盾的主導(dǎo)團(tuán)素，因而在一般生產(chǎn)中，除薄壁鑄件外，采用金屬型鑄造比砂型鑄造更易獲得柱狀晶，特別是高溫下澆注更是如此。12/9/202322影響鑄件宏觀組織形成的因素補(bǔ)充：改善鑄件組織的孕育處理孕育處理是澆注之前或澆注過(guò)程中向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。

孕育(Inoculation)主要影響生核過(guò)程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；變質(zhì)（Modification）則是改變晶體的生長(zhǎng)機(jī)理，從而影響晶體形貌。變質(zhì)在改變共晶合金的非金屬相的結(jié)晶形貌上有著重要的應(yīng)用，而在等軸晶組織的獲得和細(xì)化中采用的則是孕育方法。孕育主要起非自發(fā)形核作用孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)

孕育劑能與液相中某些元素反應(yīng)生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核12/9/202323影響鑄件宏觀組織形成的因素合金種類孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0.1~0.2鐵合金V0.06~0.30B0.005~0.01鑄鐵Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，與Si-Fe復(fù)合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；復(fù)合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過(guò)共晶Al-SiP≥0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P銅合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02~0.04純金屬或中間合金鎳基高溫合金WC,NbC碳化物粉末合金常用孕育劑的主要元素情況通過(guò)在生長(zhǎng)界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹(shù)枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。12/9/202324§4-2鑄件結(jié)晶組織的控制鑄件的質(zhì)量和性能與其結(jié)晶組織密切相關(guān)。就宏觀組織而言，表面細(xì)晶粒區(qū)一般比較薄，對(duì)鑄件的質(zhì)量和性能影響不大。鑄件的質(zhì)量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的比例以及晶粒的大小。柱狀晶在生長(zhǎng)過(guò)程中凝固區(qū)域較窄，其橫向生長(zhǎng)受到相鄰晶體的阻礙，樹(shù)枝晶得不到充分的發(fā)展，分枝較少。因此結(jié)晶后顯微縮松等晶間雜質(zhì)少，組織比較致密。但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，并且位向一致。因而其性能具有明顯的方向性：縱向好、橫向差。此外，其凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質(zhì)，特別是當(dāng)不同方位的柱狀晶區(qū)相遇而構(gòu)成晶界時(shí)，大量夾雜與氣體等在該處聚集將導(dǎo)致鑄件熱裂，或者使鑄錠在以后的塑性加工中產(chǎn)生裂紋。12/9/202325§4-2鑄件結(jié)晶組織的控制等軸晶區(qū)的晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向也各不相同，故性能均勻而穩(wěn)定，沒(méi)有方向性。其缺點(diǎn)是枝晶比較發(fā)達(dá)，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。等軸晶細(xì)化能使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項(xiàng)性能。一般說(shuō)來(lái)，晶粒越細(xì)，其綜合性能就越好，抗疲勞性能也越高。除宏觀狀態(tài)外，結(jié)晶組織的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)鑄件的質(zhì)量和性能也有強(qiáng)烈的影響。在其他條件相同時(shí)，平面生長(zhǎng)柱狀晶的質(zhì)量和性能優(yōu)于胞狀結(jié)構(gòu)的柱狀晶，更勝過(guò)樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的柱狀晶組織；而沒(méi)有樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的球狀晶組織的質(zhì)量與性能則比樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的等軸晶組織更強(qiáng)，樹(shù)枝晶的枝晶間距(特別是二次枝晶間距)越小，鑄件的夾雜和缺陷越分散，致密性就越好，機(jī)械性能也就越高。12/9/202326等軸晶組織的獲得和細(xì)化通過(guò)強(qiáng)化非均質(zhì)生核和促進(jìn)晶粒游離以抑制凝固過(guò)程中柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，就能獲得等軸晶組織。非均質(zhì)晶核數(shù)量越多，晶粒游離的作用越強(qiáng)，熔體內(nèi)部越有利于游離晶的殘存，則形成的等軸晶粒就越細(xì)。根據(jù)上節(jié)分析，不難總結(jié)出如下的具體措施：12/9/202327等軸晶組織的獲得和細(xì)化1、利用金屬流對(duì)型壁的沖刷

大野篤美針對(duì)型壁晶體脫落對(duì)生核過(guò)程的影響進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，證明利用金屬流對(duì)型壁的沖刷作用可以獲得細(xì)小等軸晶。2、用電磁攪拌(electromagneticstirring)使金屬液體旋轉(zhuǎn)

把鑄型放入類似于電動(dòng)機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，則鑄型中的液體金屬不斷切割磁力線，將像轉(zhuǎn)子一樣旋轉(zhuǎn)。由于鑄型是不動(dòng)的，凝固層與鑄型一起也不參加旋轉(zhuǎn)，依次旋轉(zhuǎn)的液體金屬不斷地沖刷著型壁和以后的凝固層。這種沖刷作用是由通電來(lái)控制的，從理論上說(shuō)，它可以在凝固過(guò)程的任何階段，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)，使鑄件的不同部分獲得不同的晶粒組織。這種技術(shù)在冶金企業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于連鑄坯生產(chǎn)中。12/9/202328等軸晶組織的獲得和細(xì)化3、孕育處理（inoculation）與變質(zhì)處理（modification）

孕育處理和變質(zhì)處理都是在金屬液中加入少量物質(zhì)。孕育處理主要是通過(guò)促進(jìn)液體內(nèi)部的形核，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。變質(zhì)處理主要通過(guò)改變晶體的生長(zhǎng)方式，從而改變晶體的形貌和生長(zhǎng)速度，達(dá)到細(xì)化晶粒的作用。

孕育和變質(zhì)作用的原理可歸納為以下三類：

a)外加晶核

在澆注時(shí)向金屬液流中加入與欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)的高熔點(diǎn)物質(zhì)或同類金屬的碎粒，使之在液體中作為有效質(zhì)點(diǎn)促進(jìn)非自發(fā)生核。

b)加入生核劑

物質(zhì)本身不一定能作為晶核，但通過(guò)它們與液體金屬中某些元素的相互作用，能產(chǎn)生晶核或有效質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)非自發(fā)生核。分為兩類：一是少量元素能與液體中某元素（最好是細(xì)化相原子）組成較穩(wěn)定的化合物，此化合物與欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能促進(jìn)非自發(fā)生核。二是少量元素能在液體中造成很大的微區(qū)富集，迫使結(jié)晶相提前彌散析出。c)采用成分過(guò)冷元素

這類元素在晶體產(chǎn)生時(shí)，富集在相界面上，既能阻礙已有晶體生長(zhǎng)，又能形成較大的成分過(guò)冷促進(jìn)生核，同時(shí)又使晶體的分枝形成新的縮頸，易于熔斷脫落，形成新的晶核。12/9/202329等軸晶組織的獲得和細(xì)化3、孕育處理（inoculation）與變質(zhì)處理（modification）

試驗(yàn)指出，幾乎所有的孕育劑都有一個(gè)時(shí)間效應(yīng)的問(wèn)題，即在處理后存在孕育衰退現(xiàn)象。因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，處理溫度越高，孕育衰退越快。因此在保證孕育劑均勻溶解的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度和具體的處理方法來(lái)選擇。瞬時(shí)孕育法－液流孕育法和型內(nèi)孕育法。

2）合理確定孕育工藝12/9/2023304.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術(shù)柱狀晶組織雖然有晶粒粗大、雜質(zhì)偏聚、性能有明顯方向性的不足，但在有些情況下人們也利用其平行于晶體生長(zhǎng)方向強(qiáng)度高，抗蠕變能力好的特點(diǎn)，制造特種鑄件。例如，具有柱狀晶組織的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的性能和壽命有大幅度提高，柱狀晶組織還在磁性材料中得到應(yīng)用。本節(jié)我將就有關(guān)柱狀晶獲得的條件及單項(xiàng)凝固技術(shù)予以簡(jiǎn)要的介紹。主要包括以下三方面的內(nèi)容：一、單向凝固原理

二、單向凝固技術(shù)

三、獲得單晶的條件和單晶制造方法

12/9/2023314.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術(shù)單向凝固的目的是為了使鑄件或鑄錠獲得按一定方向生長(zhǎng)的柱狀晶或單晶組織。要得到單向凝固組織需要滿足以下條件：一、單向凝固原理

首先，要在開(kāi)始凝固的部位形成穩(wěn)定的凝固殼。凝固殼的形成阻止了該部位的型壁晶粒游離，并為柱狀晶提供了生長(zhǎng)基礎(chǔ)。該條件可通過(guò)各種激冷措施達(dá)到。其次，要確保凝固殼中的晶粒按既定方向通過(guò)擇優(yōu)生長(zhǎng)而發(fā)展成平行排列的柱狀晶組織。同時(shí)，為使柱狀晶縱向生長(zhǎng)不受限制，并且在其組織中不夾雜有異向晶粒，固-液界面前方不應(yīng)存在生核和晶粒游離現(xiàn)象。這個(gè)條件可通過(guò)下述措施來(lái)滿足：

1、嚴(yán)格的單向散熱。要使凝固系統(tǒng)始終處于柱狀晶生長(zhǎng)方向的正溫度梯度作用下，并且要絕對(duì)阻止側(cè)向散熱以避免界面前方型壁及其附近的生核和長(zhǎng)大。

2、有足夠大的GL/R，使成分過(guò)冷限制在允許的范圍內(nèi)。同時(shí)要減少熔體的非均質(zhì)生核能力，這樣就能避免界面前方的生核現(xiàn)象。提高熔體的純凈度，減少因氧化和吸氧而形成的雜質(zhì)污染，對(duì)已有的有效襯底則通過(guò)高溫加熱或加入其它元素來(lái)改變其組成和結(jié)構(gòu)等方法均有助于減少熔體的非均質(zhì)生核能力。

3、要避免液態(tài)金屬的對(duì)流、攪拌和振動(dòng)，從而阻止界面前方的晶粒游離。對(duì)晶粒密度大于液態(tài)金屬的合金，避免自然對(duì)流的最好方法就是自下而上地進(jìn)行單向結(jié)晶。當(dāng)然也可以通過(guò)安置固定磁場(chǎng)的方法阻止其單向結(jié)晶過(guò)程中的對(duì)流。

12/9/2023324.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術(shù)

根據(jù)成分過(guò)冷理論，要使合金單向凝固得到平面凝固組織，主要取決于合金的性質(zhì)和工藝參數(shù)的選擇。前者包括溶質(zhì)含量、液相線斜率和溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，后者包括溫度梯度和凝固速率。如果被研究的合金成分已定，則靠工藝參數(shù)的選擇來(lái)控制凝固組織，其中固-液界面液相一側(cè)的溫度梯度又是最關(guān)鍵的，所以人們都致力于提高溫度梯度?？梢哉f(shuō)，單向凝固技術(shù)的發(fā)展歷史是不斷提高設(shè)備溫度梯度的歷史。大的溫度梯度一方面可以得到理想的合金組織和性能，另一方面又可以允許加快凝固速率，提高設(shè)備利用率。下面簡(jiǎn)單介紹幾種單向凝固工藝。

二、單向凝固技術(shù)

12/9/2023335.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術(shù)1、爐外單向凝固法（發(fā)熱劑法）

將鑄型加熱到高溫后，迅速取出放在激冷板上，立即澆注。冒口上方蓋以發(fā)熱劑，激冷板下噴水冷卻。由于鑄型表面溫度升高到熔點(diǎn)以上，能使金屬較長(zhǎng)時(shí)間保持液態(tài)，從而創(chuàng)造了自下而上的單向凝固條件。此外也可采用發(fā)熱鑄型的方法。早期的單向凝固技術(shù)采用的就是爐外法。其缺點(diǎn)是鑄件一經(jīng)澆注，GL和R就無(wú)法控制。由于單向散熱能力隨界面推進(jìn)而逐漸減弱，柱狀晶組織也逐漸變粗。當(dāng)其長(zhǎng)度超過(guò)50~100mm后，便出現(xiàn)等軸晶粒。因此不適合制造大型和優(yōu)質(zhì)鑄件。但由于其簡(jiǎn)單的工藝和低廉的成本，近年來(lái)在簡(jiǎn)單零件小批單向凝固生產(chǎn)中又重新引起人們的興趣。

12/9/2023345.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術(shù)2、爐內(nèi)單向凝固法使鑄件在加熱器內(nèi)澆注和冷卻。由于可以調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度梯度及對(duì)結(jié)晶過(guò)程實(shí)現(xiàn)程度不同的控制，因此可以獲得高質(zhì)量的復(fù)雜鑄件。(a)功率下降法（P．D法）

將加熱器中的開(kāi)底鑄型放在水冷結(jié)晶器上，加熱器的感應(yīng)圈由上下兩部分組成。先把鑄型加熱到澆注溫度以上30~60℃，澆注后切斷下部感應(yīng)圈電源。通過(guò)合理地調(diào)節(jié)上部線圈的輸入功率，可以實(shí)現(xiàn)冷卻速度相當(dāng)大的單向凝固。其缺點(diǎn)是散熱條件沒(méi)有得到較好的改善，因此得到的柱狀晶區(qū)仍不超過(guò)180mm。

(b)高速凝圖法(H．R．S法)

該法是在P．D法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。關(guān)鍵是通過(guò)逐步移出鑄型加強(qiáng)已凝固部分的散熱條件。移出速度應(yīng)能確保凝固界面處于隔板附近的上方。隔板的作用是將高溫區(qū)和低溫區(qū)分隔開(kāi)，從而有利于GL的進(jìn)一步提高。與P．D法相比，該法優(yōu)點(diǎn)是：由于具有較高的GL和R，故枝晶間距較小，柱狀晶細(xì)密挺直，生產(chǎn)率比P．D法高2～3倍；凝固區(qū)域較窄，有利于補(bǔ)縮，鑄件缺陷大大減少，能在較長(zhǎng)期間內(nèi)保持恒定生長(zhǎng)，故組織均勻，柱狀晶長(zhǎng)度可達(dá)300mm以上。12/9/2023355.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術(shù)(c)液態(tài)金屬冷卻法(L.M.C法)

2、爐內(nèi)單向凝固法

為了進(jìn)一步加強(qiáng)H．R．S法的散熱能力，可使結(jié)晶器連同鑄型在移出隔板后盡快浸入低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)的液態(tài)金屬中，利用液態(tài)金屬的高散熱能力使凝固區(qū)激冷。這便是L.M.C法（圖）。該法GL可達(dá)200℃/cm以上，且原則上不受凝固層拉長(zhǎng)的影響，可得到極長(zhǎng)的單向柱狀晶。

12/9/2023365.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術(shù)分析一下LMC法單向凝固過(guò)程不難發(fā)現(xiàn)，以下兩個(gè)問(wèn)題限制了溫度梯度的提高，一是凝固界面并不處于最佳位置，當(dāng)抽拉速率較低時(shí)，界面相對(duì)于擋板上移，使凝固界面遠(yuǎn)離檔板；二是未凝固液相中的最高溫度面遠(yuǎn)離凝固界面，界面前沿溫度分布平緩。如果改變加熱方式，采用在距冷卻金屬液面較近的特定位置加熱，使液相中最高溫度區(qū)盡量靠近凝固界面，使界面前沿液相中的溫度分布變陡，可進(jìn)一步提高溫度梯度。如果采用區(qū)域熔化法加熱結(jié)合液態(tài)金屬冷卻，就形成了區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻單向凝固法。這種方法GTC可達(dá)1270k/cm。(d)區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法（ZMLMC法）

12/9/2023375.2.2獲得柱狀晶的