铸件成形原理 教学课件 作者 祖方遒 第6章　铸件凝固组织的控制.pptx

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1、铸件成形原理第6章　铸件凝固组织的控制6.1　铸件宏观组织特征6.2　表面激冷晶区的形成机理6.3　柱状晶区的形成机理6.4　内部等轴晶区的形成机理6.5　铸件宏观凝固组织控制6.6　凝固组织与熔体热历史的相关性液态金属凝固时，由于金属熔体的化学成分、浇注条件、铸型条件及铸件结构等不同，铸件宏观组织及其分布的情形也可能完全不同，如图6-1所示。典型的宏观组织由表面激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区组成，如图6-1a所示，随着条件不同也可能出现图6-1b~d等其他宏观组织分布情况。6.1　铸件宏观组织特征6.1　铸件

2、宏观组织特征图6-1　铸件截面的宏观组织示意图a)含有三个晶区的典型凝固组织　b)全部柱状晶的凝固组织c)柱状晶加表面激冷晶组织　d)全部等轴晶的凝固组织6.2　表面激冷晶区的形成机理除了过冷熔体中的大量非均质形核外，其他各种形式的晶粒游离，包括型壁晶粒脱落、枝晶熔断与增殖等(详见6.4节)，也可能是形成表面激冷晶区晶核的来源之一。这些运动晶粒一部分沉积在型壁附近区域形成表面激冷晶区，具体哪种晶粒的形成方式更显著，要根据具体凝固条件而定。根据实验研究，表面激冷晶区的形成与熔体的运动状态有关，若浇注过程中的液流冲刷

3、作用及凝固过程对流较强，则有利于晶粒游离，可能产生等轴晶，相反易形成柱状晶［2］。需要明确指出的是，获得表面激冷晶区的关键因素是促使大量晶核形成，增加游离晶粒的数量。铸型的激冷能力对表面激冷晶区的影响具有双重性［3，4］。6.2　表面激冷晶区的形成机理增加铸型的激冷能力一方面可以提高型壁附近熔体的非均质形核能力，由传统理论可知这种状况促使形成表面细小的等轴晶；另一方面，型壁附近非均质形核数量快速增加，在较大的激冷能力下这些晶核没有能力进行游离而是迅速长大连接形成稳定的凝固壳层，抑制表面激冷晶区的扩展，促进了表面激

4、冷晶区向柱状晶区的转变。大野笃美将750℃的Al-0.1%Ti合金分别浇注到室温状态和冰水激冷状态的两个不锈钢杯中，室温空冷状态铸件的宏观组织是细小的等轴晶，而水冷状态的宏观组织由外部柱状晶区和内部等轴晶区组成，从而证实了铸型激冷能力的双重性作用［2］。柱状晶区通常是由表面激冷晶区发展而来的，但也有可能直接从型壁处长出。表面激冷晶区一旦形成稳定的凝固壳层，激冷晶形成阶段的各向同性生长条件即被破坏，在垂直于型壁的单向热流作用下，处于凝固界面前沿的晶粒开始转而以总体沿热流反方向由外向熔体内生长。在柱状晶生长过程中，各

5、枝晶生长的主干方向互不相同，那些主干方向与热流逆方向平行的枝晶较相邻的非平行的枝晶生长速度更为迅速，它们优先向熔体内部伸展并阻碍相邻其他方向枝晶的生长。在淘汰掉取向不利枝晶的过程中逐渐发展形成柱状晶区，如图6-2所示(实例可见图4-37)。在柱状晶体的择优生长过程中，距离型壁越远，取向不利的枝晶被淘汰得越多，柱状晶的伸展方向越趋于同热流的逆方向一致，柱状晶主干的平均间距也越大。6.3　柱状晶区的形成机理6.3　柱状晶区的形成机理图6-2　柱状晶区形成示意图6.4　内部等轴晶区的形成机理6.4.1　成分过冷理论6.

6、4.2　激冷等轴晶型壁脱落与游离理论6.4.3　枝晶熔断及结晶雨理论6.4.1　成分过冷理论成分过冷理论认为，随着凝固层向熔体内部推移，固相散热能力逐渐削弱，熔体内部温度梯度趋于平缓，液相中溶质原子越来越富集，界面前方成分过冷逐渐增大。当成分过冷产生的过冷度超过非均质形核所需的临界过冷度时，就会在成分过冷熔体中产生晶核并长大，形成内部等轴晶区。根据成分过冷理论，成分过冷所导致的非均质形核是内部等轴晶晶核的重要来源，非均质晶核长大形成等轴晶区。6.4.2　激冷等轴晶型壁脱落与游离理论图6-3　浇注过程中激冷晶游离示

7、意图6.4.2　激冷等轴晶型壁脱落与游离理论图6-4　凝固初期的激冷等轴晶游离示意图a)晶体密度比熔体的小　b)晶体密度比熔体的大6.4.2　激冷等轴晶型壁脱落与游离理论图6-5　型壁晶粒脱落示意图6.4.2　激冷等轴晶型壁脱落与游离理论图6-6　游离晶体的生长、局部熔化与增殖示意图6.4.3　枝晶熔断及结晶雨理论图6-7　铸铁奥氏体枝晶及其脖颈现6.5　铸件宏观凝固组织控制1.合理控制浇注工艺和冷却条件2.孕育处理3.动力学细化6.5　铸件宏观凝固组织控制图6-8　金属液通过水冷斜板低温浇注示意图1.合理控制

8、浇注工艺和冷却条件(1)较低的浇注温度　从前面讨论可知，降低浇注温度导致熔体的过热温度变小，在浇注过程中及凝固初期易使较多激冷晶发生游离；同时，较低的浇注温度可避免激冷晶粒在向铸型内部游离过程中完全重熔，从而熔体内具有较大游离晶粒的数量。(2)合理的浇注工艺　通过合理设计浇注系统和浇注方式，增加金属液对型壁的冲刷作用，强化铸型中金属熔体的对流，同时避免引起大量气体和夹杂卷