重庆大学 金属凝固原理 第章 金属凝固的宏观组织与凝固方式.ppt

第七章 金属凝固的宏观组织与凝固方式 §7-1 宏观凝固组织的形成与控制 §7-2 凝固方式与凝固时间 §7-1 宏观凝固组织的形成与控制 一、凝固过程中液体金属的流动 1.浇注及凝固过程中液体的流动形式 （1）浇注时存在液流的冲刷（强制对流） 液流冲刷浇道、型壁及已凝固层的 生长界面。 （3）存在着枝晶间及分枝间的液体流动（微观流动） 枝晶凝固时，发生收缩而产生负压，液体被吸入枝 晶分枝而产生微观流动 2.液体的流动对凝固过程的影响 （1）顶部晶体的沉积（铸锭上部形成等轴晶） （2）型壁上晶体的脱落及晶体的增殖 在浇注的过程中及凝固初期的激冷,等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成, 浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区 。 溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳, 另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去。 （3）枝晶分枝的熔断脱落 ● 枝晶生长时，其分枝也因成分过冷而形成细的“脖颈”， 遇高温液体时，产生熔断脱落。 二、宏观凝固组织的形成及影响因素 1.表面细等轴晶区的形成 2.内部柱状晶区的形成 3.中心等轴晶区的形成 金属凝固的典型宏观组织 1.表面细等轴晶区的形成 2.内部柱状晶区的形成 图7.12 柱状晶生长过程的动态演示 3.中心等轴晶区的形成 ● 柱状晶在向液体内生长过程中，不断排出多余的低熔点溶质，使凝固温度降低（即TX线变陡），同时放出结晶潜热，使铸件中心液体温度升高，液体的实际结晶温度降低（即GL线变小），在界面前沿存在较大成分过冷，当△TC(max) △T**时，便在铸件中心的液体中独立生核和长大，且此时枝晶的生长受铸型散热方向的影响小，在各个方向上生长成比较均匀的粗大等轴晶。 思路: 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖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。 ● 根据液态成形件不同的使用性能，其凝固宏观组织的要求是不同的。对一些特殊性能要求的成形件，需要获得单一柱状晶（如航空发动机的叶片、磁钢等）甚至单晶（单晶体叶片），而大量的情况是希望液态成形件获得细小等轴晶，使其具有优良的各向同性的综合机械性能。这里重点讲述等轴晶的获得及细化。 ● 获得细等轴晶的措施 1.增大冷却速度（V冷↑）和降低浇注温度（t浇↓） 合理的浇注工艺 冷却条件的控制 合理的浇注工艺 浇注温度 浇注方式 冷却条件的控制 控制冷却条件的目的是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GL和高的冷却速度V冷可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。 悬浮浇注法的特点 ?（1）显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力学性能均匀性； （2） 减小凝固收缩，使冒口减小15～35%； （ 3） 减少缩松，提高铸件致密性； （ 4） 减小铸造应力，减小铸件热裂倾向； （5）改善宏观偏析； （6） 提高凝固速度，改善铸型受热状况； （ 7）可以实现浇注过程合金化。 技术原理： 通过加入金属颗粒与金属液的物理 化学、晶体学和热作用，强制金属液生核，并改 变铸型中金属液的温度分布，从而改变金属凝固 方式。 适用范围： 各种铸钢件、铸铁件、及有色合金件。 不需要特殊设备，仅要求简单辅助工装。 2.加强液体在浇注和凝固期间的流动 促使型壁上已凝固层晶体的脱落，分枝的熔断脱落及脱落 晶体的增殖。 具体方法： ——利用液流的冲刷 ——利用旋转磁场使液体旋转运动 ——利用惯性力使液体运动 ● 使铸型产生振动或振击 ● 振动浇口杯 ● 铸型变速或不断变向运动 （1）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。离心铸造时若周期改变旋转方向可获得细小等轴晶，说明液相和固相发生相对运动所起的细化晶粒作用。 振动还可引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。 振动铸型可促使“晶雨”的形成。 （2）超声波振动 超声波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。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝固过冷度，造