铸件凝固组织的形成及控制课件.ppt

铸件凝固组织的形成及控制1第1页，此课件共24页哦铸件内通常含有三个不同形态的晶区铸件内通常含有三个不同形态的晶区1、表表面面细细晶晶区区：紧紧靠靠铸铸型型壁壁的的激激冷冷组组织织激激冷冷区区。细细小小等等轴轴晶。晶。2、柱状晶区：垂直于型壁，彼此平行排列的柱状晶粒。、柱状晶区：垂直于型壁，彼此平行排列的柱状晶粒。3、内内部部等等轴轴晶晶区区：各各向向同同性性的的等等轴轴晶晶。尺尺寸寸比比表表面面细细晶晶区区的的粗大。粗大。表面激冷区较薄，仅几个晶粒厚，其余两晶区较厚。表面激冷区较薄，仅几个晶粒厚，其余两晶区较厚。晶区数及厚度随合金成分和凝固条件而变。晶区数及厚度随合金成分和凝固条件而变。铸铸件件性性能能由由柱柱状状晶晶区区和和等等轴轴晶晶区区的的相相对对量量决决定定，表表面面细细晶区影响有限。晶区影响有限。2第2页，此课件共24页哦二、铸件宏观凝固组织的形成机理二、铸件宏观凝固组织的形成机理（一）表面细晶区的形成（一）表面细晶区的形成 早早期期理理论论：型型壁壁附附近近大大过过冷冷大大量量生生核核、迅迅速速长长大大并并相互接触。相互接触。后期理论：非均质形核后期理论：非均质形核+游离晶粒晶核游离晶粒晶核 游游离离晶晶粒粒的的产产生生：由由于于溶溶质质再再分分配配在在生生长长的的枝枝晶晶根根部部产产生生“缩缩颈颈”，在在流流动动液液态态金金属属作作用用下下枝枝晶晶熔熔断断或或型型壁壁晶晶粒粒脱脱落落而而游游离离。（溶质偏析（溶质偏析+流动有利）。流动有利）。3第3页，此课件共24页哦（二）柱状晶区的形成（二）柱状晶区的形成1、从从表表面面细细晶晶区区形形成成并并发展起来；发展起来；2、稳稳定定凝凝固固壳壳形形成成后后单单向向热热流流界界面面前前沿沿晶粒以枝晶状延伸生长；晶粒以枝晶状延伸生长；3、主主干干与与热热流流平平行行的的枝枝晶晶生生长长更更迅迅速速；淘淘汰汰取取向向不不利利的的晶晶体体，成成为为柱柱状状晶晶组织。组织。4第4页，此课件共24页哦晶晶体体的的择择优优生生长长：互互相相竞竞争争淘汰的晶体生长过程。淘汰的晶体生长过程。控控制制柱柱状状晶晶区区继继续续发发展展的的关关键键：内内部部等等轴轴晶晶区区的的出出现。现。穿穿晶晶组组织织：无无内内部部等等轴轴晶晶区区，柱柱状状晶晶区区一一直直延延伸伸到到铸铸件件中中心心，与与对对面面型型壁壁长长出的柱状晶相遇。出的柱状晶相遇。纯纯金金属属铸铸态态组组织织全全为为柱状晶。柱状晶。5第5页，此课件共24页哦（三）内部等轴晶区的形成（三）内部等轴晶区的形成成因：内部晶核自由生长。成因：内部晶核自由生长。关关于于晶晶核核来来源源及及内内部部等等轴轴晶晶区区的的形形成成过过程程的的不不同同理理论论观观点点（4点点）：）：1、过过冷冷熔熔体体非非自自发发生生核核理理论论：成分过冷成分过冷生核、长大。生核、长大。2、激激冷冷晶晶卷卷入入理理论论：浇浇注注时时产产生生游游离离激激冷冷晶晶漂漂到到型型中中心心未熔化未熔化晶核。晶核。6第6页，此课件共24页哦3、型型壁壁晶晶粒粒脱脱落落和和枝枝晶熔断理论：晶熔断理论：出发点：溶质再分配出发点：溶质再分配晶晶粒粒生生长长时时界界面面前前方方溶溶质质富富集集凝凝固固点点降降低低晶晶体体及及枝枝晶晶根根部部最最甚甚、生生长长被被抑抑制制其其它它部部位位溶溶质质易易扩扩散散走走、生生长长速速度度快快产产生生“缩缩颈颈”现现象象形形成成“细脖子晶细脖子晶”。7第7页，此课件共24页哦 在在流流体体机机械械冲冲刷刷及及热热冲冲击击对对流流作作用用下下在在“缩缩颈颈”处易断、并脱落处易断、并脱落晶粒游离。晶粒游离。4、“结结晶晶雨雨”游游离离理理论论：在在液液面面产产生生过过冷冷并并形形成成晶晶核核、长长大大成成小小晶晶体体小小晶晶体体或或顶顶部部凝凝固固层层脱脱落落的的分枝分枝降落降落形成游离晶体。形成游离晶体。8第8页，此课件共24页哦两点注意两点注意（1）游离晶体增殖现象游离晶体增殖现象：游游离离晶晶在在液液流流中中漂漂移移，不不断断受受温温度度起起伏伏和和浓浓度度起起伏伏影影响响，表表面面处处于于反反复复局局部部熔熔化化和和反反复复生生长长状状态态缩缩颈颈处处断断开开晶晶粒粒破破碎碎各各自自成成为为新新游游离离晶晶。该该过程为过程为晶粒增殖晶粒增殖。（2）四四种种理理论论都都存存在在。不不同同条条件件起起主主导导作作用用的的理理论论不不同同，大多是几个机理综合作用。大多是几个机理综合作用。9第9页，此课件共24页哦第二节第二节 铸件宏观凝固组织的控制铸件宏观凝固组织的控制 10第10页，此课件共24页哦一、铸件结晶组织对铸件性能的影响一、铸件结晶组织对铸件性能的影响 表表面面细细晶晶区区比比较较薄薄，对对铸铸件件性性能能影影响响较较小小；柱柱状状晶晶区区和和等等轴轴晶晶区区的的宽宽度度及及两两者者比比例例、晶晶粒粒大大小小是是决决定定铸铸件件性性能能的的主主要要因因素。素。1、柱状晶、柱状晶（1）柱柱状状晶晶为为细细长长晶晶体体，比比较较粗粗大大，晶晶界界面面积积较较小小，排排列列位位向向一一致。致。（2）性能有方向性，纵向好；）性能有方向性，纵向好；（3）杂杂质质元元素素、非非金金属属夹夹杂杂物物和和气气体体被被排排斥斥在在界界面面前前沿沿，分分布布在在晶界，易形成热裂；随后的塑性加工易产生裂纹；晶界，易形成热裂；随后的塑性加工易产生裂纹；所以，通常不希望得到粗大柱状晶组织。所以，通常不希望得到粗大柱状晶组织。11第11页，此课件共24页哦2、内部等轴晶、内部等轴晶（1）晶晶粒粒间间位位向向各各不不相相同同，晶晶界界面面积积大大，偏偏析析元元素素、非非金金属属夹夹杂杂物物和和气气体体分分散散分分布布，性性能能均均匀匀，无无方方向向性性各各向向同同性；性；（2）若若内内部部等等轴轴晶晶比比较较发发达达，缩缩松松多多，不不致致密密，降降低低性性能能。细细化晶粒可改善性能。化晶粒可改善性能。12第12页，此课件共24页哦二、铸件宏观组织的控制途径和措施二、铸件宏观组织的控制途径和措施控控制制铸铸件件的的宏宏观观组组织织就就是是控控制制铸铸件件柱柱状状晶晶区区和和等等轴轴晶晶区区的的相对比例相对比例。通通常常希希望望铸铸件件获获得得全全部部等等轴轴晶晶组组织织需需要要抑抑制制柱柱状状晶晶的的产产生生和和生生长长通通过过创创造造有有利利于于等等轴轴晶晶形形成成的的条条件件来来达达到到凡凡是是有有利利于于小小晶晶粒粒的的产产生生、游游离离、漂漂移移、沉沉积积、增增殖殖的的各各种种因因素素和和措措施施均均有有利利于于扩扩大大等等轴轴晶晶区区的的范范围围，抑抑制制柱状晶区的形成与发展，并细化等轴晶组织。柱状晶区的形成与发展，并细化等轴晶组织。13第13页，此课件共24页哦具体措施具体措施（一）向熔体加入强生核剂（一）向熔体加入强生核剂孕育处理孕育处理控控制制金金属属和和合合金金铸铸态态组组织织的的重重要要方方法法之之一一是是控控制制形形核核。生生产产中主要采用孕育处理的方法，强化非均质形核。中主要采用孕育处理的方法，强化非均质形核。孕孕育育处处理理：向向液液态态金金属属中中添添加加生生核核剂剂，影影响响生生核核过过程程、增增加加晶晶核核数数，达达到到细细化化晶晶粒粒的的目目的的，叫叫孕孕育育处处理理。该该生生核核剂剂也称孕育剂。也称孕育剂。（类似概念）（类似概念）变质处理：变质处理：向金属液加入某些微量物质以影响晶体向金属液加入某些微量物质以影响晶体的生长机理，达到改变组织结构，提高机械性能的目的，该处理工的生长机理，达到改变组织结构，提高机械性能的目的，该处理工艺称为艺称为变质处理变质处理。孕育与变质的区别孕育与变质的区别：孕育主要影响：孕育主要影响生核过程生核过程，增加晶核数实现，增加晶核数实现细化晶粒；变质主要改变晶体的细化晶粒；变质主要改变晶体的生长过程生长过程，通过变质元素的，通过变质元素的选择性分布实现改变晶体的生长形貌。选择性分布实现改变晶体的生长形貌。14第14页，此课件共24页哦影响孕育效果的因素：影响孕育效果的因素：（1）自身因素；）自身因素；（2）孕育处理工艺。）孕育处理工艺。1）温度越高，孕育衰退越快）温度越高，孕育衰退越快在保证孕育剂在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应采用较低的孕育处理温度。均匀溶解的前提下，应采用较低的孕育处理温度。2）孕育剂的粒度也要根据处理温度和具体）孕育剂的粒度也要根据处理温度和具体的处理方法、液态金属的体积等因素来选择。的处理方法、液态金属的体积等因素来选择。孕育衰退现象：孕育衰退现象：随时间的延长，孕育效果减弱甚随时间的延长，孕育效果减弱甚至消失，这种现象称为孕育衰退现象。至消失，这种现象称为孕育衰退现象。大多数孕育剂（生核剂）都有衰退现象。大多数孕育剂（生核剂）都有衰退现象。15第15页，此课件共24页哦生核剂分类生核剂分类 1 1、直接作为外加晶核的生核剂、直接作为外加晶核的生核剂该类生核剂具备的条件：该类生核剂具备的条件：（1 1）与欲细化相具有界面共格对应关系；）与欲细化相具有界面共格对应关系；（2 2）高熔点的物质或同类金属、非金属碎粒；）高熔点的物质或同类金属、非金属碎粒；（3 3）与欲细化相间界面能较小、润湿角小；）与欲细化相间界面能较小、润湿角小；（4 4）能直接作为有效衬底促进非自发生核。）能直接作为有效衬底促进非自发生核。如：高锰钢如：高锰钢加锰铁加锰铁细化奥氏体组织；细化奥氏体组织；铸铸铁铁加加石石墨墨粉粉增增加加石石墨墨数数量量、降降低低尺寸。尺寸。16第16页，此课件共24页哦2、生生核核剂剂中中元元素素能能与与液液态态金金属属中中的的某某元元素素形形成成较较高熔点的稳定化合物高熔点的稳定化合物 这这些些化化合合物物与与欲欲细细化化相相具具有有界界面面共共格格对对应应关关系系和和较小界面能。较小界面能。如如：钢钢加加含含V、Ti的的生生核核剂剂形形成成含含V、Ti的的的的碳化物或氮化物碳化物或氮化物促进非均质生核促进非均质生核细化晶粒。细化晶粒。过共晶过共晶AlSi合金合金加含加含P生核剂生核剂形成磷形成磷化物、使初晶硅细化。化物、使初晶硅细化。17第17页，此课件共24页哦3、通通过过在在液液相相中中造造成成很很大大的的微微区区富富集集而而造造成成结结晶晶相相通通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂过非均质形核而提前弥散析出的生核剂 如如，把把硅硅加加入入铁铁液液瞬瞬时时形形成成很很多多富富硅硅区区形形成成局局部部过过共共晶晶成成分分使使石石墨墨提提前前析析出出。而而硅硅的的脱脱氧氧产产物物SiO2及及某某些些微微量量元元素素形形成成的的化化合合物物可可作作为为石石墨墨析出的有效衬底而促进非均质生核。析出的有效衬底而促进非均质生核。18第18页，此课件共24页哦4、含强成分过冷元素的生核剂、含强成分过冷元素的生核剂强成分过冷元素强成分过冷元素：偏析系数：偏析系数1-k0绝对值大的元素。绝对值大的元素。含强成分过冷元素的生核剂的作用：含强成分过冷元素的生核剂的作用：（1）通通过过在在生生长长的的固固液液界界面面前前沿沿富富集集使使晶晶粒粒根根部部或或树树枝枝晶晶分分枝枝根根部部产产生生细细弱弱缩缩颈颈，在在熔熔体体流流动动及及冲冲击击下下产产生生晶粒游离晶粒游离。增加生核率和晶粒数；增加生核率和晶粒数；（2）产产生生的的强强成成分分过过冷冷也也能能强强化化界界面面前前沿沿熔熔体体内内部部的的非均质形核非均质形核。增加生核率和晶粒数；增加生核率和晶粒数；（3）强强成成分分过过冷冷元元素素的的界界面面富富集集对对晶晶体体生生长长具具有有抑抑制制作作用用，降降低低晶晶体体生生长长速速度度，也也使使晶晶粒粒细细化化。抑制生长。抑制生长。19第19页，此课件共24页哦良好的晶粒细化剂应该具有的特性：良好的晶粒细化剂应该具有的特性：（1）含含有有非非常常稳稳定定的的异异质质固固相相颗颗粒粒，这这些些颗颗粒粒不不易易溶溶解；解；（2）异异质质固固相相颗颗粒粒与与固固相相之之间间存存在在良良好好的的晶晶格格匹匹配配关关系，从而获得很小的润湿角；系，从而获得很小的润湿角；（3）异异质质固固相相颗颗粒粒非非常常细细小小，高高度度弥弥散散，既既能能起起非非均均质形核的作用，又不影响合金的性能；质形核的作用，又不影响合金的性能；（4）不带入任何影响合金性能的有害元素。）不带入任何影响合金性能的有害元素。20第20页，此课件共24页哦（二）控制浇注条件（二）控制浇注条件 1、采用较低的浇注温度、采用较低的浇注温度 试试验验及及生生产产实实践践表表明明，降降低低浇浇注注温温度度是是减减小小柱柱状状晶晶、获得细等轴晶的有效措施之一。获得细等轴晶的有效措施之一。低温浇注的作用：低温浇注的作用：（1）有有利利于于游游离离晶晶及及自自由由表表面面的的晶晶粒粒雨雨更更多多地地残残存存下来，减少被重新熔化的数量；下来，减少被重新熔化的数量；（2）过热度小）过热度小易产生较多的游离晶粒。易产生较多的游离晶粒。但但浇浇注注温温度度不不能能过过低低，否否则则流流动动性性降降低低产产生生浇浇不不足足、冷冷隔隔、夹夹杂杂等等。最最好好通通过过试试验验确确定定合合适适的的浇浇注注温度。温度。21第21页，此课件共24页哦2、采用合适的浇注工艺、采用合适的浇注工艺 等等轴轴晶晶来来源源于于激激冷冷游游离离晶晶，游游离离晶晶与与液液态态金属流动密切相关。金属流动密切相关。凡凡是是能能够够增增加加液液流流对对型型壁壁的的冲冲刷刷和和促促进进液液态态金金属属内内部部产产生生对对流流的的浇浇注注工工艺艺均均能能扩扩大大并并细细化化等轴晶区。等轴晶区。22第22页，此课件共24页哦3、铸型性质和铸件结构、铸型性质和铸件结构（1）铸型激冷能力的影响）铸型激冷能力的影响 薄薄壁壁件件：激激冷冷整整个个断断面面同同时时产产生生较较大大过过冷冷；型型蓄蓄热热系系数数越越大大整整个个熔熔体体生生核核能能力力越越强强。所以，金属型比砂型更易获细等轴晶。所以，金属型比砂型更易获细等轴晶。23第23页，此课件共24页哦 铸铸件件较较厚厚或或铸铸型型导导热热性性较较差差时时：激激冷冷只只作作用用于于铸铸件件的的表表面面层层。等等轴轴晶晶区区的的形形成成主主要要依依靠靠晶晶粒粒游游离离。这时型冷却能力的影响是矛盾的：这时型冷却能力的影响是矛盾的：1）低低蓄蓄热热系系数数铸铸型型延延缓缓稳稳定定凝凝固固壳壳的的形形成成利利于于激激冷冷晶晶游游离离；内内部部温温度度梯梯度度变变小小凝凝固固区区加宽加宽利于利于增加增加等轴晶。等轴晶。2）低低蓄蓄热热系系数数铸铸型型减减慢慢了了熔熔体体过过热热热热量量的的散失散失不利于游离晶的残存不利于游离晶的残存减少减少等轴晶。等轴晶。通常前者为矛盾的主导因素。通常前者为矛盾的主导因素。24第24页，此课件共24页哦