第五章第五章 铸件组织的形成与控制铸件组织的形成与控制晶区组成晶区组成表面细晶区表面细晶区柱状晶区柱状晶区中心等轴晶区中心等轴晶区5.1铸件典型结晶组织铸件典型结晶组织5.2 铸件结晶时的晶粒游离铸件结晶时的晶粒游离一、一、熔体内部的对流运动熔体内部的对流运动熔体的对流作用熔体的对流作用对溶质分布产生影响对溶质分布产生影响对晶粒的游离、晶枝的熔断和增殖起促进作用对晶粒的游离、晶枝的熔断和增殖起促进作用对流对流分类分类强制对流强制对流自然对流自然对流原因原因原因原因浇注过程流体动量或凝固时的搅拌浇注过程流体动量或凝固时的搅拌熔体各部分之间的温差或者浓度差熔体各部分之间的温差或者浓度差二、二、晶粒游离的方式晶粒游离的方式（1）通过过冷熔体中的非均质形核而直接产生的游离晶通过过冷熔体中的非均质形核而直接产生的游离晶（2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖而产生的晶粒游离由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖而产生的晶粒游离（3）液面晶体的沉降而产生的游离晶液面晶体的沉降而产生的游离晶产生晶体游离的内因：溶质富集产生缩颈产生晶体游离的内因：溶质富集产生缩颈必不可少的条件：冲刷运动必不可少的条件：冲刷运动5.3铸件结晶组织与性能之间的关系铸件结晶组织与性能之间的关系1.宏观状态下的组织与性能关系宏观状态下的组织与性能关系（1）柱状晶组织对性能的影响）柱状晶组织对性能的影响柱状晶组织细密柱状晶组织细密不容易形成缩松和晶间夹杂不容易形成缩松和晶间夹杂性能好性能好原因原因结晶温区小，不易产生缩松，易产生缩孔，易补缩结晶温区小，不易产生缩松，易产生缩孔，易补缩纵向生长，横向生长受抑制纵向生长，横向生长受抑制（A）有利方面）有利方面（B）不利方面）不利方面柱状晶各向异性柱状晶各向异性在转角和中心处聚气和夹杂在转角和中心处聚气和夹杂力学性能不好力学性能不好原因原因生长方向与热流量平行生长方向与热流量平行（C）综合效果）综合效果一般不希望得到柱状晶组织；但由于其受纵向力作用比较好，可用于单相一般不希望得到柱状晶组织；但由于其受纵向力作用比较好，可用于单相结晶技术。结晶技术。（2）等轴晶组织对性能的影响）等轴晶组织对性能的影响（A）有利方面）有利方面晶粒组织各向同性晶粒组织各向同性性能比较均匀和稳定性能比较均匀和稳定晶粒间夹杂分散晶粒间夹杂分散枝晶杂乱枝晶杂乱（B）不利方面）不利方面枝晶发达枝晶发达显微缩松多显微缩松多性能减弱性能减弱加强方法加强方法除杂除杂细化晶粒细化晶粒2.微观结构对铸件性能的影响微观结构对铸件性能的影响1.平面生长的柱状晶优于胞状生长的柱状晶，更优于枝状结构的平面生长的柱状晶优于胞状生长的柱状晶，更优于枝状结构的柱状晶柱状晶2.枝晶间距，尤其二次枝晶间距细化，对改善偏析和夹杂物有显枝晶间距，尤其二次枝晶间距细化，对改善偏析和夹杂物有显著效果著效果5.4影响铸件宏观组织的因素影响铸件宏观组织的因素决定宏观组织主要原因决定宏观组织主要原因成分过冷成分过冷晶粒游离、晶枝熔断和增殖晶粒游离、晶枝熔断和增殖具体影响因素具体影响因素合金性质合金性质浇注工艺浇注工艺铸型特点铸型特点铸件的结构和尺寸铸件的结构和尺寸5.5铸件结晶组织的控制铸件结晶组织的控制一、等轴晶的获得与细化一、等轴晶的获得与细化（一）控制浇注条件（一）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a.游离晶不被重熔；游离晶不被重熔；b.过热度小能产生多的游离晶过热度小能产生多的游离晶2.采用合适的浇注工艺采用合适的浇注工艺加强冲刷作用，增加游离加强冲刷作用，增加游离（二）铸型性质和铸件结构（二）铸型性质和铸件结构1.铸型激冷能力（蓄热系数）铸型激冷能力（蓄热系数）激冷能力对凝固组织的影响与铸件壁厚和液态金属的导热性有关激冷能力对凝固组织的影响与铸件壁厚和液态金属的导热性有关薄壁件，铸型蓄热系数大，整体生核能力强，可细化等轴晶薄壁件，铸型蓄热系数大，整体生核能力强，可细化等轴晶壁厚件或合金导热性差壁厚件或合金导热性差，铸型的激冷只产生于铸件的表面层。这时铸，铸型的激冷只产生于铸件的表面层。这时铸型冷却能力的影响有矛盾型冷却能力的影响有矛盾:一方面，一方面，低蓄热系数有利于凝固初期激冷低蓄热系数有利于凝固初期激冷晶游离，同时内部温度梯度变小晶游离，同时内部温度梯度变小，凝固区域加宽，从而对增加等轴晶，凝固区域加宽，从而对增加等轴晶有利；另一方面，有利；另一方面，减慢热量散失，减少等轴晶数量减慢热量散失，减少等轴晶数量。一般前者为主。一般前者为主。2.液态金属与铸型表面的润湿角液态金属与铸型表面的润湿角润湿性好，即接触角小，铸型表面易形成稳定的凝固壳，有利于柱润湿性好，即接触角小，铸型表面易形成稳定的凝固壳，有利于柱状晶形成和生长。反之，有利于形成等轴晶。状晶形成和生长。反之，有利于形成等轴晶。3.铸型表面粗糙度铸型表面粗糙度表面粗糙度提高，柱状晶尺寸减少，等轴晶面积率提高。表面粗糙度提高，柱状晶尺寸减少，等轴晶面积率提高。（三）孕育处理（三）孕育处理孕育的定义：孕育的定义：向合金液中添加少量的物质以便改善结晶组织和提高机械性能和工艺性能向合金液中添加少量的物质以便改善结晶组织和提高机械性能和工艺性能的一种常用方法。的一种常用方法。孕育与变质的关系孕育与变质的关系铸铁称孕育；有色称变质铸铁称孕育；有色称变质孕育是通过非均质形核和晶粒游离实现细化；变质孕育是通过非均质形核和晶粒游离实现细化；变质是改变晶体生长形态而使组织获得改善是改变晶体生长形态而使组织获得改善细化是通过孕育或变质而使结晶组织发生细化细化是通过孕育或变质而使结晶组织发生细化1.具有非均质形核功能的晶粒细化剂具有非均质形核功能的晶粒细化剂起形核作用，增加核的数量起形核作用，增加核的数量2.具有强成分过冷的晶粒细化剂具有强成分过冷的晶粒细化剂作为溶质加入合金液。其特点是偏析系数很大，很容易产生缩颈，增加作为溶质加入合金液。其特点是偏析系数很大，很容易产生缩颈，增加晶粒的游离与增殖；晶粒的游离与增殖；溶质在生长前沿富集可降低而抑制晶体生长或改变溶质在生长前沿富集可降低而抑制晶体生长或改变晶体的生长形态晶体的生长形态（四）用动态结晶获得细小的等轴晶（四）用动态结晶获得细小的等轴晶1.振动结晶振动结晶振动对结晶作用振动对结晶作用破坏熔液与铸型之间的气膜和氧化膜，使溶液润湿破坏熔液与铸型之间的气膜和氧化膜，使溶液润湿铸型并密切接触型壁，利于型壁大量形核铸型并密切接触型壁，利于型壁大量形核触发晶粒从型壁上脱落，促进晶体游离触发晶粒从型壁上脱落，促进晶体游离振动动力源振动动力源机械振动机械振动电磁振动电磁振动超声振动超声振动振动方式振动方式振动铸型振动铸型振动浇口杯振动浇口杯振动器插入熔液振动器插入熔液2.搅拌搅拌对于连续铸锭或浇注大型铸锭，对型壁附近的液面施加强烈的机械搅拌对于连续铸锭或浇注大型铸锭，对型壁附近的液面施加强烈的机械搅拌对于异形铸件，可通入惰性气体，让气泡上浮排出液面起搅拌作用对于异形铸件，可通入惰性气体，让气泡上浮排出液面起搅拌作用3.利用旋转磁场使熔体旋转利用旋转磁场使熔体旋转磁力线来切割，使液态金属冲刷型壁和凝固层，获得大量游离晶磁力线来切割，使液态金属冲刷型壁和凝固层，获得大量游离晶（五）二次枝晶间距的细化（五）二次枝晶间距的细化一次枝晶间距对机械性能的影响不如二次间距重要，细化等轴晶的措施一次枝晶间距对机械性能的影响不如二次间距重要，细化等轴晶的措施可以促进二次间距的细化。可以促进二次间距的细化。二、柱状晶及单晶的获得二、柱状晶及单晶的获得（一）单向凝固的条件（一）单向凝固的条件（1）严格的单向散热）严格的单向散热（2）不产生成分过冷，及温度梯度与生长速度的比值要大）不产生成分过冷，及温度梯度与生长速度的比值要大（3）合金液有足够高的纯度，避免对流、搅拌和振动）合金液有足够高的纯度，避免对流、搅拌和振动（二）单向凝固方法（二）单向凝固方法提高温度梯度途径实现提高温度梯度途径实现（1）对已凝固部分强制冷）对已凝固部分强制冷（2）提高固液界面液相一侧的熔体温度）提高固液界面液相一侧的熔体温度（3）将界面液相一侧的高温环境与固相一侧的低温环境隔开，）将界面液相一侧的高温环境与固相一侧的低温环境隔开，保证温度梯度维持高的水平保证温度梯度维持高的水平（4）侧向绝热，保证固液界面保持在宏观的同一水平高度上）侧向绝热，保证固液界面保持在宏观的同一水平高度上单向凝固方法单向凝固方法炉外单向凝固炉外单向凝固炉内单向凝固炉内单向凝固