第3章凝固组织

第三章铸坯凝固组织凝固组织包括两个方面：（1）宏观组织：指用肉眼观察到的铸坯内部的组织情况，通常包括晶粒的形态、大小、取向和分布等情况。

也就是针对铸坯的宏观状态而言也称为“凝固结构”、“低倍组织”和“低倍结构”。

（2）显微组织：是指借助于显微镜观察到的晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶以及枝晶间距等。

也就是针对铸坯的微观形态而言。

也称为“金相组织”、“微观组织”。

两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关，并对铸坯的各项性能，特别是机械性能产生强烈的影响。

第二章讨论了晶粒微观组织的形成过程，本章侧重于分析铸坯宏观组织的成因以及各种因素的影响。

在理论分析基础上，总结生产中控制铸坯结晶组织的各种有效方法。

第一节铸坯的凝固区域一．铸坯凝固的特点（1）钢属于一种合金。

钢液与纯金属的凝固特征的区别在于：①纯金属是在一个固定温度下完成凝固。

在定向凝固时，凝固前沿无过冷，凝固前沿或凝固区域为一个等温平面。

②钢是铁碳合金，钢液凝固是在一定的温度范围内完成的。

由于溶质再分配产生成分过冷，以树枝晶生长方式完成凝固。

即凝固发生在一定范围内，而不再位于一个平面内。

（2）冷却强度高：与铸造和模注工艺相比，连铸采用了强制冷却方式，冷却强度高。

即使在空冷区，铸坯的冷却强度也大于砂模铸造和模注。

（3）定向传热：在凝固过程中，采取铸坯表面冷却，从而形成了由内部向表面的定向传热方式。

从钢液内部到坯壳表面温度逐渐降低，即铸坯内外存在较大的温度梯度G。

二．凝固区域从宏观来看，定向传热使铸坯内部存在温度梯度，而合金性质决定了凝固是在一定温度范围内完成，因此铸坯在凝固过程中会存在三个区域：固相区、两相区和液相区。

如图3－18所示。

左图是平衡相图，钢液的结晶温度范围为S L T T -。

右图是正在凝固的铸坯断面，厚度为D 。

（1） 固相区：铸坯表层区域，其温度低于固相线温度S T 而成为固态，即凝固坯壳。

（2） 液相区：中心温度仍在液相线L T 以上而仍为液态钢水，即液芯；（3） 两相区：在固相区和液相区之间，温度处于液相线L T 和固相线S T 之间，呈固液共存。

在铸坯内，固相区和两相区之间的界面温度为S T ，称为“固相等温面”；同时，两相区与液相之间的界面温度为L T ，称为“液相等温面”。

在两相区内铸坯完成凝固，因此两相区也称为“凝固区域”。

随着铸坯的冷却，液相等温面和固相等温面不断向铸坯中心推进，铸坯全部凝固后凝固区域消失。

注：①在两相区内，钢液以树枝晶方式生长。

②在凝固区域内凝固行为与铸坯质量有密切关系。

三． 两相区宽度若不考虑偏析影响，在凝固中铸坯两相区的宽度，决定于平衡结晶温度区间S L T T -和两相区的温度梯度G 。

假设两相区的温度按直线分布，即G 为常数，则两相区宽度为：GT T L S L -= 式中：L T 为液相线温度；S T 为固相线温度；G 两相区内温度梯度四． 两相区结构了解两相区结构是认识偏析、疏松、裂纹和气泡形成原理的基础。

图3－19是两相区结构的示意图。

按固相率的大小，凝固区域又可划分为三个部分：倾出段、补缩段和密闭段。

（1） 倾出段：在液相边界附近，固相率低，晶体处于悬浮状态而未连成一片，可以自由移动。

用倾出法做试验时，晶体能够随同液态金属一起被倾出。

（2） 补缩段：距离液相边界较远处温度降低，固相率增加，晶体已经连接形成网络，在倾出试验中不会随液体金属一起被倾出，而液体还能在其间移动，可以补充凝固带来的收缩。

（3） 密闭段：在靠近固相边界处，固相率很高，枝晶连结成为牢固的晶体骨架。

骨架把尚未凝固的少量液体分割开，形成互不沟通的小“溶池”（图中的黑点）。

这些小溶池凝固而发生体积收缩，得不到其它液体的补充。

倾出段与补缩段之间的界面，称为“倾出边界”，固相率约为3.0≈s f 。

补缩段与密闭段之间的界面，称为“补缩边界”，固相率约为6.0≈s f 。

在连铸漏钢过程中，只有3.0<s f 的部分流出，而两相区大部分区域仍留在坯壳上，因此漏钢后坯壳厚度大于凝固时真实厚度，而由此得到的凝固系数也较高。

同样，示踪法、射钉法也有同样的问题。

第二节铸坯宏观组织一．铸坯典型宏观组织最典型的铸坯宏观凝固组织有三个晶区：如图5－l所示。

（1）表面细小等轴晶区：也称“激冷层”。

位于铸坯最外层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成；激冷层比较薄，厚度仅为1～3mm。

（2）柱状晶区：由彼此平行排列的柱状晶所组成，方向与热流方向基本一致。

（3）内部等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。

事实上，并不是所有的铸坯都具有三个晶区的凝固组织。

铸坯宏观组织中的晶区数目、柱状晶区和等轴晶区的相对宽度都随钢液性质和具体的凝固条件而变化。

穿晶结构：低碳钢小方坯最常见的宏观结晶组织，即铸坯表面激冷层较薄、柱状晶发达，在中心无等轴晶区，各方向的柱状晶在中心处直接相连，相当于柱状晶穿透了铸坯中心。

二．形成理论发展对三个晶区形成机理的认识，经历过一个由浅入深的历史发展过程。

（1）传统观点在过去相当长的一段时间内，人们曾认为，铸坯中的每一个晶粒都有一个独立的生核过程，而铸坯结晶组织的形成则是这些晶核直接生长的结果。

然而这种静止的观点并没有反映出铸坯结晶的全部真实过程。

致使在以往对三个晶区形成机理的解释中，留下了许多难以理解的问题。

（2）现代理论只是在近二三十年来，当逐步认识到晶粒游离在铸坯结晶组织形成过程中所起的重大作用以后，对于三个晶区的形成机理才有了一个基本明确而日趋一致的认识。

铸造理论比连铸理论研究的更深入实际上，在铸坯结晶过程中，由于各种因素（特别是钢液流动作用）的影响，除了直接借助于生核以外，还会通过其它方式在液芯内部形成大量处于游离状态的自由小晶体（即“游离晶”）。

这些小晶体就相当于无数的“晶核”，而这些“晶核”自由生长就形成了铸坯中的等轴晶粒。

游离晶的形成过程及其在液芯中的漂移和堆积，影响到等轴晶的数量、大小和分布状态，直接决定了铸坯宏观凝固组织。

研究晶粒游离过程，对分析铸坯宏观结晶组织的形成原因、以及理解和确定改善措施都是十分必要的。

因此，在讨论三个晶区形成机理之前，必须深入研究连铸过程中的晶粒游离现象。

三．铸坯凝固过程中的晶粒游离晶粒游离：在凝固过程中，由于各种因素（尤其是流动的作用），在液相内部形成大量的处于游离状态的自由小晶体，这种现象称为“晶粒游离”。

试验研究表明，在连铸过程中存在以下几种晶粒游离：（1）过冷钢液中的非均质生核在钢水进入结晶器后，结晶器铜壁对相邻钢液产生激冷作用而产生过冷；同时，在钢液内部存在大量质点，在过冷的推动下，通过非均质生核生成大量处于游离状态的小晶体。

在液芯内钢水持续流动，带动游离晶向液芯深处漂移，从而形成晶粒游离。

在铸坯凝固过程中，由于存在结晶器激冷作用和非均质生核条件，这种晶粒游离现象总是存在的。

（2）结晶器铜壁上晶粒脱落晶粒在生长过程中必然要引起界面前方钢液中溶质再分布，结果将引起界面前沿钢液凝固温度降低，从而带来过冷度降低。

溶质偏析程度越大，过冷度减少越多，晶粒的生长速度就越缓慢或停止。

直到传热带来钢液温度降低而重新获得过冷，再重新生长。

在结晶器铜壁上生成的晶粒，在生长过程中向液相中析出溶质。

在扩散和对流的作用下，前端析出的溶质很容易进入钢液内部，使界面处溶质浓度基本保持不变，从而前端过冷度依然较高，并保持较快的生长速度。

与此同时，在与铜壁接触的晶粒根部，溶质向液体中扩散的条件最差，偏析程度最为严重，使此处生长受到严重抑制或停止。

因此，晶体在生长过程中将产生根部“缩颈”现象，生成头大根小的晶粒。

钢水流动对铜壁上的晶粒产生机械冲刷，同时局部温度反复波动对晶粒引起热应力冲击。

晶粒缩颈部位熔点最低而又最脆弱，在机械冲刷和热应力综合作用下极易断开，致使晶粒自器壁脱落而导致晶粒游离（图5－3所示）。

大野笃美利用显微镜对Sn－Bi合金的凝固过程进行了直接观察和连续摄影，证实了凝固初期通过器壁晶粒脱落而产生的晶粒游离过程。

对于连铸过程来说，注流持续冲刷凝固前沿（尤其是采用M-EMS时），在结晶器上部必然存在晶粒游离现象。

（3）树枝晶上的枝晶分枝熔断实际上，缩颈现象不仅存在于结晶器铜壁上晶粒的根部，而且也存在于树枝晶各次分枝的根部。

这是因为，枝干侧面的分枝根部区域，由于溶质扩散最为不利而形成缩颈。

两相区内树枝晶同时受到钢液流动冲刷和热应力的作用，最脆弱的根部缩颈处容易熔断，随钢流卷入液芯内部而产生晶粒游离（图5－4所示）。

（4）游离晶的晶粒增殖一般来说，处于自由状态下的游离晶本身都具有树枝晶结构。

当游离晶在液流中漂移时，要通过不同的温度区域和浓度区域，其表面处于反复熔化和生长的状态之中。

同样，在生长中分枝根部同样受到限制而形成缩颈，在高温和流动作用下根部就可能断开，一个晶粒将破碎成几部分，然后在低温下各自生长为新的游离晶粒（图5－5所示）。

这个过程称为“晶粒增殖”，也是一种非常重要的晶粒游离现象。

（5）液面晶粒沉积所引起的晶粒游离在凝固过程中，钢液面受到冷却生成晶粒，晶粒未与壁部晶粒形成连接。

由于其密度比液体大而下沉，导致晶粒游离。

这种现象在模注和铸造工艺中更为常见，在连铸过程中，弯月面不断更新温度较高，同时又受到保护渣的保温作用，液面处不容易形成结晶。

四．钢液流动对晶粒游离的作用在铸坯凝固过程中，钢液流动对铸坯组织和质量（如中心偏析、表面夹渣及粘结等）影响较大。

在铸坯液芯中存在着多种形式的钢液流动，可分为自然对流和强制对流。

（1）自然对流。

由于密度差别而引起自然对流。

主要指的是热对流，它是由于铸坯受到冷却，凝固前沿附近的钢液温度降低、密度变大而下沉，中心部分液体则由于温度较高、密度较小而上浮，形成自然对流。

水杯中的水温分布。

（2）强制对流。

在浇注过程中的中间包注流冲击和电磁搅拌所形成的剧烈对流，另外还包括鼓肚、内裂等导致的晶间对流。

研究表明，在铸坯凝固过程中，钢液流动对晶粒游离有三个作用途径：①通过传热影响：在传热方面，钢液流动的宏观作用在于加速钢液过热散失，有利于游离晶粒在漂移过程中残存而不被熔化。

②通过传质影响：在传质方面，钢液流动的最大作用是促进游离晶粒的漂移和堆积，保证各种游离现象不断进行。

③对机械冲刷作用：即动量传递，通过钢液流动对坯壳的机械作用力，使枝晶根部折断，促进了晶粒游离。

五．表面等晶粒区的形成1．传统理论根据传统理论，当钢液浇入温度较低的铸型（结晶器和钢锭模）中时，器壁附近钢液由于受到强烈的激冷，同时器壁表面也为非均质形核提供了良好条件，因此形成大量晶核。

这些晶核在过冷钢液区中迅速生长并互相抑制，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。

故也把表面细等轴晶区称为“激冷层”。

传统理论认为，表面细晶粒区的形成与器壁的非均质生核和剧烈冷却有关。