铸锭晶粒组织及其细化
金属熔炼第八讲
提高铸锭的致密性。
41
8.3.2.2 使锭模周期性振动
42
搅拌
43
8.3.3 变质处理
• 变质处理是指向金属液内添加少量物质，促进金
属液生核或改变晶体生长过程的一种方法。所舔 加的物质称为变质剂。
• 对于加工材料的合金，变质处理主要是为了细化
基体相，并希望能改善脆性化合物、杂质及夹杂 等第二相的形态和分布状况。
o 表面细等轴区的宽窄与浇注工艺、模温及模壁的
导热能力、合金成分等因素有关。
o 浇温高，显热的散失使模温迅速升高，形成稳定
晶核数减少。脱离模壁的晶粒少或易于被完全重 溶，因而表面等轴晶区窄。
o 当模壁激冷作用过强时，细等轴晶区也变窄甚至
消失。
o 合金中元素含量较高时，晶粒或枝晶根部易形成
缩刭而游离，细等轴晶区变宽。
成粗等轴品。
o 对于同一合金，用冷却强度大的连铸方法，易于形成细长
柱状晶，用铁模铸锭时可得到粗等轴晶或柱状晶。
3
8.1.1 表面细等轴晶区的形成
o 传统的理论认为，当过热金属浇入锭模时，与模壁接触的
一层液体受到强烈激冷，产生极大过冷，并由于模壁的形 核作用，因而在模壁附近的过冷液体中大量生核，并同时 生长成柱状细等轴晶。
晶体根部颈缩及脱落，使固/液界面的前沿晶核增 殖， 不利于获得柱状晶，故随合金含量提高．柱 状晶区变窄，见图6－3b 。
10
柱状晶区的影响因素
o 合金凝固时，如在固/液界面前沿能始终保持较大的温度
梯度，则柱状晶区可延伸至铸锭中心，直至与由对面模壁 生长过来的柱状晶相遇为止，如图6-5。
11
金属液内对流的影响：
关于6061铝合金圆铸棒晶粒细化问题探讨
关于 6061铝合金圆铸棒晶粒细化问题探讨摘要:本文分别从6061铝合金铸棒的化学成分份，炉料组成，熔炼过程的温度控制，熔体在炉内的保温时间，人工播晶种，以及铸造过程工艺参数等方面阐述了对铸棒晶粒的影响，提出了晶粒细化的一些方法。
关键词：6061铝合金铝棒晶粒细化晶粒度在铝合金熔铸生产中，晶粒度一直是大家关注的热门话题。
尤其是变形铝合金中的圆铸棒晶粒度，它不仅关系到铸棒在铸造环节能否顺利进行，更关系到后续进一步压力加工，以及最终产品的力学性能，以至于使用性能。
影响6061铝合金圆铸棒晶粒有多方面因素，主要有1.化学成分因素合金元素对铝合金基体金属纯铝来说是外来质点。
他们的熔点、金晶结构与纯铝有一定差别，特别是形成金属化合物以后，对合金结晶有一定影响。
6061铝合金主要合金元素有Si、Mg、Cu，还有对合金工艺性能有一定影响的Fe、Mn、Cr、Ti等元素。
这些元素约占合金含量的2.5%（Wt）左右。
其形成的金属化合物有的熔点与基体金属有差别，有的结晶结构与基体金属有一定的相似性。
在合金结晶时，会产生先后期结晶，先期结晶对后序结晶形核有产生促进作用。
另外占合金总量的2.5%（Wt）的合金元素在合金铸造时，会产生成分过冷，对细化合金组织也有一定促进作用。
2.炉料组成因素铝合金铸棒生产企业，根据原料，特别是基体金属纯铝来源，以及废旧金属形状，多少都有各自的配料方案。
本文研究的配料方案是重熔原铝锭，以及本企业加工生产的厚度≥15mm边角废料和铸造后切除棒头、棒尾的工艺废料，作为回炉料配入炉料中。
在6061合金中炉料中还要加入相应合金元素的中间合金如Al-Fe、Al-Cu、Al-Cr等。
在炉料中，加或不加回炉料对合金晶粒度有一定影响。
产生上述晶粒度差异原因，据分析：相同重量的回炉料与相同重量的原铝锭比较，其表面积相差悬殊，前者是后者的数倍，甚至上百倍，也就是说前者的氧化物数量比后者大很多。
铝的氧化物在结晶体结构上与原铝相似，而其熔点近2050℃，这种高熔点质点能起到异质晶核作用，促进晶粒细化。
铝合金的凝固和组织中的晶粒
铝合金的凝固和组织中的晶粒一、 熔体的凝固过程在半连续铸造过程中，熔体的浇铸和凝固是同时连续地进行的。
对铸锭而言，冷却是分两次实现的。
一次冷却是在结晶器内完成的，熔体进入结晶器后靠结晶器导热，在结晶器内形成一定厚度的凝固壳。
此后随着铸造机下降，被拉出结晶器，遇到结晶器底部浇出的冷却水（称之为二次冷却）从此完成凝固的全部过程。
这个凝固过程在金属学中称为金属结晶。
二、 铸锭的正常晶粒组织从理论上讲，在工业生产条件下，铸锭的晶粒组织由三个区域组成：即外层表面的细等轴晶区，由此往里的柱状晶区和中心等轴晶区。
但在实际铝合金生产中铸锭在强度大的冷却条件下，经过Al-Ti-B的细化处理，铝合金铸锭的组织往往全部是等轴晶。
铸锭晶粒的大小将直接影响铝加工制品的力学性能和加工性能，所以它被作为衡量铸锭质量的一个主要指标。
三、 影响铸锭晶粒的因素1、 熔体结晶的条件：熔体结晶有两个条件是必不可少的，其一是结晶必需要先形成晶核，熔体中的晶核分两种。
自发晶核是在低于结晶温度时，熔体由于能量起伏或液相起伏形成的晶核。
非自发晶核是外来粒子进入熔体后而形成的晶核。
其二是要有过冷度才可能发生结晶，所谓过冷度就是熔体的温度只有在冷却到低于熔点的温度下才能结晶，温度越低过冷度越大。
2、 晶粒的细化：控制过冷度；一般情况下增大过冷度，熔体中的生核率和晶粒的长大速度都增加，但生核速度大于晶粒的增长速度，所以一般情况下金属结晶时过冷度越大，所得到晶粒越细小。
在半连续铸造生产中增加过冷度的主要途径是有降低铸造速度使单位时间内铸锭冷却量增加；降低冷却水的温度使单位时间内铸锭的温降增加；加大冷却水的水压使单位时间内浇到铸锭上的水量增加使铸锭的温降增加；降低铸造温度使铸锭的结晶过程缩短。
3、 动态细化晶粒：对熔体采用机械搅拌、电磁搅拌、超声波振动等，这样一方面可以靠输入的能量使晶核提前生成，另一方面可以使成长中的树枝状晶破碎增加晶核的数目（在这里就要讲一下晶粒的形成，晶粒是先有一个晶核、晶核按多个方向晶轴成长，象树枝一样称之为枝晶，当众多的枝晶共同生长到一定程度互相顶撞，此时熔体添补到枝晶中，围绕它形成了一个枝晶粒）4、 变质处理细化晶粒：向熔体中加入少量的活性物质，促进熔体内部生成晶核或改变晶粒的成长过程，在变形铝合金中一般选用Ti、Zr、B、C等作为晶粒细化剂，我公司铸造时加入Al-Ti-B丝就属于变质处理的方法。
细晶铸造
国外近二十年来集中力量发展了高温合金定向铸造和单晶铸造技术，主要是为了提高航空发动机高压涡轮叶片的高温工作能力，从而增大发动机的推力，并延长其工作寿命。
与此同时，航空发动机的恶劣工况对在中低温条件下工作的低压涡轮叶片、整体叶盘和涡轮机匣等高温合金铸件的低周疲劳寿命提出了更高要求。
但是这类铸件在普通熔模精铸工艺生产条件下，一般为粗大的树枝晶或柱状晶，晶粒平均尺寸大于4mm，较典型的为4~9mm。
由于晶粒粗大及组织、性能上的各向异性，很容易导致铸件在使用过程中疲劳裂纹的产生和发展，这对于铸件的疲劳性能尤其是低周疲劳性能极为不利，并且造成铸件力学性能数据过于分散，降低了设计容限。
随着对发动机的整体寿命和性能要求的进一步提高，改善铸件的中低温疲劳性能及其他力学性能显得十分重要。
这便导致了细晶铸造技术的产生和发展。
工业发达国家，尤其是美国和德国，早在20世纪70年代末就开展了高温合金细晶铸造技术的研究和应用，在20世纪80年代中后期该项技术发展趋于成熟，目前正在航空、航天工业领域中扩大其应用范围，如美国Howmet公司利用细晶铸造技术成功地制造了Mod5A、Mar-M247、IN713C、1N718等高温合金整体涡轮，使涡轮的低周疲劳寿命提高了2~3倍。
德国、法国在新型号航空发动机上也采用了细晶整体涡轮铸件。
国内对高温合金细晶铸造技术的研究从20世纪80年代末开始起步，经过“八五”和“九五”期间的研究和应用，我国航空制造业建立了专门的细晶铸造设备，对高温合金细晶铸造工艺进行了较系统的试验，研制了一批镍基高温合金细晶铸件，并已应用于航空发动机中，在细晶铸造研究领域内取得了重要的进展。
1 细晶铸造的特点和工艺方法1.1 细晶铸造的特点细晶铸造技术或工艺（FGCP）的原理是通过控制普通熔模铸造工艺，强化合金的形核机制，在铸造过程中使合金形成大量结晶核心，并阻止晶粒长大，从而获得平均晶粒尺寸小于1.6mm的均匀、细小、各向同性的等轴晶铸件，较典型的细晶铸件晶粒度为美国标准ASTM0~2级。
铝及铝合金在熔铸热轧冷轧退火过程中晶粒的演变
7.0mm厚5005热轧卷1/2晶粒
Zhejiang Yongjie Aluminum
7.0mm厚5005热轧卷1/2晶粒
包覆率对钎焊和产品质量的影响
批号117120364热轧终轧温度320℃，为目前正常热终轧温度，该试样在冷轧开 坯阶段取样，热精轧过程中铝板发生动态再结晶，热轧出来的晶粒部分已经再 结晶，晶粒结构为块状晶粒与纤维状晶粒共存。
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3003铸轧料退火软化试样晶粒组织演变
0.35mm3003-H18晶粒
0.35mm340℃退火晶粒
0.35mm360℃退火晶粒
0.35mm380℃退火晶粒
0.35mm400℃退火晶粒
Zhejiang Yongjie Aluminum
1060S铸锭边部显微组织 1060S铸锭边部50倍晶粒组织
1060S铸锭四分之一50倍晶粒组织
1060S—H14成品200倍晶粒组织
Zhejiang Yongjie Aluminum
3xxx系铝及铝合金晶粒组织形貌
3004铸锭显微组织 3004铸锭100倍晶粒组织
3003-O退火200倍晶粒组织
Zhejiang Yongjie Aluminum
5005热轧卷晶粒组织形貌
批号117120363热轧终轧温度280℃，比正常终轧温度稍低，热轧出来 的晶粒呈长条纤维状。
7.0mm厚5005热轧卷边部
7.0mm厚5005热轧卷边部晶粒 7.0mm厚500热轧卷边部晶粒
7.0mm厚5005热轧卷1/2
材料工程基础(起华荣)
材料工程基础(起华荣部分)第一章液态金属的性质第二章金属的氧化、挥发和除渣精炼第三章吸气和脱气精炼第四章成分控制第五章单相合金的凝固第六章铸锭晶粒组织及其细化第七章铸锭常见缺陷分析1.液态金属的“短程有序、长程无序”结构特点体现在哪4个方面？答：（1）原子团（由十几到几百个原子组成）内，原子间仍然保持较强的结合力和原子排列的规律性，既短程有序；（2）原子团间的距离增大（产生空穴），结合力减小，原子团具有流动性质；（3）存在能量起伏和结构起伏；（4）随温度的提高，原子团尺寸减小、流动速度提高。
2.液态金属粘度概念及公式答：液体中流速不同的两个相邻液层间产生摩擦阻力，阻碍液体的流动，该内摩擦力是液体的基本物理特性之一，称为粘度。
公式：3、什么是液态金属的表面张力？答：液态金属和气体组成的体系中，由于表面层原子处于力不平衡状态，产生了垂直于液体表面、指向液体内部的力，该力总是力图使表面减小。
4、为什么熔点高的金属表面张力大？答：5、金属氧化的热力学判据是什么？答：△G0<0 ，△G0不仅是衡量标准状态下金属氧化趋势的判据，也是衡量标准状态下氧化物稳定性大小的一种尺度。
6、什么是氧势图？有何作用？答：氧化物的△G0-T关系图。
作用：标准状态下，金属的氧化趋势、氧化顺序和可能的氧化烧损程度，一般可用氧化物的标准生成自由焓变量△G0，分解压Po2或氧化物的生成热△H0作判据。
通常△G0、Po2或△H0越小，元素氧化趋势越大，可能的氧化程度越高。
7、金属氧化动力学的限制性环节怎么确定？答：当＞1时，生成的氧化膜一般是致密的，连续的，有保护性的，内扩散速度慢，因而内扩散成为限制性环节。
Al、Be、Si等大多数金属生成的氧化膜具有这种特性；当＜1时，氧化膜是疏松多孔的，无保护性的。
限制性环节将由内扩散变为结晶化学反应。
碱金属及碱土金属（如Li、Mg、Ca）的氧化膜具有这种特性；当》1时，氧化物十分致密，但内应力很大，氧化膜增长到一定厚度后即行破裂，这种现象周期性出现，故该氧化膜是非保护性的。
铝及铝合金的熔体净化及晶粒细化
铝及铝合金的熔体净化和晶粒细化摘要：综述了铝合金熔体净化的技术特点，重点分析了气泡浮游法、过滤法、熔剂法等几种常见的熔体吸附净化方法的工作原理和工艺改进，介绍了新型的旋转脉冲喷吹工艺、超声波净化工艺和电磁净化工艺，并展望了熔体净化工艺研究发展的趋势；综述了晶粒细化剂的发展历史及细化剂的细化机理和各种细化剂的比较，并着重介绍了新一代的Al-Ti-C晶粒细化剂。
关键词：铝合金；熔体净化；细化剂；细化机理1综述近年来铝合金材料大致向两个方向发展：一是发展高强高韧等高性能铝合金新材料，以满足航空航天等军事工业和特殊工业部门的需要；二是发展一系列可以满足各种条件用途的民用铝合金新材料。
与国外相比，我国铝合金研究的整体水平还比较落后，基础理论研究和技术装备水平及其完善程度都与国外的差距很大。
目前，铝合金研究的重点之一是研究和采用各种先进的熔体净化与变质处理方法，去除铝液中的气体和夹杂物，降低杂质含量，提高铝熔体的纯度，细化铝的晶粒从而改善铝合金的性能。
这也是可持续发展战略中废铝回收亟待解决的技术难题。
熔体净化是保证铝合金材料冶金质量的关键技术，引起企业界的广泛关注。
铝合金熔体净化的目的，主要是降低熔体中的含气量和非金属夹杂物含量。
对熔体纯洁度的要求，一般铝合金制品的含气量应小于0.15ml/100gAl，特殊的航空材料要求在0.10ml/100gAl以下；钠含量应在5ppm以下；非金属夹杂物不允许有1～5Lm尺寸的颗粒和聚集物，夹杂物含量越低越好。
可见，对铝合金熔体的纯洁度要求是非常严格的。
要达到上述要求，需采用各种先进的净化处理技术。
铝及其合金组织的微细化，可显著提高铝材的力学性能和加工工艺性能。
晶粒细化处理是使铝及其合金组织微细化，获取优质铝锭，改善铝材质量的重要途径。
铝加工工业的迅速发展促进了各种铝晶粒细化剂的开发与生产。
本文将在初步总结和分析国内外熔体净化和晶粒细化剂生产实践及文献资料的基础上，较全面地讨论各种铝合金熔体净化技术及其发展趋势，讨论各种晶粒细化剂及发展趋势。
新技术新工艺-细晶铸造
新技术新工艺--细晶铸造细晶铸造国外近二十年来集中力量发展了高温合金定向铸造和单晶铸造技术，主要是为了提高航空发动机高压涡轮叶片的高温工作能力，从而增大发动机的推力，并延长其工作寿命。
与此同时，航空发动机的恶劣工况对在中低温条件下工作的低压涡轮叶片、整体叶盘和涡轮机匣等高温合金铸件的低周疲劳寿命提出了更高要求。
但是这类铸件在普通熔模精铸工艺生产条件下，一般为粗大的树枝晶或柱状晶，晶粒平均尺寸大于4mm，较典型的为4~9mm。
由于晶粒粗大及组织、性能上的各向异性，很容易导致铸件在使用过程中疲劳裂纹的产生和发展，这对于铸件的疲劳性能尤其是低周疲劳性能极为不利，并且造成铸件力学性能数据过于分散，降低了设计容限。
随着对发动机的整体寿命和性能要求的进一步提高，改善铸件的中低温疲劳性能及其他力学性能显得十分重要。
这便导致了细晶铸造技术的产生和发展。
工业发达国家，尤其是美国和德国，早在20世纪70年代末就开展了高温合金细晶铸造技术的研究和应用，在20世纪80年代中后期该项技术发展趋于成熟，目前正在航空、航天工业领域中扩大其应用范围，如美国Howmet公司利用细晶铸造技术成功地制造了Mod5A、Mar-M247、IN713C、1N718等高温合金整体涡轮，使涡轮的低周疲劳寿命提高了2~3倍。
德国、法国在新型号航空发动机上也采用了细晶整体涡轮铸件。
国内对高温合金细晶铸造技术的研究从20世纪80年代末开始起步，经过“八五”和“九五”期间的研究和应用，我国航空制造业建立了专门的细晶铸造设备，对高温合金细晶铸造工艺进行了较系统的试验，研制了一批镍基高温合金细晶铸件，并已应用于航空发动机中，在细晶铸造研究领域内取得了重要的进展。
1 细晶铸造的特点和工艺方法1.1 细晶铸造的特点细晶铸造技术或工艺（FGCP）的原理是通过控制普通熔模铸造工艺，强化合金的形核机制，在铸造过程中使合金形成大量结晶核心，并阻止晶粒长大，从而获得平均晶粒尺寸小于1.6mm的均匀、细小、各向同性的等轴晶铸件，较典型的细晶铸件晶粒度为美国标准ASTM0~2级。
铸件宏观凝固组织的特征及形成机理
（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论： （4）“结晶雨”游离理论 液面晶粒沉降。
（2）激冷晶游离理论
非均质形核的激冷游离晶
因浇温低，浇注中形成的激冷游离晶
凝固初期形成 的激冷游离晶
（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论
状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织 ：
完全柱状晶
完全等轴晶
二、铸件宏观凝固组织的形成机理
1、表面细晶粒区的形成
• 铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无 方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。
• 细化程度取决于 • △型壁散热条件所决定的过冷度和凝固区域的宽度。 • △型壁附近熔体内大量的非均匀形核 • △各种形式的晶粒游离
•竞争淘汰
•离开型壁的距离越远，取向不 利的晶体被淘汰得就越多，柱状 晶的方向就越集中，同时晶粒的 平均尺寸也就越大。
柱状晶择优生长
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3、内部等轴晶区的形成
－－熔体内部晶核自由生长的结果
• 等轴晶晶核来源
（1）过冷熔体直接形核理论：
溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均 匀形核
（2）激冷晶游离理论 ：
型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和 增殖——理论基点为溶质再分配。
图 型壁晶粒脱落示意图
图 枝晶分枝“缩颈”的形成 a) b) c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图。 V为生长方向。d)环乙烷的枝晶，可见分枝缩颈
• 溶质浓度再分配→界面前沿液态金属凝固点降低→实际过冷度减小。 溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。 晶体根部紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，偏析程度最为严重，
金属铸锭的组织特点及缺陷
中心等轴晶粒区
柱状晶粒区成长 到一定厚度时， 散热的方向性已 不明显，内部液 体处于均匀冷却 状态，晶核在不 同方向的成长速 度相同，因此在 铸锭的中心便形 成粗大的等轴晶 粒区。
温度较低，表层
金属剧烈冷却， 过冷度大，且模 壁的异质形核作 用，故铸锭表层 形成细晶粒层。
铸锭缺陷
铸件在冷却和凝固过程中，由于金属的液态收缩和凝固收缩，原 来填满铸型的液态金属，凝固后就不再能填满，此时如果没有液 体金属继续补充，就会出现收缩孔洞，称之为缩孔。
金属铸锭 的组织特 点及缺陷
作者：跳跳龙组合 集体作品 转载请注明出处 交通1002班
跳跳龙
1、金属结晶后的组织统称铸 态组织。 2、铸锭的铸态组织是指晶粒 的形态、大小、取向及缺陷 (疏松、夹杂、气孔等)和界面 的形貌等，组织决定性能。
跳跳龙
1 2 3 4
表面细晶粒层 柱状晶粒层 中心粗大等轴晶粒层 铸造缺陷
集中缩孔、二次缩孔
分散缩孔（缩松）
集中缩孔形成过程示意图
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铸锭中的二次缩孔示意图
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铸锭的缺陷
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•铸件缺陷：缩孔、缩松、气孔、 •偏析、夹杂等。 •缩孔：结晶收缩和固态 •收缩造成 缩松(分散缩孔)：树枝状长大， 枝晶间液态没有补充
铸造工艺参数对铸锭质量的影响
铸造工艺参数对铸锭质量的影响1、冷却速度对铸锭质量的影响冷却速度指铸锭的降温速度，又称冷却强度，用单位时间内下降的温度来表示，常用单位是℃/s。
但在实际生产中，这个单位不便于控制，由于在既定条件下，各种工具和工艺条件都是预先确定的，因此生产现场多采用冷却水压或冷却水流量作为冷却速度的度量。
在连续铸造过程中，铸锭内各点在同一时刻的冷却速度以及同一点在不同时刻的冷却速度都是变化的。
(1)冷却速度对铸锭组织的影响在直接水冷半连续铸造时，随着冷却强度的增加，铸锭结晶速度提高，熔体中溶质元素来不及扩散，过冷度增加，晶核增多，因而所得晶粒细小；同时，过渡带尺寸缩小，铸锭致密度提高，减小了疏松倾向。
此外提高冷却速度，还可细化一次晶化合物尺寸，减小区域偏析的程度。
铸模的导热条件是显著影响铸锭组织的重要因素，尤其是边缘部位的组织。
图1示出了扁铸锭中枝晶网尺寸分布情况：A是铸模中金属水平高的情况；B是铸模中金属水平低的情况；C是电磁铸造的，金属不和铸模接触，完全依靠喷射到铸锭上的水流把热量带走。
图1 在不同水平铸造或电磁铸造的扁锭中的IPP分布情况(2)冷却速度对铸锭力学性能的影响。
冷却速度是决定铸锭力学性能的基本因素。
通常，随冷却速度增大，铸锭的平均力学性能得到提高。
冷却速度的这种作用主要是由下面两个原因引起的：一是随冷却速度增大，铸锭结晶速度提高，晶内结构细化；二是随冷却速度增大，铸锭过渡带尺寸缩小，铸锭致密度提高。
此外，提高冷却速度，还可细化一次晶化合物的尺寸，减小区域偏析的程度。
但是，合金成分不同，冷却速度对铸锭力学性能影响的程度是不一样的，对变形铝合金而言，大致可分为四个基本的类型：第一类是在所有温度下(从室温到熔点)均呈单相的合金，如各种牌号的高纯铝、工业纯铝、5A66、7A01等。
这些合金的铸态力学性能同冷却速度的关系不太强烈，冷却速度仅在能消除破坏金属连续性的缺陷(疏松、气孔)的极限速度之前有影响(见图2a)。
铸锭组织观察
铸锭组织观察一、实验目的1、掌握铸锭组织的结晶形态2、了解不同冷却速度下结晶形态或不同温度下的结晶形态的变化规律二、实验材料和实验设备1、纯铝2、中温加热电炉3、坩埚、切锯和钢钳等。
三、实验原理金属结晶时的过冷现象结晶，一般是指金属（或其他晶体物质）自液态向固态过渡时晶体结构的形成过程。
金属的结晶是在其液体的温度降低到熔点以下时进行的。
在“平衡结晶温度“处液体与晶体处于平衡状态。
此时液态的结晶速度与晶体的溶解速度相等，即原子自液体转向晶体的数目等于原子在晶体熔于液体的数目。
由此可见在平衡结晶温度，晶体不能进行有效的结晶。
实践证明，如欲金属结晶以显著的速度进行，则必须将液体金属冷至低于T0的某一温度，这个现象就是金属结晶时的过冷现象。
各种金属的结晶过冷（最小过冷度）都不大，通常只有几度（个别数十度），视金属种类不同。
同一金属从液态冷却时，冷却速度越大，结晶时的过冷度也越大。
实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，过冷是金属结晶的必要条件。
金属的结晶过程——晶体的形核及长大结晶是需要一定时间的，当液态金属冷却到平衡结晶温度以下时，不论其结晶速度多么快，也不可能使整个液体同时转变成固态。
结晶过程首先是在液体中产生一批晶核（或称结晶中心），并继之以长大，在它们的长大过程中，同时还有新的晶核不断从液体中产生和长大，直至全部液体都转变为固体为止。
由此可知，结晶的过程仍是由晶核的产生和长大两个基本过程所组成，而且每个过程是同时并进的。
实验证明，这乃是一切结晶过程（包括金属和非金属结晶在内）所遵循的基本规律。
上述结晶过程完成后，金属的组织便由形状不规则的小晶体所组成，这些小晶体成为晶粒，晶粒与晶粒之间的边界称为晶界。
金属组织中的晶粒大小取决于晶体结晶过程中的长大方式。
在冷却速率极小的或过冷度极小的情况下，晶粒可能保持规则的几何外形而逐渐长大，不过在结晶后期，当晶粒彼此接触时，其规则外形则被破坏，以致最后的金属结晶是由外形不同的晶粒所组成。
《金属熔炼与铸锭》课程实验指导书及实验报告撰写要求
图1 具有三个晶区的 铸锭晶粒组织示意图 纯铝的熔炼与铁模铸锭一、实验目的1、通过纯铝的熔炼与铁模铸锭，了解有色金属熔铸的一般工艺和操作知识。
2、观察铝锭横截面的铸造组织形貌，了解形成晶粒组织的三个晶区。
3、改变浇铸工艺条件，研究不同的浇铸工艺条件对铸锭晶粒组织的影响。
二、实验原理金属和合金的铸锭晶粒组织一般较为粗大，对铸件横断面稍加打磨、抛光和腐蚀，就可直接进行观察。
铸锭晶粒组织常见三个晶区形貌如图1所示。
（1）表面细等轴晶区当过热金属浇入锭模时，锭模对熔液产生强烈过冷，在模壁附近形成大量的晶核，生长成枝状细等轴晶。
同时，浇铸引起的动量对流，液体内外温差引起的热对流，以及由对流引起的温度起伏，促使模壁上形成的晶粒脱落和游离，增加凝固区内的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。
（2）柱状晶区 在表面细等轴晶区内，生长方向与散热方向平行的晶粒得到优先生长，而与散热方向不平行的晶粒则被抑制。
这种竞争生长的结果，使愈往铸锭内部晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向生长并互相接触而形成柱状晶区。
柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。
凡能阻止晶体脱离模壁和在固/液界面前沿形核的因素，均有利于扩大柱状晶区。
浇铸温度高，固/液界面前沿温度梯度大，凝固区窄，从界面上脱落的枝晶易于被完全熔化。
（3）中心等轴晶区柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离模壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多晶核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。
形成中心等轴晶区的晶核主要来源于三种途径：表面细等轴晶的游离；枝晶的熔断及游离；液面或凝壳上晶体的沉积。
凡能阻止游离到铸锭中心的晶粒完全熔化的因素，均有利于促进中心等轴晶区的形成。
铸锭的结晶过程及其组织与金属的冷却条件、浇铸时熔体的温度、变质处理条件等因素有关。
改变金属的浇铸温度对结晶过程有影响作用。
当液态金属过热越多时，浇筑后沿铸锭截面的温差越大，越有利于按顺序凝固的方式结晶，形成柱状晶组织。
有色金属熔炼与铸造
1.铸锭正常晶粒组织可分为表面细等轴区、柱状晶区和中心等轴晶区。
2.液体金属的对流可分为动量对流、自然对流和强制对流。
3.气孔形成方式可分为析出型气孔和反应型气孔。
4.连铸主要可分为立式、卧式、立弯、弧型。
二、简答题1.叙述偏析的种类。
答：显微偏析：枝晶偏析、胞状偏析、晶界偏析。
宏观偏析：正偏析、反偏析、带状偏析、重力偏析、V形偏析。
2.简述铝合金晶粒细化技术。
答：增大冷却强度：采用水冷模和降低浇温。
加强金属流动：改变浇注方式、使锭模周期性振动、搅拌。
变质处理：向金属液内添加少量物质，促进金属液生核或改变晶体生长过程的一种方法。
3.成分过冷及其导致的凝固组织特点答：在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。
随着成分过冷由弱到强，单相合金的固/液界面生长方式依次成为平面状、胞状、胞状-树枝状和树枝状四种形式，得到的晶体相应为平面柱状晶、胞状晶、胞状枝晶以及柱状枝晶和自由枝晶。
4.铝合金变质处理的目的及其机理答：目的是为了获得细小的晶粒尺寸，改善合金的铸造性能和加工性能，提高合金的强度和塑性。
机理：一是以不溶性质点存在于金属液中的非均质晶核作用；二是以溶质的偏析及吸附作用。
5.枝晶偏析和晶界偏析及其成因。
防止偏析的主要途径。
比较连铸、铁模铸锭和砂模铸锭这三种工艺的组织偏析状况。
答：在生产条件下，由于铸锭冷凝较快，固液两相中溶质来不及扩散均匀，枝晶内部先后结晶部分的成分不同，这就是枝晶偏析。
K＜1的合金凝固时，溶质会不断自固相向液相排出，导致最后凝固的晶界含有较多的溶质和杂质，即形成晶界偏析。
防止偏析的主要途径：增大冷却强度，搅拌，变质处理，采用短结晶器，降低浇温，加强二次水冷，使液穴浅平等。
连铸的偏析很低，铁模铸锭的偏析也较低，而砂模铸锭的偏析较高。
6.为什么黄铜的夹杂含量要好于紫铜。
答：黄铜含大量易挥发和氧化的锌，在熔炼温度下的蒸气压相当高。
18.金属铸锭的组织
第六节金属铸锭的工宏观组织与缺陷金属的铸态组织包括：铸态组织包括晶粒的大小、形状和取向，合金元素和杂质的分布以及铸锭中的缺陷如缩孔、气孔等等。
因此应该了解铸锭或铸件的组织及其形成规律，并设法改善铸锭或铸件的组织对铸件来说，铸态组织直接影响到它的机械性能和使用寿命；对铸锭来说，铸态组织不但影响到它的压力加工性能，而且还影响到压力加工后的金属制品的组织及性能。
一，铸锭三晶区的形成纯金属铸锭的宏观组织通常由三个晶区所组成即外表层的细品区，中间的柱状晶区和心部的等轴晶区，如图2-33所示。
根据浇注条件的不同铸锭中晶区的数目及其相对厚度可以改变（一表层细晶区表层细晶区或激冷层的形成：当高温的金属液体倒入铸型后，结晶首先从型壁处开始。
这是由于温度较低的模壁有强烈地吸热和散热作用，使靠近型壁的一薄层液体产生极大地过冷，加上模壁可以作为非均匀形核的基底，因此在此一薄层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长。
由于晶核数目很多，故邻近的晶粒很快彼此相遇，不能继续生长，这样便在靠近模壁处形成一很细的薄层等轴晶粒区。
又称为激冷区表层细晶区的形核率和厚度决定于下列因素：1. 模壁的形核能力以及模壁处所能达到的过冷度大小，后者主要依赖于铸型的表面温度、铸型的热传导能力和浇注温度等因素。
2. 如果铸型的表面温度低，热传导能力好，以及浇注温度较低的话，便可以获得较大的过冷度，从而使形核率增加，细晶区的厚度即可増大。
3. 相反，如果浇注温度髙，铸锭模的散热能力小而使其温度很快升高的活，就可大大降低晶核数目，细品区的厚度也要减小。
表层细晶区性能厚度及其他：1. 细晶区的晶粒十分细小，组织致密，力学性能很好。
2. 但由于细晶区的厚度一般都很薄，有的只有几个毫米厚，因此没有多大的实际意义。
二柱状晶区：柱状晶区由垂直于模壁的粗大的柱状晶所构成上述种种原因均使液态金属冷却减慢温度梯度变得平缓：在表层细晶区形成的同时，一方面模壁的温度由于被液态金属加热而迅速升高，另一方面由于金属凝固后的收缩，使细晶区和型壁脱离，形成一空气层，给液态金属的继续散热造成困难。
简述细化铸态晶粒的方法
简述细化铸态晶粒的方法
细化铸态晶粒的方法
细化铸态晶粒是指采用特定的方法，使铸态晶粒变小，以提高材料性能。
铸态晶粒细化的方法有：
一、熔炼工艺改变：熔炼工艺改变是指改变加热、保温、吹气、流动等过程参数，调节液态金属的温度、流动性及吹气力、分解度等，从而控制铸态晶粒的形状及尺寸。
如采用低温加热及均匀熔炼、快速冷却等，可以减少钢晶粒的大小，提高材料的性能。
二、复合铸造：复合铸造是指通过不同材料、各种合金元素、抗拉强化材料等，在一定条件下，将各种材料添加到液态金属中，形成复合铸件，以改变铸态晶粒的形状、大小、晶粒粗糙度等，提高铸件的性能。
三、铸模技术：铸模技术是指将液态金属通过铸模塑造出不同形状及结构的铸件，以改变晶粒的形状、大小及结构等，并利用施加的压力、冲击等作用，使铸态晶粒的细化。
四、冷轧工艺：冷轧工艺是指采用冷轧方法将60~70℃的铸锭进行轧制，实现晶粒的细化，使晶粒更细小，改善材料性能和力学特性。
五、外加冲击：外加冲击是指通过外部冲击作用，如振动、冲击、挤压等，使晶粒得到细化，从而改善材料性能和力学特性。
六、热处理：热处理是指将金属材料经不同的温度和时间，在特定的气氛中加热，以改变金属的组织结构和性能。
热处理过程中，也可实现晶粒的细化，改善材料的性能。
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6.1.2 柱状晶区的形成
o 在表面细等轴晶区内，生长方向（立方金属为<100>）与散热方 向平行的晶粒优先长大，而与散热方向不平行的晶粒则被压抑。 使愈往铸锭内部晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向生长并 互相接触而形成柱状晶区。如图6-2。 o 柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。
o 固／液界面前沿温度梯度大，凝固区窄，从界面上脱落的枝晶易 于被完全熔比。
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枝晶的熔断及游离
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枝晶的熔断及游离
• 枝晶熔断现象在无对流的情况下也可发生。由于杖晶缩颈处表面 张力大，熔点较低， 在固／液两相共存温度下保温，该处有可 能被熔断，此即等温粗化模型2所示情况(见图5－9)。此外，强烈 过冷形成的细小枝晶，在结晶潜热作用下，将会被熔断而形成极 细小的粒状晶。在上述两种情况下，如有对流存在，则更易形成 等轴晶。
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6.1.2 柱状晶区的形成
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柱状晶区的影响因素
o 凡能阻止晶体脱离模壁和在固／液界面前沿形核
的因素， 均有利于扩大柱状晶区。如模壁导热性 好，激冷作用强，易形成稳定的凝壳，则柱状晶 发达。合金化程度低，溶质偏斩系数小，成分过 冷弱， 晶拉或枝晶根部不易形成缩颈而被熔断， 也较易于获得挂状晶。
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3
6.1.1 表面细等轴晶区的形成
o 传统的理论认为，当过热金属浇入锭模时，与模壁接触的一层液 体受到强烈激冷，产生极大过冷，并由于模壁的形核作用，因而 在模壁附近的过冷液体中大量生核，并同时生长成柱状细等轴晶。 o 液体金属的对流对表面细等轴晶区的形成有决定性的影响。 o 浇注时流柱引起的动量对流，液体内外温差引起的热对流，以及 由对流引起的温度起伏，均可促使模壁上形成的晶核粒脱落和游 离，增加凝固区内的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。但 是，如果无对流，即使有强烈的激冷， 也不一定形成细等轴晶 区。
• 表面细等轴晶的游离
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6.1.3 中心等轴晶区的形成
•
需要指出的是，凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其 比重大于或小于液体比重，也会产生对流(图6－6)，晶体 被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。
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枝晶的熔断及游离
上图所示，枝晶长大 时，在其周围会形成溶 质偏析层，因而抑制枝 晶生长；由于此偏析层 很薄，枝晶一旦穿过该 偏析层，就会迅速生长 变粗，在偏析层内留下 缩颈。这种带缩颈的枝 晶，在对流作用下易被 熔断，其碎块游离至铸 锭中心，在温度较低的 情况下，长成为中心等 轴晶。
柱状晶区的影响因素
o 提高浇温游离晶重熔的
可能性增大，故有利于 扩大柱状晶区，见图6 － 3a 。但浇温提高延长 了形成稳定凝壳的时间， 温度起伏大，故也有利 于等轴晶的形成。所以， 随着挠温的提高柱状晶 区变宽，等轴晶极大， 如图6—4所示。
(6-3a)
(6-4)
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柱状晶区的影响因素
o 合金凝固时，由于熔质偏析产生成分过冷，促进晶体根部颈缩及 脱落，使固/液界面的前沿晶核增殖， 不利于获得柱状晶，故随 合金含量提高．柱状晶区变窄，见图6－3b 。
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柱状晶区的影响因素
o 合金凝固时，如在固 / 液界面前沿能始终保持较大的温度梯度，则 柱状晶区可延伸至铸锭中心，直至与由对面模壁生长过来的柱状晶 相遇为止，如图6-5。
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金属液内对流的影响：
o 对流的冲刷作用以及对流造成的温度起伏，会促使晶体脱落及游 离，利于等铀晶的形成。反之，如能抑制金属液内的对流，则可 促进柱状晶的形成。 o 施加稳定磁场，可消弱或抑制金属液内部的对流，阻止晶体的游 离，有利于得到柱状晶； o 沿一个方向恒速旋转锭模；
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6.1.1 表面细等轴晶区的形成
o 表面细等轴区的宽窄与浇注工艺、模温及模壁的导热能力、合金 成分等因素有关。
o 浇温高，显热的散失使模温迅速升高，形成稳定晶核数减少。脱 离模壁的晶粒少或易于被完全重溶，因而表面等轴晶区窄。 o 当模壁激冷作用过强时，细等轴晶区也变窄甚至消失。
o 合金中元素含量较高时，晶粒或枝晶根部易形成缩刭而游离，细 等轴晶区变宽。
o 定向凝固，关键是保证单向导热，保持较大的温度梯度和较小的 凝固速度。
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金属液内对流的影响：
• 柱状晶的加工性能较差，因此用于加工变形的铸锭，应减少柱状 晶。
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6.1.3 中心等轴晶区的形成
• (1) 等轴晶晶核的来源 均质生核形成中心等轴晶区：中心等轴晶区是在柱状晶区包 围的残余液体中，同时过冷生核而形成的。从热力学观点看， 均质生核需要较大的过冷度，这在一般铸锭条件下是难以满 足的。因此，均质生接形成中心等驯品区的观点早已被否定。 成分过冷引起中心非均质生核：当出现成分过冷时， 由于固 /液界面处过冷度最小，柱状晶生长被抑制，而界面前沿过冷 度较大的地方，利于非均质生核而形成等轴晶区。
(2)
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6.1.3 中心等轴晶区形成
公认的形成中心等轴晶区的方式有三种，即： • 表面细等轴晶的游离； • 枝晶的熔断及游离； • 波面或凝完L晶体的沉积。 • 凝固初期在模劈附近形成的晶体，由于其比重大于或小于液体比 重，也会产生对流，晶体被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。
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6.1.3 中心等轴晶区的形成
铸锭晶粒组织及其细化
6.1 铸锭正常晶粒组织 6.2 铸锭异常晶粒组织 6.3 晶粒细化技术
6.1 铸锭正常晶粒组织
o 铁模铸锭的晶粒组织常由三个区域组成： o 表面细等轴晶区（激冷晶区） o 柱状晶区 o 中心等轴晶区
图 6-1 具有三个晶区的铸锭 晶粒组织示意图
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6.1 铸锭正常晶粒组织
o 并非所有铸锭晶粒组织都是由上述三个晶区组成的。如在不锈钢 铸锭中，往往全部是柱状晶，没有中心等轴晶区，而经细化处理 的铝合金铸锭中，往往全部为等轴晶，没有柱状晶区。 o 即使铸锭具有上述三种晶区，但各自的宽窄也会因合金、铸锭方 法和工艺的不问而不同。 o 在同一铸锭条件下，纯金属多形成柱状晶， 合金则常形成粗等 轴品。 o 对于同一合金，用冷却强度大的连铸方法，易于形成细长柱状晶， 用铁模铸锭时可得到粗等轴晶或柱状晶。
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枝晶的熔断及游离
枝晶根部形成缩颈 后逐渐熔化及游离。