铸造凝固组织及其控制

4.1铸锭/坯的凝固组织
• 表面激冷层区的形成
一旦型壁附近的晶粒互
相连结而构成稳定的凝固壳
层，凝固将转为柱状晶区由 外向内的生长，表面激冷细 晶粒区将不再发展。因此稳 定的凝固壳层形成得越早，
表面细晶粒区向柱状晶区转
变得也就越快，表面激冷区 也就越窄。
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 柱状晶区的形成
柱状晶区开始于稳定凝固壳层的
4.1铸锭/坯的凝固组织
目前比较统一的看法是内部等轴晶区的
形成很可能是多种途径起作用。在一种情况
下，可能是这种机理起主导作用，在另一种
情况下，可能是另一种机理在起作用，或者
是几种机理的综合作用，而各自作用的大小
当由具体的凝固条件所决定。
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 关于偏析问题 • 显微偏析：发生在一个或几个晶粒范围内。可以分为： • 枝晶偏析 • 晶间偏析 • 晶界偏析 • 胞状偏析 • 宏观偏析：铸坯宏观范围的这一部分和那一部分。可 以分为： • 正常偏析 • 反常偏析 • 比重偏析
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 比重偏析 • 在一个铸件（铸锭/坯）中，经常发现上下部分之间 成分显著差异。 • 原因： • 垂直方向顺序结晶的正常偏析 • 整体凝固均匀时的中间等轴晶带产生 • 后者原因： • 固液相间的成分、比重发生差异，结晶过程出现 了比重差异 • 由于结晶过程浮沉现象造成的成分差异，即比重偏析
• 同时，发生较强的自然 对流。使内部液体比较 迅速的冷却 • 温度梯度变成曲线（2）
铸锭/坯的凝固组织
• 铸锭的冷凝过程（作为了 解铸坯组织的参考） • 此时，四周温度梯度变 缓，中心温度下降至结 晶温度 • 过去的时间内，大量形 核，形成细小等轴晶外 壳 • 随着外壳形成收缩，形 成气隙，传热变慢，枝 晶生长
钢液表面张力； r 气泡半径
4.3凝固过程的气体
研究表明：形成气泡尺寸r决定于：
式中，
)R( xl xs ) 1 r [ ] 2 H Pg r (

凝固收缩系数； 钢液粘度；
R 树枝晶生成速度； xl xs为两相区宽度
由上式可知，溶解气体析出成气泡主要是与以下因素 有关： • 凝固收缩 • 结晶速度
距离
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 原因： • 在出现树枝晶的条件下，枝晶尖端部分孤立深入正面 液体中，正面的界面很小，而枝晶之间残留大量液体， 所以枝晶要依靠与枝晶主轴垂直的方向扩散而扩展凝 固界面。相比之下，纵向的扩散较小，
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 柱状枝晶之间的溶质浓度越来越高，熔点越来越低，因 此凝固时间会很长，凝固区就很大。 • 在特殊情况下，柱状枝晶已经深入到中区，但外缘还没 有封闭严实，柱状枝晶之间还有微笑隧道或者暗道，这 是外部冷却是产生收缩或者凝固收缩而产生负压区。 • 这时，内部柱状枝晶间的富集溶质或者杂质的液体会往 外流 • 这种方式在钢铁中不常见
产生，而结束于内部等轴晶区的
形成。因此柱状晶区的存在与否 及宽窄程度取决于上述两个因素 综合作用的结果。如果在凝固初 期就使得内部产生等轴晶的晶核，

将会有效地抑制柱状晶的形成。
铸
型
液 态 金 属
柱状晶生长过程的动态演示
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4.1铸锭/坯的凝固组织
• 中心等轴晶区的形成
•“成分过冷”理论 • 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论 • 枝晶熔断及结晶雨理论
4.2凝固过程的非金属夹杂物
• 非金属夹杂物破坏钢基体的连续性，影响钢的质量。 • 控制非金属夹杂物应从两方面入手： • 尽量使夹杂物上浮 • 控制夹杂物形态、粒度、分布等
4.3 凝固过程的气体
• 凝固过程中溶解的[H]、[N]析出；溶解[C]、 [O]化学反应析出CO。 • 钢中氢明显降低钢的塑性，是产生白点缺陷 的根源； • 钢中氮会增加钢的变形阻力，降低钢的塑性 和韧性，同时还会增加钢的时效倾向； • 钢中氧会使钢中氧化物夹杂物含量增加，使 机械性能下降。
铸锭/坯的凝固组织
• 形成枝晶的同时，伸出二 次枝晶，导致枝晶相互拥 挤，肩并肩向前发展，成 为柱状晶区。 • 柱状晶主枝平行于特定晶 体学方向和热流方向，垂 直于模壁
铸锭/坯的凝固组织
铸锭/坯的凝固组织
• 当枝晶末端向前延伸，将 达到中心时，温度梯度变 缓，发生枝晶萎缩 • 甚至末端脱落，流入中心
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 导致比重差异的原因： • 固体比液体比重大，晶体下沉，液体上浮。产生结 晶雨 • 异分结晶时，固相的比重不一样，大者下沉，小者 上浮
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 宏观偏析的大小，用宏观偏析量表示
C C0 B 100% C0
• 式中： B-宏观偏析量 C-测量点的溶质浓度 C0-钢水的原始溶质浓度
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 从钢的性能角度看， 希望得到等轴晶的凝固结构。 • 等轴晶组织致密；强度、塑性、韧性较高，加工性能 良好；成分、结构均匀，无明显的方向异性。 • 而柱状晶的过分发展影响加工性能和力学性能。柱状 晶有如下特点： • （1） 柱状晶的主枝干较纯， 而枝间偏析严重。热 变形后由于枝晶偏析区被延伸， 使组织带有带状特 征。这样使钢的力学性能具有明显的方向性， 特别 是钢的横向性能降低。 • （2） 由于杂质（ 夹杂物）的沉积，在柱状晶交界 面构成了薄弱面，是裂纹易扩展的部位， 加工时易 开裂。 • （3） 柱状晶充分发展时形成穿晶结构， 出现中心 疏松， 降低了钢的致密度
4.1铸锭/坯的凝固组织
为什么纯金属几乎得不到 等轴晶而溶质浓度大的合 金容易得到等轴晶呢?
型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离 a) 晶体密度比熔体小的情况; b) 晶体密度比熔体大的情况
4.1铸锭/坯的凝固组织
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。
4.3凝固过程的气体
• 凝固过程气体的富集 • 在凝固过程中，由于气体溶解度的降低， [H]、[N]要在树枝晶母液中富集。 • 在凝固温度时，N的分配比：
K 0.38, 则N的富集浓度为： C0 Cl (1 g s ) 0.62 [ N ]在铁中的平衡常数为（ 1525 C） [%N ] KN 0.045 PN 2
4.1铸锭/坯的凝固组织
•“成分过冷”理论
该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐
渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越
来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。当成分过 冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成 。
铸锭/坯的凝固组织
• 铸锭的冷凝过程（作为了 解铸坯组织的参考） • 钢水进入锭模，靠近模 壁的钢水收到激冷，液 体中即刻出现陡峭的温 度梯度，曲线（1）
4、铸造凝固组织及其控制
北 京 2009
主要内容
4.1 4.2 4.3 4.4 铸锭/坯的凝固组织 凝固过程的非金属夹杂物 凝固过程的气体 凝固收缩
4.1 铸锭/坯的凝固组织
• 金属液体浇注成固体，一般分为三种 形式： • 铸件 • 铸锭 • 铸坯（对钢水而言，即钢坯）
4.1 铸锭/坯的凝固组织
• B>0，为正偏析；B<0，为负偏析
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 宏观偏析的影响因素： • 钢液的冷却速度：冷却速度越快，选分结晶越得到控 制，母液中溶质的扩散减少 • 铸坯断面：小断面可减少宏观偏析 • 钢液的流动：通过各种方法控制钢水流动可减少宏观 偏析 • 搅拌：通过电磁搅拌等可打碎枝晶，细化晶粒 • 工艺因素：如降低浇注温度，降低注入速度，防止铸 坯变形，等等 • 杂质溶质的含量：减少磷、硫含量等等
4.2 凝固过程的非金属夹杂物
• 由于凝固偏析使树枝晶间的液体某些元素富集，当合 金元素（如Si、Mn、Al）与液态金属中富集其他元 素（如S、O）发生化学反应，生成化合物（如硫化物 和氧化物）而封闭在树枝晶之间残留于钢中。 • 形成过程： • 选分结晶导致溶质（包括金属、非金属）的富集 • 富集后浓度很高的元素之间发生反应形成化合物 • 化合物增多，聚集成为夹杂物 • 夹杂物部分上浮，未上浮的夹杂物形成凝固夹杂物
4.1铸锭/坯的凝固组织
游离晶体的生长、局部熔化与增殖
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 枝晶熔断及结晶雨理论
生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖
导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断”理论。 液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体 中，下落过程中也发生熔断和增殖，是铸锭凝固时内部等 轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨”理论。
4.1 铸锭/坯的凝固组织
• 钢锭的宏观组织
内部等轴晶区 表层急冷晶区
激冷晶区的晶 粒细小;
柱状晶区的晶 粒垂直于型壁排 列，且平行于热 流方向. 内部等轴晶区 的晶粒较为粗大;
中间柱状晶区
4.1 铸锭/坯的凝固组织
几种不同类型的铸件宏观组织示意图 （a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶
4.3凝固过程的气体
• 若[H]的平衡分配比K＝0.27，则母液中[H] 的富集浓度近似表示为：
Cl C0 (1 g s )0.73 (B)
[H]在铁中平衡常数（ 1525 C）为： KH [ ppm H] 25.3 PN 2
若钢液含有0.5%Mn、0.01%[O]、20~50ppm[N]、2-5ppm[H]， 在1525℃时，由上述式子（A）和（B）计算出平衡分压PN2、 PH2与gs的关系，如图。
4.3凝固过程的气体
4.3凝固过程的气体
• 凝固过程气体的析出 • 溶解气体为双原子，其溶解度服从于西华特 定律：
Vs K s Pg Vl K l Pg
式中：
Vs、Vl为固、液中气体溶解度；
Pg为溶解气体的平衡分压； Ks、Kl分别为固、液相的平衡常数。
4.3凝固过程的气体
由质量守恒： Vs (1 gl ) Vl gl V0
• 两相区尺寸有关。
4.3凝固过程的气体
• 凝固时C-O反应生成CO气泡
• 理论分析表明：对于一定的Si、Mn、O含量的钢，具有 临界C-Si含量。在临界C-Si含量以上凝固时不形成CO，以 下则形成CO。参见图：
C-Si临界曲线
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 正常偏析 • 按照异分结晶一般规律进行凝固，由此产生的偏析即 为正常偏析 • 分四种情况： • 平衡态凝固 • 液态均匀，固态不发生扩散 • 液态不均匀，固态也不扩散 • 液态和固态均有一定程度但不达到平衡的扩散
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 反常偏析 • 虽然合金凝固过程中，结晶由外向内循序进行，但在 表层一定范围内，溶质浓度由外向内逐步降低，与正 常偏析正好相反 • 是特殊结晶条件下发生的现象 浓度
铸锭/坯的凝固组织
• 同时，中心温度降低，组分过冷导致中心大量形核， 由于温度均匀，所以有利于等轴晶长大
4.1铸锭/坯的凝固组织
等轴晶
等轴晶
不锈钢 筛网
a) 7500C水淬,摇动
b) 在坩埚中置一不锈钢筛网 大野笃美的实验
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
在浇注的过程中及 凝固的初期激冷, 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
式中： V0为液相中原始气体含量； gl为残留液体分率。
前两式代入第三式，并令K=Ks/Kl得：
V0 Pg [ gl (1 K ) K ]2
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4.3凝固过程的气体
当Pg等于金属静压力和生成气泡需克服得毛细管压力时，气泡 就能生成：
2 r 式中，P0 为大气压力； 钢液密度；H 钢液面高度； Pg P0 H
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 细小等轴晶粒层 • 由许多细小的等轴晶粒组成，是液体刚接触 模壁激冷时大量形核的结果，很窄，难于分 辨 • 柱状晶层 • 紧邻细小晶粒外壳，由粗大的长柱状的晶粒 组成。是定向结晶的产物。从外形看，各柱 状晶长轴大致与模壁垂直，表现出几何取向 的一致性。 • 中间等轴晶层 • 由粗大的、各方向尺寸几乎一致的晶粒组成， 晶粒尺寸大于细小等轴晶。