第五章 铸件凝固组织的形成及控制

加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的
一种工艺方法。
孕育( Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细
化晶粒；而变质（Modification）则是改变晶体的生长机理， 从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶 形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采 用的则是孕育方法。
十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形
成机理。
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（二） 表面激冷区及柱状晶区的形成
表面激冷区的形成 柱状晶区的形成
表面激冷区的形成 浇注时液流的冲刷和浇
注结束液体内外温度场 引起的对流，引起晶体 传统理论：型壁附近熔体由于 脱落和增殖 受到强烈的激冷作用，产生很大 溶质再分配引起的颈缩
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
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。
二、 铸件宏观结晶组织的控制
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。如：采用很强的生核剂
时，可使整个铸件断面获得细等轴晶。
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 。
图5-5 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
7) 可以实现浇注过程合金化。
技术原理： 通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、
晶体学和热作用，强制金属液生核，并改变铸型中 金属液的温度分布，从而改变金属凝固方式。
适用范围： 各种铸钢件、铸铁件、及有色合金件。
不需要特殊设备，仅要求简单辅助工装。
二、孕育处理
孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添
的过冷度而大量非均质生核,各
种形式的游离晶粒也是形成表面 细等轴晶的“晶核”来源。这些 晶核在过冷熔体中采取枝晶方式 生长，由于其结晶潜热既可从型
壁导出，也可向过冷熔体中散失，
从而形成了无方向性的表面细等 轴晶组织。
无对流时，即使冷却速度很大也 不出现表面细晶层。 一旦型壁附近的晶粒互相连结而大野笃美Al-0.1%Ti750℃浇注到 用冰水激冷的薄壁不锈钢杯中， 铸锭外部为柱状晶。 构成稳定的凝固壳层，凝固将转为
就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着
溶质及杂质偏析时)。柱状晶相碰的地带溶质及杂
质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的
横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中
易成为集中的腐蚀通道。
柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性 材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方 向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状 晶的零件反而更具优点。 如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织
铸型涂覆层的处理
1.铸型涂覆剂与铸件金属同种材料。
2.铸型涂覆层与铸件金属具有相似的晶体结
构。 3.挥发性涂料。促使等轴晶从型壁脱落及使 枝晶破碎。
三、动力学细化
1．铸型振动
2．超声波振动 3．液相搅拌
4．流变铸造
1．铸型振动
在凝固过程中振动铸型可使液相
和固相发生相对运动，导致枝晶
促使界面前沿熔体内的非匀质ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ核 成分过冷，溶质富集会抑制晶体生长速度，使晶粒细化。
合金种类 碳钢及合金钢
孕育剂主要组元 Ti V
加入量wt% 0.1~0.2 0.06~0.30
加入方法
铁合金
B
铸铁 Si-Fe， Ca, Ba, Sr Ti, Zr , Ti+B, Ti+C P Zr, Zr+B, Zr+Mg, Zr+Mg+Fe+P WC, NbC
破碎形成结晶核心。离心铸造时
若周期改变旋转方向可获得细小 等轴晶，说明液相和固相发生相 对运动所起的细化晶粒作用。
振动还可引起局部的温度起伏，
有利于枝晶熔断。
振动铸型可促使“晶雨”的形成。
立式离心铸造机
2．超声波振动

超声波振动可在液相中产生
空化作用，形成空隙，当这些空
隙崩溃时，液体迅速补充，液体 流动的动量很大，产生很高的压 力。当压力增加时凝固的合金熔 点温度也要增加，从而提高了凝
冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等
浇注方式
轴晶的形成。但必须注意不要因此而 引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸 件产生相应的缺陷。
铸型中间浇注 单孔上注 沿型壁六孔浇注 图5-8 不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织
水流冷却的斜板浇注方法 低温铸造
冷却条件的控制
控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，
孕育剂作用机理
孕育剂含有直接作为非自发生核的物质 孕育剂能与液相中某些元素反应生成较 稳定的化合物而产生非自发生核
孕育主要起非
自发形核作用
在液相中造成很大的微区富集而迫使结 晶相提前弥散析出而生核
含强成分过冷元素的生核剂
通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生
缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。
思路: 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和
各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综 合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就 是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶 粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将
抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，
传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织
液态金属在特殊条件下的凝固成形
一、快速凝固 二、定向凝固
一、 快速凝固
（一）快速凝固简介
（二）快速凝固方法 （三）快速凝固显微组织
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。
铸型冷却能力的双重性！
柱状晶区的形成
稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶
就直接由表面细等轴晶凝固层某些
晶粒为基底向内生长，发展成由外
向内生长的柱状晶区。枝晶主干取 向与热流方向平行的枝晶生长迅速 ， 并且抑制取向不利的晶体生长，这 个互相竞争淘汰的晶体长大过程称
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。
等轴晶 等轴晶
不锈钢筛网
料斗
悬浮浇注法是在浇注
过程中将一定量的
固态金属颗粒加
离心集液包
入到金属液中，从
而改变金属液凝固过 程，达到细化组织、 减小偏析、减小铸造
直浇道
应力的目的的一种工
悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统
艺方法。
悬浮浇注法的特点
1) 显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力
学性能均匀性； 2) 减小凝固收缩，使冒口减小15～35%； 3) 减少缩松，提高铸件致密性； 4) 减小铸造应力，减小铸件热裂倾向； 5) 改善宏观偏析； 6) 提高凝固速度，改善铸型受热状况；
从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高
的冷却速度R可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力
而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。 对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。 对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶 的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。 悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的R的要求。
并细化等轴晶组织。
一、合理地控制浇注工艺和冷却条件 二、孕育处理
三、动力学细化
合理的浇注工艺
冷却条件的控制
合理的浇注工艺
合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得 及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇
浇注温度
注温度将降低液态金属的流动性，导致
浇不足和冷隔等缺陷的产生。
通过改变浇注方式强化对流对型壁激
铜合金 镍基高温合金
0.02~0.04
表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况
孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）
几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现 孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。
孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本 在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完
成熔化过程，或与合金液反应生成化合物，起细化 身，而且也与孕育处理工艺密切相关。 作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿， 一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂 逐渐达到最佳的细化效果。 均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。 当细化效果达到最佳值时浇注是最理想的，随合金 孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量 熔化温度和孕育剂种类的不同，达到最佳细化效果 所需要的时间也不同。 和具体的处理方法来选择。
第五章 铸件凝固组织的形成与控制
一、铸件宏观凝固组织的特征及形 成机理
二、铸件宏观凝固组织的控制
一、铸件宏观凝固组织的特 征及形成机理
（一） 铸件的宏观组织
（二） 表面激冷区及柱状晶区的形成 （三） 内部等轴晶的形成机理
（一） 铸件的宏观组织
内部等轴晶区
表层急冷细晶区
激冷晶区由无 规则的细小等轴 晶组成; 柱状晶区的晶 粒垂直于型壁排 列，且平行于热 流方向.
4．流变铸造

这种细小圆整的半固 流变铸造又称半固态铸 态金属浆液由于具有 造，这种方法是当液体金 较好的流动性而容易 属凝固达50～60％时，在 成形。因为它的温度 氩气保护下进行高速搅拌， 远低于液相线温度， 使金属成为半固态浆液， 所以对于黑色金属的 将半固态浆液凝固成坯料 压铸件来说，能大大 或挤压至铸型凝固成形。 减轻金属对模具的热 其固态晶体随搅拌转速的 冲击，提高压铸模具 增加趋于细小而圆整，机 的寿命，扩大黑色金 械性能显著提高。 属压铸的应用范围。
柱状晶生长过程的动态演示
铸
型
液 态 金 属
柱状晶生长过程的动态演示
（三） 内部等轴晶的形成机理
“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
“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
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。
图5-6 晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离
图5-7 游离晶体的生长、局部熔化与增殖
固过冷度，造成形核率的提高，
使晶粒细化。
3．液相搅拌
采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固
相的运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的
目的。
连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量， 例如去除夹杂物、消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连 铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的铸坯以及浇铸质量要 求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。
为“晶体的择优生长”。
柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产
生，而结束于内部等轴晶区的形成。 如果界面前沿始终不利 于等轴晶的形成与生长， 因此柱状晶区的存在与否及宽窄程 柱状晶区就可以一直延 度取决于上述两个因素综合作用的 伸到铸件的中心，直到 与对面型壁生长出的柱 结果。如果在凝固初期就使得内部 状晶相遇为止，从而形 产生等轴晶的晶核，将会有效地抑 成“穿晶组织” 制柱状晶的形成。
0.005~0.01
0.1~1.0， 与Si-Fe复合 Ti:0.15; Zr:0.2； 复合:Ti0.01 B或C0.05; ≥0.02 铁合金 Al-Ti, Al-Zr,Al-Ti-B, Al-Ti-C中间合金 Al-P，Cu-P，Fe-P 中间合金 纯金属或中间合金 碳化物粉末
铝合金 过共晶Al-Si合金
中间柱状晶区
内部等轴晶区 的晶粒较为粗大， 各向同性;
图5-2 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
大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得
各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件
抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成 和等轴晶细化。