2022-03-27 07:21:32

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铸态组织是指金属(多指合金)材料在熔炼过程中,从金属熔体转变为固体(浇铸)后形成的微观组织。铸锭的铸态组织指晶粒的形态、大小、取向及缺陷(疏松、夹杂、气孔等)和界面的形貌等。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。

基本信息

  • 中文名

    铸态组织

  • 外文名

    cast structure

  • 组织

    多指合金

  • 包含

    晶粒的形态、大小、取向

  • 应用领域

    冶金

  • 组成

    表面细晶粒区、柱状晶粒区等

折叠 编辑本段 铸态组织的形成

如果将一个金属铸锭剖开,可以看到,典型的剖面具有不同特征的三个晶区,如下图所示。

1、表面细晶粒区

液态金属浇入锭模时,与冷的模壁接触的一部分金属液体被迅速冷却,因此在较大过冷度下结品,形成一层很薄的细晶粒表层。

2、柱状晶粒区

由于外层已形成一层热的壳,铸锭内部的温度较高,晶核较难形成,因此表面层的晶粒便向内生长。次层晶粒生长时,因为受到相邻晶粒的限制,只能沿散热相反方向向内生长,所以形成了垂直于模壁的柱状晶粒层。

3、中心等轴晶粒区

随着柱状晶的生长,铸锭内部的液体都达到了结晶温度,形成了许多晶核;同时向各个方向生长,阻止了柱状晶的继续发展,因而在铸锭中心部分形成了等轴的晶粒。由于中心部分冷却较慢,因此晶粒也较粗大。如果冷却速度很快,柱状晶就会迅速向中心发展,贯穿整个铸锭,这种组织叫穿晶组织。

折叠 编辑本段 铸态组织性能

铸锭中三层不同的铸态组织具有不同的性能。

表面细晶粒区的组织较致密,故力学性能较好。但在铸件中,表面细晶粒区往往很薄,所以除对某些薄壁铸件具有较好的效果外,对一般铸件的性能影响不大。柱状晶粒区的组织比较致密,不像等轴晶粒那样容易形成显微缩松,但在垂直于模壁处发展起来的两排相邻的杜状晶的交界面上(例如铸锭横截面上的对角线处,如下图所示)。

强度、塑性较差,且常聚集了易熔杂质和非金属夹杂物,形成一个明显的脆弱面,在锻、轧加工时,可能沿此脆弱面开裂。因此,对塑性较差的黑色金属来说,一般不希望有较大的柱状晶区。对纯度较高、不含易熔杂质、塑性较好的有色金属来说,有时为了获得较为致密的铸锭,反而要使柱状晶区扩大。另外,在某些场合,要求零件沿着某一方向具有优越的性能,也可利用柱状晶沿其长度方向性能好的优点,使铸件全部成为同一方向的柱状晶组织,这种工艺称为定向凝固。例如,用定向凝固方法制成的涡轮叶片较用一般方法制成的涡轮叶片,使用寿命有显著提高。

等轴晶粒各个方向的性能较为均匀,无脆弱的分界面,取向不同的晶粒互相咬合,使裂纹不易扩展,故生产中常希望得到细小的等轴晶粒。但是,等轴晶区的组织比较疏松,因此力学性能较低。金属的铸态组织还与合金成分和浇往条件等因素有关。一般提高浇注温度,提高铸模的冷却能力和定向性散热等均有利于柱状晶区厚度的增加。浇注温度低、冷却速度慢、散热均匀、变质处理和附加振动搅拌等都有利于等轴晶区的发展。尤其是加入有效的形核剂和附加振动等,能使铸件获得细小的等轴晶粒组织。

折叠 编辑本段 铸态组织的控制

折叠 不同晶区大小的控制

铸态金属的宏观组织大致由柱状晶、等轴晶或二者混合组成。柱状晶对铸锭性能影响很大,柱状晶晶粒之间的界面比较平直,彼此结合不强。在柱状晶区交接处,往往存在着低熔点共晶组织、夹杂物、气孔和缩松,还可能出现晶间裂纹,是铸锭脆弱的地方,这些脆弱面构成所谓"弱面",下图为紫铜扁锭出现的明显弱面。

当铸锭承受冷热加工时,容易沿此处开裂,柱状晶本身的方向性也降低铸锭的力学性能和加工性能。因此,用于加工变形的铸锭,一般希望柱状晶区尽可能小,特别不希望出现粗大的柱状晶组织。但柱状晶由于枝晶不太发达而较细密,故其本身强度较高。对于某些耐热合金的高温构件(如燃气轮机叶片等),采用定向凝固技术得到柱状晶组织,可显著改善其耐热性能。等轴晶的特点是没有明显的弱面,各个晶粒的取向不同,其交界处互相搭扣,在加工时不易开裂,这一点对铸锭和铸件都十分重要。

折叠 晶粒细化

金属凝固后的晶粒大小对铸锭或铸件的性能有显著影响。细等轴晶组织各向异性小。加工时变形均匀。同时,易于偏聚在晶界上的杂质,夹渣及低熔点共晶等分布更为均匀。因此,具有细小等轴晶的铸锭或铸件,其加工性能和使用性能均较好。晶粒的大小一般采用晶粒度等级来表示,一级晶粒度最粗,平均直径为0.25 mm,八级最细,平均直径为0.02 mm。通常在放大100倍的合金显微镜下用标准晶粒度等级进行比较评级。

1、加强金属流动

等轴晶的形成与晶粒或枝晶的脱落及游离密切相关。随着液体金属流动的加强,金属液能更好地与模壁接触,有效地发挥模壁的激冷效果,温度起伏和对流的冲刷作用,可增加游离小晶体的数目。

实际生产中采用不同的方法来加强金属的流动:

一是改变浇注方式。例如由底注改为顶注或多浇口顶注,可使晶粒显著细化。

二是使锭模周期性振动。通常采用机械方法使锭模作周期性振动。振动的主要作用在于使金属液与模壁或凝壳之间产生周期性的相对运动,从而加速晶体的游离,达到细化晶粒的的目的。

2、变质处理

变质处理是指向液体金属中添加少量物质,促进金属液生核或改变晶体生长过程的一种方法。所添加的物质称为变质剂。对于加工用合金材料,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、杂质等第二相的形态和分布状况。对于铸造合金,变质处理主要是为了细化第二相或改变其形态及分布状况。通过变质处理,可改善合金的铸造性能和加工性能,提高合金的强度和塑性。因此,变质处理是铸锭和铸件生产中广泛采用的一种方法。

作用机理如下:

一是变质剂起非均质晶核(即外来晶核)作用。对于这一类变质剂一般要求符合点阵匹配原则,即要求变质剂或变质剂与基体金属反应形成的化合物(以BnMm表示),与细化相有界面共格性,两者点阵错配度要小(δ≤5%),其相应晶面上的原子排列方式相似,原子间距相近。同时还要求变质剂或其产物BnMm稳定,熔点高,在液体金属中分布均匀。另外,变质剂的加入量要少,以免影响合金成分。

二是变质剂的偏析和吸附作用。在变质剂完全溶解于液态金属且不生成化合物的情况下,变质剂象溶质一样,在凝固过程中产生偏析而使液一固界面前沿液体的平衡液相线温度降低,界面处成分过冷度减小,致使界面上晶体的生长受到抑制,枝晶根部出现缩颈而易于脱落游离。与一般溶质不同的是,变质剂能显著强化上述过程,并借助于对流使游离晶体数目显著增加,晶核增殖作用也更强。同时,由于变质剂易于偏析和吸附,故阻碍晶体生长的作用也更明显。因此,往往只需加入少量的变质剂,就能显著细化晶粒。

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