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    巨人铸件:怎样控制铸件的晶粒组织?

    类别:技术文章   发布时间:2020-05-18 13:45:33   浏览:

    一、合理控制热学条件

    1.较低的浇注温度

    大量试验及生产实践表明,适当降低浇注温度可以有效减少柱状品区比例,从而获得细小等轴品组织,尤其是对于导热性较差的合金而言,效果更为明显。较低的浇注温度一方面有利于减少液态金属由于高温而引起的晶粒重熔的数量,使得先期形成的晶粒更多地存留下来;另方面,液态金属过热温度的降低也有利于产生较多的游离晶粒。这两方面的作用均有利于押制柱状品的成长和等轴晶的细化。但是,浇注温度太低会引起液态金属流动性严重下降,导致铸件产生浇不足或冷隔、夹杂等缺陷。

    2.适当的浇注工艺

    根据前面所述的型璧晶粒脱落与游离理论,等轴品品核主要来源于浇注期间和凝固初期激冷晶粒的游离。因此,凡是促进液体金属对流及其对型壁冲刷作用的因素均能增加等轴晶数量,扩大等轴晶区并细化其尺寸。

    3.铸型性质

    1) 铸型的冷却能力

    铸型激冷能力对凝固组织的影响与铸件壁厚及液态金属的导热性有关。对于薄壁铸件而言,激冷可以使整个断面同时产生较大的过冷。铸型材料蓄热系数越大,液态金属就能获得较大的过冷,形核能力越强,有利于促进细小等轴晶组织的形成。对于壁厚较大和导热性较差的铸件而言,只有型壁附近的金属才受到激冷作用,因此等轴晶区的形成主要依靠各种形式的游离晶粒。在这种情况下,铸型冷却能力的影响具有双重性:一方面,冷却能力较低的铸型,能延缓铸件表面稳定凝固壳的形成,有助于凝固初期激冷晶粒的游离,增加等轴晶数量;另一方面,铸型冷却能力低减缓了液体过热热量的散失,不利于游离晶粒的存留和增加等轴晶数量。通常,前者起主导作用。因此,在一般生产过程中,除薄壁铸件外,采用金属型比砂型铸造更易获得柱状晶,特别是高温浇注时更为明显。砂型铸造所形成的等轴晶粒比较粗大。如果存在有利于非均质形核与晶粒游离的其他因素,如强形核剂的存在、低浇注温度、促进枝晶缩颈及强烈的液体对流与搅拌等足以抵消其不利影响,则无论是金属型还是砂型铸造,皆可获得细小的等轴晶组织。当然,在同样条件下金属型铸造获得的等轴晶更为细小。

    2) 液态金属与铸型表面的润湿角

    大野笃美的试验表明,液态金属与铸型表面的润湿性好,即接触角小,则在铸型表面易于形成稳定的凝固壳层,有利于柱状晶的形成与生长。反之,则有利于等轴晶的形成与细化。

    3) 铸型表面的粗糙度

    研究表明,铸型表面粗糙度提高,不利于柱状晶生长,使柱状晶区减小,而等轴晶区扩大。

    二、向合金熔体中加入形核剂

    向合金熔体中加入形核剂(对于铸铁生产则称为孕育剂)是控制形核、细化晶粒组织的重要方法之一。

    (1) 直接作为外加晶核的形核剂。这种形核剂通常是一些与欲细化相具有界面共格对应关系的高熔点物质或同种金属颗粒。它们在液态金属中可直接作为欲细化相的有效衬底而促进非均质形核。如在高锰钢中加人锰铁,在高铬钢中加人铬铁都可以直接作为欲细化相的非均质晶核,从而细化晶粒并消除柱状晶组织。又如,向铝合金熔体中加人Al-Ti 及Al-Ti-B 中间合金,可以显著细化铝合金结晶组织。

    (2) 通过反应可形成异质晶核的形核剂。形核剂中的元素能与液态金属中的某些元素(最好是欲细化相的原子)反应生成较稳定的化合物,这些化合物与欲细化相具有界面共格对应关系而能促进非均质形核。如钢中的V.Ti 就是通过形成能促进非均质形核的碳化物和氮化物而达到细化等轴晶的目的。在这种情况下,构成包晶反应的形核剂具有特别大的优越性。

    (3) 形成瞬时局部形核条件的形核剂。如把硅铁加人铁液中瞬时间形成了很多富硅区,造成局部过共晶成分迫使石墨提前析出。而硅的脱氧产物二氧化硅及硅铁中的某些微量元素形成的化合物可作为石墨析出的有效衬底而促进非均质形核。

    (4)促进枝晶熔断和游离的形核剂。这类形核剂是作为溶质加人合金液中的。它很容易在枝晶根部富集而形成缩颈,从而促使晶粒的游离与增殖。溶质富集程度与裕质分配系数k有关。对于溶质分配系数k<1的合金,k越小,溶质富集程度越大,溶质元素对晶粒的细化作用越大:对于k>1的合金来说,k越大,溶质富集程度越大,溶质元素对晶粒细化作用也越大。可以用偏析系数|1-k|来衡量溶质元素对晶粒细化作用的大晶粒细化作用的大小。偏析系数|1一k|大的元素,在凝固时引起的偏析越大,它们对晶粒的细化作用也越大。

    三、动力学细化

    在结品过程中,采用某些物理方法,如振动(通过机械。超声波方法),搅拌(通过机械、电磁方法)或铸型旋转等,均可以引起液相与固相的相对运动,导致枝晶的破碎、增殖,在液相中形成大量晶核,有效地减小或消除杜状晶区,细化等轴晶组织。

    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,便可说明液相和固相发生相对运动所起的细化作用。振动还可引起局部的温度起伏,有利于枝晶熔断。同时,振动铸型可促使“结晶雨”的形成。“结晶雨”的来源是液态金属表面的凝固层。当液态金属静止时,表面凝固的金属壳不能下落。而铸型振动可使表面先层中的技晶破碎,形成“结晶雨”。

    振动方法可以直接振动铸型,也可以在浇注过程中振动浇注槽或浇口杯,或者将振动器插人液态金属中进行振动。

    2.超声波振动

    超声波振动可在液相中产生空化作用,形成大量空隙。当这些空陕崩溃时,周围液体迅速补充进去,液体瞬时流动动量很大,产生很商的压力,从而引起金属赔点的改变。金属凝固时,压力的激烈增加必将导致金属熔点的徽烈上升。在液态金属温度一定的情况下,这相当于增加了过冷度,从而导致形核率的提高,使品粒细化。高压条件下凝固可细化晶粒的原因与之相同。

    3.液相搅拌

    在凝固初期,采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相对固相的运动.引起枝品的折断,破碎与增殖,达到细化品粒的目的。其中机械搅拌和电做搅拌方法不仪使晶粒细化.而且可使晶粒趋于球化。

    4.流变铸造

    流变铸造又称半固态饰造。这种方法的实质是当液体金属凝固达50%~60%时,在氩气保护下进行高速搅拌,使金属成为半固态浆料,并进行挤压成形,其固态晶体随搅拌转速的增加而更加趋于细小而圆整,力学性能显著提高。其原因在于,固态晶体之间以及它们与液体之间发生碰撞、摩擦和冲刷作用,这使得固相颗粒在各个方向上温度均匀,热流无方向性;此外,在固-液界面处也没有溶质富集现象,从而消除了”成分过冷”,这样就使得晶体在各个方向的长大速度快而均匀,从而成为细小圆整的颗粒状。


     

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