3.4.2铸锭的组织及其控制
材料的凝固总是在一定的容器中进行,容器的形状、散热条件等因素将影响金属材料铸造后的组织形态。对于铸锭来说,它的组织包括晶粒大小、形状、取向、元素和杂质分布,以及铸锭中的缺陷等。铸锭的组织对后续加工和使用性能都有很大的影响。
1. 铸锭的组织
由于凝固时表面和心部的结晶条件不同,铸锭的宏观组织是不均匀的,通常由表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三个晶区组成。
(1)表层细晶区:当高温的液体金属被浇注到铸型中时,液体金属首先与铸型的模壁接触,一般来说,铸型的温度较低,产生很大的过冷度,形成大量晶核,再加上模壁的非均匀形核作用,在铸锭表层形成一层厚度较薄、晶粒很细的等轴晶区。
(2)柱状晶区:表层细晶区形成后,由于液态金属的加热及凝固时结晶潜热的放出,使模壁的温度逐渐升高,冷却速度下降,结晶前沿过冷度减小,难以形成新的结晶核心,结晶只能通过已有晶体的继续生长来进行。由于散热方向垂直于模壁,因而晶体沿着与散热相反的方向择优生长而形成柱状晶区。
(3)中心等轴晶区:当柱状晶长大到一定程度,由于冷却速度进一步下降及结晶潜热的不断放出,使结晶前沿的温度梯度消失,导致柱状晶长大停止。当心部全部冷却至实际结晶温度以下时,以杂质和被冲下的晶枝碎块为结晶核心均匀长大,形成粗大的等轴晶区。
一般的铸锭都是作为坯料,还要进行轧制等各种加工,柱状晶由于方向性过于明显,而且晶粒之间往往结合较弱,轧制时容易在柱状晶处开裂,因此要尽量减少或避免形成明显的柱状晶区。根据柱状晶区的形成与温度梯度的方向性有直接关系的特点,要减少柱状晶区,需从破坏稳定的温度梯度及柱状晶的稳定生长入手,如降低浇注温度、降低模具的散热条件、增加液体流动或震动以及变质处理等。
2. 铸锭的缺陷
铸锭的缺陷包括缩孔、疏松、气孔和偏析等。
(1)缩孔和疏孔:大多数金属凝固时体积要收缩,如果没有足够的液体补充,便会形成孔隙。如果孔隙集中在凝固的最后部位,则称为缩孔。缩孔可以通过合理设计浇注工艺,预留出补缩的液体(如加冒口)等方法控制,一旦铸锭中出现缩孔则应将其切除。如果孔隙分散地分布于枝晶间,则称为疏孔,可以通过压力铸造等方法予以消除。
(2)气孔:金属在液态下比在固态下溶解气体多。液态金属凝固时,如果所析出的气体来不及逸出,就会保留在铸锭内部,形成气孔。内表面未被氧化的气孔在热段或热轧时可以焊合,如发生氧化,则必须去除。
(3)偏析:合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同,合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区,或由于结晶出的固相与
液相的比重相差较大,使固相上浮或下沉,从而造成铸锭宏观上的成分不均匀,称为宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。