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知识篇:铸造合金的晶粒细化机制

为了使铸造合金的晶粒细化,可以有多种途径,如提高凝固过程中的冷却速率、在凝固过程中施加震动或电磁场之类的搅拌作用及加入晶粒细化剂等。对于铸件生产而言,最简便易行的方式是加入晶粒细化剂。

目前由加入细化剂使铸造合金的晶粒细化,可能有两种不同的机制,其对合金性能的影响也就大不相同:

(1)反应产物在合金开始凝固前大量析出,成为异质晶核,使晶粒数量增多。

(2)反应产物析出较晚,不能作为异质晶核,只能在晶界上析出。在晶界上析出大量夹杂物,可以起钉扎作用(pinning effect),阻碍晶粒长大,从而使晶粒细化。但是,晶界上的夹杂物对合金力学性能的负面影响很大,特别是会导致塑性、韧性下降,因而,研究合金的晶粒细化时,应该特别注意规避这种机制。例如,在铸钢中加入Ti和Nb,有细化晶粒的作用,但细化的机制是钉扎作用,因而负面影响很大,虽然在这方面进行了大量研究工作,仍然无济于事。

液态金属凝固的过程中,首先是在金属液中形成大量微细的固相晶核,作为析出固相所依附的核心,每一个晶核及其上依附的固体金属就是一个晶粒。然后,晶粒不断长大,直到所有的金属液完全凝固。等量的金属液中,形成的晶核越多,金属的晶粒就越细小。

晶粒核心的形成称为生核。金属液结晶生核可能有两种不同的方式:

(1)自发生核

结晶时,不受外界因素的影响,随着温度的降低,由金属原子或分子聚集凝成固相微粒、作为晶核,通常称为均质生核(Homogeneous Nucleation )。

(2)非自发生核

结晶时,如金属液中存在有与金属晶格不适配程度较小的微细非金属质点,金属原子或分子就可以在其表面凝聚生核,通常称为异质生核(Heterogeneous Nucleation)。

01、均质生核不可能用于实际生产

在均匀的液相中实现均质生核,晶核的形成需要很大的表面能,从而需要很大的过冷度。铸造业常用的一些金属的熔点和均质生核所需的过冷度见表1。

表1 铸造业常用的一些金属的熔点和均质生核所需的过冷度

以这种生核方式结晶、凝固,即使在高端实验室中也难以做到。也有很多人考虑过在钢液中加入铁粉、促进均质生核,但细小的铁粉在高温钢液中的稳定性很不好,难以控制。实际上,各种铸造合金的结晶、凝固过程,一般都有赖于异质生核。

02、异质生核

各种铸造合金晶粒细化的基础都在于强化异质生核。铸铁的孕育处理,铝合金、镁合金的变质处理,都是通过加入孕育剂、变质剂,引入大量微细的异质晶核。

有效的异质晶核,应该具有以下4项特性:

(1)在金属液的温度下是固体。

(2)在金属液中的稳定性好。

(3)与凝固金属晶粒晶格不适配的程度较小。

(4)能被金属液所润湿。

03、引入异质晶核的方式

 向液态铸造合金中引入异质晶核的最好方式是向液态合金中加入能与合金中的组成元素或碳、氧、氮及硫等元素结合的金属材料或非金属材料,使之在液态合金中形成化合物,产生大量高熔点的微细质点,成为异质晶核。

直接加入成分与目标异质晶核相同的粉状材料,基本上是不可行的,原因是:

(1)虽然材料是细粉状,但是,作为晶核却是太粗大了,因而是无效的。

(2)作为异质晶核的材料,熔点都很高,也难以溶于合金液中,因而加入合金液后易于聚集上浮或下沉,或裹入合金中成为夹杂物,难以控制。