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铸锭的宏观组织通常由三个晶区所组成，即外表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区，如图2-38所示。 图2-38 铸锭的三个晶区示意图 1-细晶区；2-柱状晶区；3-中心等轴晶区 (1)表层细晶区。当高温的金属液体倒入铸型或铸锭模之后，结晶首先从模壁处开始。这是由于温度较低的型壁或模壁有强烈地吸热和散热作用，使靠近型壁或模壁的一薄层液体产生极大的过冷，加上型壁或模壁可以作为非均匀形核的基体，因此在此一薄层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长。由于晶核数目多，邻近的晶核很快彼此相遇，不能继续生长，这样就在靠近型壁或模壁处形成一薄层很细的等轴晶粒区。 表层细晶区的形核数目决定于下列因素：型壁或模壁的形核能力以及型壁或模壁处所能达到的过冷度大小。后者主要依赖于铸型铸锭模的表面温度、铸型铸锭模的热传导能力以及浇注温度等因素。如果铸型或铸锭模的表面温度低、热传导能力好以及浇注温度较低的话，便可以获得较大的过冷度，从而使形核率增大，细晶区的厚度增大；相反，如果浇注温度高，铸型或铸锭模的散热能力小而使温度很快上升，就大大减少了晶核数目，细晶区的厚度也要减小。 (2)柱状晶区。柱状晶区由垂直于型壁或模壁的粗大的柱状晶构成。激冷层形成后，热阻增大，热流减小，特别是铸锭与型壁或模壁间形成气隙后，未凝金属液的散热强度显著降低。此时金属液的过热热量和结晶潜热主要通过凝固层传出，发生向型壁或模壁的定向传热。由于晶体长大所需要的过冷度比形核要小得多，于是结晶表现为已有晶核的继续长大。树枝晶的一次轴与型壁或模壁垂直的晶体方向，散热路径最短，散热最快，加之该处凝固前沿略为突出，过冷度降低较小，所以这些晶体方向的长大得到优先发展，而其余的晶体和向其他方向的长大则受到彼此的妨碍而被抑制。于是，在细小等轴晶带之后，形成迎着热流生长的有明显方向性的柱状晶带。 柱状晶的长大速度与已凝固固相的温度梯度和液相的温度梯度有关，固相的温度梯度越大或液相的温度梯度越小，柱状晶的长大速度越快。如果已结晶的柱状晶的固相的导热性好，散热速度很快，始终能保持定向散热，并且在柱状晶前沿的液体中没有新形成的晶粒阻挡，那么柱状晶就可以一直长大到铸坯中心，直到与其他柱状晶相遇为止，这种铸锭组织称为穿晶组织。 在柱状晶区，晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，组织比较致密。但当沿不同方向生长的两组柱状晶相遇时，会形成柱晶间界，柱晶间界是杂质、气泡、缩孔较富集的地区，因而是铸锭的脆弱结合面。此外，柱状晶区的性能有方向性，对塑性好的金属或合金，即使全部为柱状晶组织，也能顺利通过热轧而不致开裂。而对塑性差的金属或合金，则应力求避免形成发达的柱状晶区，否则往往导致热轧开裂而产生废品。 (3)中心等轴晶区。在柱状晶的长大过程中，在铸锭中心部分的液体中就已经存在大量的可作为晶核的碎枝残片，这是形成中心等轴晶区的一个主要原因。另一方面，随着柱状晶的长大，结晶前沿液体中的成分过冷区也会逐渐扩大，这会促使铸锭中心部分迅速形核和长 大。除此之外，悬浮在中心部分液体中的杂质质点，也可成为新的结晶核心。总之，以上情况都说明，在柱状晶长到一定程度后，在铸锭中心部分就开始了形核长大过程，由于中心部分液体温度大致是均匀的。所以每个晶粒的成长在各方向上也是接近一致的，因此形成了等轴晶。当它们长到与柱状晶相遇时，全部液体凝固完毕。 与柱状晶区相比，等轴晶区的各个晶粒在长大时彼此交叉，枝权间的搭接牢固，裂纹不易扩展。不存在明显的脆弱界面，各晶粒取向不尽相同，其性能也没有方向性。这是等轴晶区的优点。其缺点是等轴晶的树枝状晶体比较发达，分枝较多，因而显微缩看也较多，组织不够致密。但显微缩孔一般均未氧化，因此经热压力加工后，一般均可焊合，对性能影响不大。由此可见，一般的铸锭尤其是铸件，都要求得到发达的等轴晶组织。 |
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