铸件宏观组织形成的探究

（一）表面细等轴晶区和内部柱状晶区的形成

液态金属一浇入型腔，与型腔壁接触的液态金属因受铸型的激冷作用，温度下降较多，沿铸件表面晶体生长速度较快；而指向液态金属内部的生长速度都比较慢。如果是纯金属（即结晶时没有溶质排出），且在凝固初期液体中没有因对流或搅动使晶体自型壁脱落（游离）的话，则很快会形成一层凝固壳（即晶体在沿型壁方向上连接起来）。凝固壳形成后，与型壁垂直的方向（即热流方向）将成为传热强度最大的方向，因而在这个方向上晶体生长速度最快。如果晶体的择优晶向（例如，立方晶体的〈100〉晶向和密排六方晶体的〈1010〉晶向）与热流方向平行，则迅速向液体内部生长，成为柱状晶；而其他不与热流方向平行的择优晶向将被淘汰（即中止生长），如图8-54所示。这种晶体生长过程中的相互竞争淘汰称为晶体的“择优生长”。被淘汰的晶体构成表面细等轴晶。

图8-54　型壁处晶体生长过程

从型壁上脱落的晶体在沿型壁沉降过程中，其中一部分受到型壁的冷却，集结在型壁附近，也参与形成表面细等轴晶。凡是促使晶体自型壁脱落的因素（例如，增加溶质浓度，强化液体中的对流等）都有利于表面细等轴晶的形成。

表面细等轴晶区的大小还与浇注温度、铸型激冷能力等有关。提高浇注温度则使表面细等轴晶区变薄以至于看不见明确的表面细等轴晶区。铸型激冷能力过强时也使表面细等轴晶区变薄甚至消失。此外，当存在符合晶面共格对应原则的非金属夹杂物时，也能促进表面细等轴晶区的形成。

柱状晶在生长过程中，其横断面尺寸不断增大，而同时一些生长方向与热流方向不太平行的柱状晶被进一步淘汰，所以随着离型壁距离的增大，柱状晶晶粒之间生长方向的扩张角减小，同时单位面积内的柱状晶数也减少（见图8-55）。

图8-55　柱状晶晶粒之间的扩张角和晶粒数同离型壁距离的关系

（a）扩张角；（b）晶粒数(www.xing528.com)

柱状晶可以一直延伸到铸件中心，直至与对面型壁长出的柱状晶相遇为止。这种柱状晶称为“穿晶”。如果界面前沿液相中出现等轴晶并与柱状晶相遇，则柱状晶停止生长，最后在铸件中形成三个晶区。

由此可见，柱状晶区的宽窄主要决定于柱状晶前沿液相中是否出现等轴晶。因此可以通过促进等轴晶的形成来控制柱状晶区的宽窄。这是控制铸件宏观组织的重要途径之一。

（二）中心粗等轴晶区的形成

从本质上说，中心等轴晶区的形成是由于液态金属内部的独立形核和生长。等轴晶晶核的来源有二：①随对流飘移到铸件中心部位的自由小晶体；②符合晶面共格对应原则的非金属夹杂物。

自由小晶体来自：①型壁晶体的脱落；②枝晶分支的熔断脱落；③顶部晶体的沉积；④上述三种原因形成的小晶体随液体对流而发生的晶体增殖。因此，凡增加自由小晶体数目的各种因素都有利于中心等轴晶区的扩大，且能细化等轴晶；与此同时，柱状晶区则变窄。

对于给定的合金，在一定的温度范围内，随着浇注温度的升高，柱状晶区扩大而等轴晶区缩小，反之，随着浇注温度的降低，柱状晶区缩小而等轴晶区扩大，如图8-56所示，且随着浇注温度的提高，在柱状晶区扩大的同时，等轴晶晶粒则变粗，如图8-57所示。

对于给定的浇注条件而言，柱状晶区宽度随合金元素含量的增加而减小（等轴晶区则相应地扩大），如图8-58所示。

图8-56　柱状晶区宽度与浇注温度的关系

如前所述，减小界面前沿液相中的温度梯度，其结果导致柱状晶区缩小和等轴晶区扩大。