控制晶粒度的措施

4.4.3　控制晶粒度的措施

细化晶粒是提高金属力学性能的重要途径之一。工业生产中常采用以下几种方法。

1．提高金属的过冷度

形核率和长大速度都与过冷度有关，增大结晶时的过冷度，形核率和长大速度均随之增加，但两者的增大速率不同，形核率的增长率高于长大速度的增长率，如图4-10所示。在一般金属结晶的过冷范围内，过冷度越大，的比值越大，晶粒越细小。

图4-10　形核速率、长大速度和过冷度的关系图

增大过冷度的主要措施是提高液态金属的冷却速度。例如在铸造生产中可以采用金属型或石墨型代替砂型、局部增加冷铁、增大金属型的厚度、降低金属型的预热温度、减少涂料层的厚度、采用水冷铸型等措施来提高铸件的冷却速度。如图4-11所示为冷速不同对铝硅合金铸态组织的影响。

图4-11　Al-Si合金铸态组织

增大过冷度的另一种方法是提高液态金属的过冷能力。例如在浇注时可以提高金属的熔化温度，减少非自发晶核的生成。也可以采用较低的浇注温度，减慢铸型温度升高的速度，以获得较大的过冷度。采用慢速浇注，一方面使铸型温度不致升高过快，另一方面由于延长了凝固时间，增加了晶核的数目，即可获得较细小的晶粒。

2．进行变质处理

用增大过冷度的方法细化晶粒只对小型或薄壁的铸件有效，对于形状复杂的铸件，往往还不允许过大地提高冷却速度。为此，生产上广泛采用变质处理的工艺细化晶粒。

所谓变质处理就是在液态金属中加入孕育剂或变质剂（形核剂），以增加异质核心的数量，促进非自发形核的进行，从而细化晶粒和改善组织。在生产中常采用高熔点的固体微粒作为形核剂。例如，在铝合金液体中加入钛、锆，在钢液中加入钛、钒、锆等，都可使晶粒细化。在铸铁中加入硅铁或硅钙合金能使组织中的石墨变细。还有一类变质剂，虽不能提供结晶核心，但能附着在晶体的结晶前沿，起到阻止晶粒长大的作用，因此又称为长大抑制剂。例如如图4-12所示，在铝硅合金中加入钠盐，使钠在硅的表面富集，降低硅的长大速度阻碍粗大硅晶体的形成，便能获得细化的合金组织。

图4-12　Al-Si合金变质处理前后的铸态组织

3．附加振动、搅拌

对即将凝固的金属进行振动或搅拌，一方面可以从外界输入能量促进晶核提前形成，另一方面可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，达到细化晶粒的目的。

进行振动或搅拌的方法很多，目前已采取的方法有机械搅拌、电磁搅拌、音频振动及超声波振动等。利用机械或电磁感应法搅动液穴中的液态金属，增加了液态金属与冷凝壳的热交换，使液穴中液态金属温度降低，过冷度增大，同时破碎了结晶前沿的骨架，出现大量可作为结晶核心的枝晶碎块，从而使晶粒细化。超声波具有独特的声学效果，在金属或合金的凝固过程中，如果施加超声波振动，铸锭的凝固组织就会从粗大的柱状晶变成均匀细小的等轴晶，同时铸锭的宏观偏析及微观偏析也得到了改善。超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。同时超声波振动还会使枝晶破断，进而成为多而细小的晶核。