金属铸锭的三晶区

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纯金属铸锭的宏观组织通常由三个晶区所组成，分别为外表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区，图1为金属铸锭三晶区的示意图。根据浇注条件的不同，铸锭中晶区的数目及其相对厚度不同。

图1  金属铸锭三晶区示意图

一、表层细晶区

当高温的金属液体倒入铸型后，结晶首先从型壁处开始。这是由于温度较低的型壁有强烈的吸热和散热作用，使靠近型壁的一薄层液体产生极大的过冷度，加上型壁可以作为非均匀形核的基底，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。由于晶核数目很多，故邻近的晶粒很快彼此相遇，不能继续生长，这样便在靠近型壁处形成很细的薄层等轴晶粒区，该区域又称为激冷区。图2为某合金表层位置晶粒图。

图2  某合金表层位置晶粒图

表层细晶区的形核数目取决于型壁的形核能力以及型壁处所能达到的过冷度大小。如果铸型的表面温度低，热传导能力好以及浇注温度较低，就可获得较大的过冷度，从而使形核率增加，增加细晶区的厚度。相反，如果浇注温度高，铸型的散热能力小而使其温度很快升高，就大大降低了晶核数目，细晶区的厚度也相对减小。

二、柱状晶区

在表层细晶区形成的同时，由于金属凝固后的收缩，使细晶区和型壁脱离，形成空气层，给液态金属的继续散热造成困难。此外，细晶区的形成还释放出了大量的结晶潜热，也使型壁的温度升高。上述种种原因，均使液态金属冷却减慢，温度梯度变得平缓，这时即开始形成柱状晶区。图3为某合金柱状晶区晶粒图。

图3  某合金柱状晶区晶粒图

柱状晶区形成的外因是散热的方向性，内因是晶体生长的各向异性。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，则柱状晶的长大速度就越大。如果已结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锭中心，直到与其他柱状晶相遇而止，这种铸锭组织称为穿晶组织。

三、中心等轴晶区

随着柱状晶的发展，经过散热，铸锭中心部分的液态金属的温度全部降至熔点以下，再加上液态金属中杂质等因素的作用，满足了形核对过冷度的要求，于是在整个剩余液体中同时形核。由于此时的散热已经失去了方向性，晶核在液体中可以自由生长，在各个方向上的长大速度差不多相等，因此长成了等轴晶。当它们长到与柱状晶相遇，全部液体凝固完毕后，即形成明显的中心等轴晶区。图4为某合金等轴晶区晶粒图。

图4  某合金等轴晶区晶粒图

与柱状晶区相比，等轴晶区的各个晶粒在长大时彼此交叉，各晶粒的取向各不相同，其性能也没有明显方向性，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，因此微缩孔较多，但铸锭经热压力加工之后，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。