浇铸板栅筋条晶区的形成及组织特性

一、铸件三晶区的形成机理

在实际生产当中，铸件是液态金属在模具中冷却凝固后成型的。铸件的宏观组织通常是由三个晶区所组成的，即外表层的细晶区、中间层的柱状晶区以及中心部位的等轴晶区，其示意图如图1所示。

图1 铸件的三晶区示意图

1.外层细晶区

当液态金属注入模具后，金属首先从模具壁处开始结晶凝固，这是因为温度低的模壁具有强烈的吸热和散热作用，使靠近模壁的一层薄膜液体产生极大的过冷，加上模壁可作为非匀形核的基底，因此，在这一薄层液体中立即产生了大量的晶核，并同时向各个方向生长。由于晶核数量多，致使临近的晶核很快便彼此相遇，它们不断继续生长，这样便在靠近模壁的地方形成了一层很细的等轴晶区。

细晶区的晶粒较细小、致密，有着很好的力学性能。

2. 柱状晶区

柱状晶区的晶粒粗大并且垂直于模壁。在表层细晶区形成的同时，一方面模具的温度由于液态金属加热而升高，另一方面由于金属凝固后收缩，使细晶区和模具脱开，形成一个空气层，使液体金属的散热困难。另外，细晶区形成时释放出大量的结晶潜热，也使模具温度升高。模具温度升高导致液体金属冷却减慢，温度梯度变小，此时，结晶主要靠细晶区近液处地某些小晶粒的长大。同时，由于垂直于模壁方向散热快，晶体便沿其反向择优生长成柱状晶，便形成了柱状晶区。柱状晶区中晶粒之间的界面较平直，气泡、缩孔很小，组织比较致密。

在两组柱状晶相遇处会形成柱状晶界，此处杂质、气泡、缩孔较为富集，所以是铸件的薄弱结合面。此外，由于柱状晶的性能有方向性，这对加工性能会产生影响。

3.中心等轴晶区

随着柱状晶的发展，冷却速度也逐渐减慢，温度梯度趋于平缓，柱状晶的长大速度也就越来越小。在柱状晶的晶枝生长区（即固液两相共存区）的溶质浓度增高，熔点下降，结晶潜热的散发变得困难，使各晶枝变得细长、瘦弱，而且根部逐渐萎缩，甚至发生局部由于重熔而自动脱落的现象。但是由于在柱状晶结晶长大过程中，铸件中部的液体中就已经存在着大量的可作为晶核的碎枝残片，会促使中部迅速形核和长大。此外，悬浮在这里的杂质质点，也可能成为新的结晶核心。所以，在柱状晶长大到一定程度后，铸件中部也开始形核长大。由于中部液体的温度大致是均匀的，所以每个晶粒在各个方向长大速度接近一致，因而形成等轴晶。当它们长大到与柱状晶相遇时，全部液体也凝固完毕，最后形成中心等轴晶区。

由于等轴晶区的各个晶粒在长大时彼此交叉，枝杈间的搭接牢固，裂纹不易扩展，不存在明显的脆弱界面。各晶粒取向不同，其性能无方向性。但由于等轴晶的树枝状晶体比较发达，分枝较多，因而组织不致密，显微缩孔较多。比如板栅筋条个别部位掰开后内部有氧化发黑现象。

二、板栅筋条的金相检验

在日常的铅钙系列合金板栅筋条的金相组织检验当中，板栅筋条的外表面并没有发现如上所述的较明显的细晶区存在，只发现有柱状晶区和等轴晶区的存在，见图2-1 a、b。

图2-1 板栅筋条金相组织照片

究其原因，一方面是由于铅基合金中元素的配比影响了合金液在冷却凝固过程中大量晶核的形成；另一方面，是由于板栅模具装有加热和循环冷却装置，使模具始终处于一个相对恒定的温度之下，模具内表面喷有一层脱模剂。型腔内脱模剂的存在，使铅液和模壁隔离开，缺少非匀形核作为基底的条件，另外，脱模剂还具有保温的作用，这样使铅液不至于冷却过快而产生大的过冷度。以上条件的存在，使铅液在注入模具之后，板栅筋条的外表面并未生成等轴的细晶区，而是直接形成了柱状晶区，如图2-1 a和b。

另外，铅钙合金在加入适量的成核剂之后，板栅筋条的晶区和组织结构也将会发生很大的变化。成核剂的加入可以细化晶粒，提高板栅筋条组织的均匀性。加入适量成核剂后的板栅筋条组织也未发现有明显三晶区的存在，甚至外表面的柱状晶区也不是很明显，只是有表面层晶粒较板栅筋条内部晶粒稍大的现象存在，见图2-2 c 和d。总之，铅钙系列合金板栅筋条晶区的形成和组织特征，是和合金的元素配比、板栅的浇铸工艺密不可分的。

图2-2 加入成核剂后板栅筋条金相组织照片

三、铅钙系列合金的电化学腐蚀特征

通过对铅钙系列合金进行电化学腐蚀试验得知，铅钙合金的腐蚀为沿晶间腐蚀，伴随晶粒的均匀性腐蚀。

沿金属材料的晶粒界面发生的腐蚀称为晶间腐蚀。晶间腐蚀是十分有害的，它使金属材料沿晶界分离，失去强度。偏聚在晶界上的杂质或合金元素的富集与贫化是造成晶间腐蚀的主要原因，因为它们提供了晶界或晶界附近电化学腐蚀的阴极或阳极，构成了反应电池。通过对晶界进行能谱分析，发现晶界内部有金属元素Ca、Sn、Al等的富集，腐蚀形貌见图3 e和f 。

图3 板栅筋条电化学腐蚀形貌

从图3 e和f可以看出，板栅筋条外层表面为柱状晶区时，腐蚀是沿着大的柱状晶粒之间的界面进行；而具有细小均匀颗粒等轴晶区的板栅筋条表面，腐蚀也是沿颗粒晶界进行，使外围晶粒脱落离开板栅主体。

四、小结

铅钙合金在浇铸过程中，板栅筋条晶区的形成和金相组织特征，和板栅合金的元素配置、浇铸工艺以及板栅所处的工作状态有关，板栅筋条外表面晶区的特性将影响板栅的耐腐蚀程度、腐蚀进程以及加工机械性能。铅钙系列合金的腐蚀都是沿晶界腐蚀，不同的晶区组织特征，板栅腐蚀的速度有所不同。