锭坯晶粒细化处理(grain refining treatment of ingot)

采取物理和化学方法使有色金属合金锭坯组织分散度提高的工艺技术。金属熔体经细化处理后，在锭坯断面上呈现均匀细小的晶粒组织(为锭坯的最佳组织)，显著改善合金的铸造性能和加工性能，提高合金的强度和塑性。锭坯晶粒的细化处理主要有3种方式：(1)控制凝固时的温度制度；(2)动态晶粒细化；(3)添加晶粒细化剂细化。其中，添加晶粒细化剂的细化处理最简便、有效，应用也最广。

控制凝固时的温度制度 即增加冷却强度，借以达到快速冷却，增大过冷度，提高形核率；或降低浇注温度，增加非均质形核数目和晶体增殖作用，从而达到细化晶粒的目的。在铸锭生产中，增加冷却强度只能通过提高锭模或结晶器的激冷作用来实现。模壁的激冷作用只产生于锭坯表面，对断面较大或导热性较差的合金，反而会造成较大的温度梯度，达不到理想的效果。同时浇注温度也不能降得太低。因此，这条途径所能达到的形核率是有限的，并且在生产上不易控制。

动态晶粒细化 铸造过程中，对熔体施以某种物理的振动或搅拌，造成熔体局部温度起伏，给晶体的游离和增殖创造条件，从而使晶粒细化。这种细化晶粒的方法除需增加专用设备外，使用效果也有局限性。

产生物理振动的方法有机械振动、音频振动和超声振动，其振动频率对晶粒细化无明显影响，而振幅的大小对晶粒细化的影响很大。采用超声处理铝熔体时，需向铸锭液穴中发射强度达80W／cm²。(产生空化效应坎值NK，如图1所示)的声能，使其产生大量的自发的活性晶粒，才能强烈细化晶粒。当超声波发生器功率达到Ⅳc时，铸锭中形成称为亚树枝晶的组织，此时铸锭的晶粒小于该铸锭固有的树枝晶胞。Nc值与铸锭的尺寸和合金的成分有关。

产生物理搅拌的方法有机械搅拌和电磁搅拌，其作用和效果与振动相同。1956年苏联首次报道了电磁搅拌熔体的工艺装置，并得出结论：沿垂直面搅拌熔体，铸锭晶粒得到细化，热裂倾向减小，但冷隔增多，沿结晶器周边配置感应圈搅拌、可消除高合金化铸锭的偏析缺陷；增大搅拌强度，使熔体产生不大的运动速度，可消除铸锭中的柱状晶}过分强烈的振动会引起热裂；反而产生不良影响。

添加晶粒细化剂细化 向金属熔体中添加少量的晶粒细化剂，促进熔体内部非均质生核，或改变晶体生长过程的细化处理，也叫变质处理。一些金属常用的细化剂种类、加入方法及效果见表。

 一些金属常用的细化剂和变质剂

铝合金用晶粒细化剂研究得最多，应用也最广。Ti是最早被用来细化铝及其合金的细化剂，常以含Ti的氟盐(KzTiFs等)或以Al—Ti中间合金形式加入炉内。1949年美国学者西布拉(Cibula)等发现并鉴定了Ti、B联合细化效果更好，随后制成了Al—Ti—B三元中间合金细化剂。60年代末又生产出线状A1一Ti—B晶粒细化剂(直径为9．5mm)，它可以连续地加入到炉外流槽内流动的熔体中(称人工播晶种)，如图2所示。此法是瑞典人于1969年首先提出的，其优点是：细化剂加入均匀，消除了细化剂中化合物相TiB。的比重偏析；能使铸锭组织达到最大程度的细化；细化剂用量比其他加入方法省；与炉外连续净化装置配合，可实现熔铸生产的联机自动化。

目前这项技术已被各国铝加工厂广泛采用，成为铝材生产中质量保证的重要手段。英国、荷兰、美国均有公司专门生产和销售细化剂。近年来国际铸造学术界对Al—Ti—B细化剂细化机理的研究不断深入，发表了几百篇论文，瑞典斯德哥尔摩大学还出版了有关专集。中国东北大学于1987年研制出国产Al—Ti—B线状晶粒细化剂供应国内市场，并率先开展了细化机理的研究，于1995年开发并建成Al—Tj—B线材连续铸挤生产线