澆鑄板柵筋條晶區(qū)的形成及組織特性

文/浙江天能電池（江蘇）有限公司 王杜友

一、鑄件三晶區(qū)的形成機理

在實際生產(chǎn)當(dāng)中，鑄件是液態(tài)金屬在模具中冷卻凝固后成型的。鑄件的宏觀組織通常是由三個晶區(qū)所組成的，即外表層的細(xì)晶區(qū)、中間層的柱狀晶區(qū)以及中心部位的等軸晶區(qū)，其示意圖如圖1所示。

圖1 鑄件的三晶區(qū)示意圖

1.外層細(xì)晶區(qū)

當(dāng)液態(tài)金屬注入模具后，金屬首先從模具壁處開始結(jié)晶凝固，這是因為溫度低的模壁具有強烈的吸熱和散熱作用，使靠近模壁的一層薄膜液體產(chǎn)生極大的過冷，加上模壁可作為非勻形核的基底，因此，在這一薄層液體中立即產(chǎn)生了大量的晶核，并同時向各個方向生長。由于晶核數(shù)量多，致使臨近的晶核很快便彼此相遇，它們不斷繼續(xù)生長，這樣便在靠近模壁的地方形成了一層很細(xì)的等軸晶區(qū)。

細(xì)晶區(qū)的晶粒較細(xì)小、致密，有著很好的力學(xué)性能。

2. 柱狀晶區(qū)

柱狀晶區(qū)的晶粒粗大并且垂直于模壁。在表層細(xì)晶區(qū)形成的同時，一方面模具的溫度由于液態(tài)金屬加熱而升高，另一方面由于金屬凝固后收縮，使細(xì)晶區(qū)和模具脫開，形成一個空氣層，使液體金屬的散熱困難。另外，細(xì)晶區(qū)形成時釋放出大量的結(jié)晶潛熱，也使模具溫度升高。模具溫度升高導(dǎo)致液體金屬冷卻減慢，溫度梯度變小，此時，結(jié)晶主要靠細(xì)晶區(qū)近液處地某些小晶粒的長大。同時，由于垂直于模壁方向散熱快，晶體便沿其反向擇優(yōu)生長成柱狀晶，便形成了柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)中晶粒之間的界面較平直，氣泡、縮孔很小，組織比較致密。

在兩組柱狀晶相遇處會形成柱狀晶界，此處雜質(zhì)、氣泡、縮孔較為富集，所以是鑄件的薄弱結(jié)合面。此外，由于柱狀晶的性能有方向性，這對加工性能會產(chǎn)生影響。

3.中心等軸晶區(qū)

隨著柱狀晶的發(fā)展，冷卻速度也逐漸減慢，溫度梯度趨于平緩，柱狀晶的長大速度也就越來越小。在柱狀晶的晶枝生長區(qū)（即固液兩相共存區(qū)）的溶質(zhì)濃度增高，熔點下降，結(jié)晶潛熱的散發(fā)變得困難，使各晶枝變得細(xì)長、瘦弱，而且根部逐漸萎縮，甚至發(fā)生局部由于重熔而自動脫落的現(xiàn)象。但是由于在柱狀晶結(jié)晶長大過程中，鑄件中部的液體中就已經(jīng)存在著大量的可作為晶核的碎枝殘片，會促使中部迅速形核和長大。此外，懸浮在這里的雜質(zhì)質(zhì)點，也可能成為新的結(jié)晶核心。所以，在柱狀晶長大到一定程度后，鑄件中部也開始形核長大。由于中部液體的溫度大致是均勻的，所以每個晶粒在各個方向長大速度接近一致，因而形成等軸晶。當(dāng)它們長大到與柱狀晶相遇時，全部液體也凝固完畢，最后形成中心等軸晶區(qū)。

由于等軸晶區(qū)的各個晶粒在長大時彼此交叉，枝杈間的搭接牢固，裂紋不易擴展，不存在明顯的脆弱界面。各晶粒取向不同，其性能無方向性。但由于等軸晶的樹枝狀晶體比較發(fā)達，分枝較多，因而組織不致密，顯微縮孔較多。比如板柵筋條個別部位掰開后內(nèi)部有氧化發(fā)黑現(xiàn)象。

二、板柵筋條的金相檢驗

在日常的鉛鈣系列合金板柵筋條的金相組織檢驗當(dāng)中，板柵筋條的外表面并沒有發(fā)現(xiàn)如上所述的較明顯的細(xì)晶區(qū)存在，只發(fā)現(xiàn)有柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的存在，見圖2-1 a、b。

圖2-1 板柵筋條金相組織照片

究其原因，一方面是由于鉛基合金中元素的配比影響了合金液在冷卻凝固過程中大量晶核的形成；另一方面，是由于板柵模具裝有加熱和循環(huán)冷卻裝置，使模具始終處于一個相對恒定的溫度之下，模具內(nèi)表面噴有一層脫模劑。型腔內(nèi)脫模劑的存在，使鉛液和模壁隔離開，缺少非勻形核作為基底的條件，另外，脫模劑還具有保溫的作用，這樣使鉛液不至于冷卻過快而產(chǎn)生大的過冷度。以上條件的存在，使鉛液在注入模具之后，板柵筋條的外表面并未生成等軸的細(xì)晶區(qū)，而是直接形成了柱狀晶區(qū)，如圖2-1 a和b。

另外，鉛鈣合金在加入適量的成核劑之后，板柵筋條的晶區(qū)和組織結(jié)構(gòu)也將會發(fā)生很大的變化。成核劑的加入可以細(xì)化晶粒，提高板柵筋條組織的均勻性。加入適量成核劑后的板柵筋條組織也未發(fā)現(xiàn)有明顯三晶區(qū)的存在，甚至外表面的柱狀晶區(qū)也不是很明顯，只是有表面層晶粒較板柵筋條內(nèi)部晶粒稍大的現(xiàn)象存在，見圖2-2 c 和d。總之，鉛鈣系列合金板柵筋條晶區(qū)的形成和組織特征，是和合金的元素配比、板柵的澆鑄工藝密不可分的。

圖2-2 加入成核劑后板柵筋條金相組織照片

三、鉛鈣系列合金的電化學(xué)腐蝕特征

通過對鉛鈣系列合金進行電化學(xué)腐蝕試驗得知，鉛鈣合金的腐蝕為沿晶間腐蝕，伴隨晶粒的均勻性腐蝕。

沿金屬材料的晶粒界面發(fā)生的腐蝕稱為晶間腐蝕。晶間腐蝕是十分有害的，它使金屬材料沿晶界分離，失去強度。偏聚在晶界上的雜質(zhì)或合金元素的富集與貧化是造成晶間腐蝕的主要原因，因為它們提供了晶界或晶界附近電化學(xué)腐蝕的陰極或陽極，構(gòu)成了反應(yīng)電池。通過對晶界進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)晶界內(nèi)部有金屬元素Ca、Sn、Al等的富集，腐蝕形貌見圖3 e和f 。

圖3 板柵筋條電化學(xué)腐蝕形貌

從圖3 e和f可以看出，板柵筋條外層表面為柱狀晶區(qū)時，腐蝕是沿著大的柱狀晶粒之間的界面進行；而具有細(xì)小均勻顆粒等軸晶區(qū)的板柵筋條表面，腐蝕也是沿顆粒晶界進行，使外圍晶粒脫落離開板柵主體。

四、小結(jié)

鉛鈣合金在澆鑄過程中，板柵筋條晶區(qū)的形成和金相組織特征，和板柵合金的元素配置、澆鑄工藝以及板柵所處的工作狀態(tài)有關(guān)，板柵筋條外表面晶區(qū)的特性將影響板柵的耐腐蝕程度、腐蝕進程以及加工機械性能。鉛鈣系列合金的腐蝕都是沿晶界腐蝕，不同的晶區(qū)組織特征，板柵腐蝕的速度有所不同。