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8-4 铸件的凝固方式,铸件凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外，断面上一般都存在三个区域：,凝固区,液相区,固相区,部分状态图,固相区凝固区液相区,一、铸件凝固区域及其结构,a.右边的晶体已连成骨架，但液体还能在其间移动，为限制迁移带 b.左边的已接近固相温度，固相占绝大部分，骨架之间的少量液体被分割成互补沟通的小“熔池”，为显微迁移带,宽结晶温度范围内合金的凝固区域,液固部分：液相占优势,固液部分：固相占优势,1)液固部分凝固的晶体处于悬浮状态而未连成一片，固相可以自由移动,为宏观迁移带。,2)固液部分,铸件凝固方式一般分为三种：逐层凝固、体积凝固和中间凝固。1、逐层凝固（纯金属或共晶成分合金的凝固方式）恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零，断面上的固体和液体由一条界线清晰地分开，随着温度的下降，固体层不断加厚，逐步到达铸件中心，此为“逐层凝固方式”。,二、铸件的凝固方式及其影响因素,逐层凝固方式特点：无凝固区或凝固区很窄凝固动态曲线上的两相边界的纵向间距很小或是无条件重合。a）恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金 b）结晶温度范围很窄或断面温度梯度很大,2、体积凝固（铸件断面温度场较平坦或结晶范围较宽的合金）如果合金的结晶温度范围很宽，或因铸件铸件断面温度场较平坦，铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面，而表面温度高于固相温度，这种情况为“体积凝固方式”，或称为“糊状凝固方式”。,体积凝固方式（糊状凝固方式）特点：a）铸件断面温度平坦b）结晶温度范围很宽凝固动态曲线上的两相边界纵向间距很大,3、中间凝固（结晶范围较窄或铸件断面温度梯度较大的合金）如果合金的结晶范围较窄，或因铸件断面的温度梯度较大，铸件断面上的凝固区域介于前两者之间时，属于“中间凝固方式”。,中间凝固方式特点：凝固初期似逐层凝固凝固后期似糊状凝固 a）结晶温度范围较窄 b）铸件断面的温度梯度较大,1.,以二元共晶相图为例说明,1.逐层凝固,3.糊状凝固,2.中间凝固,合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固。,液,影响铸件凝固方式的因素,合金的结晶温度范围,以碳钢为例说明,2、铸件的温度梯度的影响,在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄。,梯度很大的温度场，可以使宽结晶温度范围的合金按中间凝固方式凝固(加高碳钢在金属型中凝固)，甚至按逐层凝固方式凝固。很平坦的温度场，可以使窄结晶温度范围的合金按体积凝固方式凝固。所以，温度梯度是凝固方式的重要调节因素。,工业纯铝（99%Al）在砂型和金属型中铸造时所测得的温度场合凝固动态曲线,将它在砂型中的凝固动态曲线与上图中低碳钢的相应曲线比较则可看到，虽然工业纯铝的结晶温度范围为6度，比低碳钢的22度小得多，但是低碳钢为逐层凝固方式，而工业纯铝却已体积凝固方式进行凝固。其原因是铝的凝固温度低、结晶潜热和导热系数大，铸件断面的温度场平坦。,图2-16 工业纯铝铸件断面的温度场（a）和凝固动态曲线（图b）,综上,铸件的凝固方式由结晶温度范围和温度梯度共同决定：,趋于体积凝固,趋于逐层凝固,根据近代凝固理论，又把工业上常用的金属的凝固方式分成两大类：外生凝固和内生凝固,外生凝固：,特点：凝固层从金属液-铸型界面向中心推进。,分类：,宏观光滑界面的凝固（理想的平滑界面）宏观粗糙界面的凝固（S-L界面呈割裂的锯齿状）枝晶状（海绵状）凝固（网状结构）,机制：宏观S-L界面连续，界面推进方向与传热方向相反。热量通过固相向环境散失。凝固速率取决于传热速率,形貌：等轴晶,内生凝固：,特点：既可以在界面凝固，也可在金属液内部进行。,分类：,糊状凝固（表面和中心凝固速率相差不大）形壳凝固（表面凝固速率中心）,机制：宏观S-L界面分散，界面推进方向与传热方向相同。热量通过液相向环境散失。凝固速率取决于液相过 冷度。,形貌：等轴晶,1、窄结晶温度范围的合金,金属浇入铸型后，首先在型壁处过冷，形成激冷层，然后按柱状晶的形势紧密生长，固相界面前沿为平面推进的方式.,包括纯金属、共晶成分合金和其它窄结晶温度范围的合金,三、结晶温度范围对铸件凝固过程的影响,由于凝固前沿直接与液态金属接触，当液态凝固成为固态而发生体积收缩时，可以不断地得到液体的补充，所以：（1）产生分散缩松的倾向小，而是在铸件最后凝固部位留下集中缩孔，设置冒口易消除，因此其合金的补缩特性良好；（2）这类合金铸件在凝固过程中当收缩受阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属液的充填，使裂纹愈合，所以铸件的热裂倾向小。（3）如果这类合金在充型过程中发生凝固时，也具有较好的充型能力。,(一)缩孔的形成,(一)缩孔的形成,(一)缩孔的形成,(一)缩孔的形成,(一)缩孔的形成,(一)缩孔的形成,铸件产生集中缩孔的基本原因 金属的液态收缩和凝固收缩之和大于固态收缩;产生集中缩孔的条件是铸件由表及里逐层凝固。缩孔一般集中在铸件顶部或最后凝固的部位,如果在这些部位设置冒口,缩孔将被移入冒口中。,(一)缩孔的形成,2、宽结晶温度范围的合金,这类合金铸件的凝固区域宽，液态金属的过冷很小，容易发展为树枝发达的粗大等轴晶组织。,在凝固区域中靠近固相前沿先形成一批晶粒周围产生溶质富集，停止生长，在富集区的后面又形成一批小晶粒，这样下去很快布满整个凝固区域，由于结晶温度区间大，过冷度小，形成的晶粒数目少，所以形成粗大的等轴晶。粗大的等轴晶比较早地连成晶体骨架，将尚未凝固的液体分割成小的互不沟通的熔池，最后在铸件中形成微小缩松。同时热裂倾向性也大，充型能力也差。,宽结晶范围的合金结晶过程：在凝固区域中靠近固相前沿先形成一批晶粒周围产生溶质富集，停止生长，在富集区的后面又形成一批小晶粒，这样下去很快布满整个凝固区域，由于结晶温度区间大，过冷度小，形成的晶粒数目少，所以形成粗大的等轴晶。粗大的等轴晶比较早地连成晶体骨架，将尚未凝固的液体分割成小的互不沟通的熔池，最后在铸件中形成微小缩松。同时热裂倾向性也大，充型能力也差。,(二)缩松的形成,(二)缩松的形成,(二)缩松的形成,(二)缩松的形成,（2）由于粗大的等轴晶比较早的两成晶体骨架，而粗大的等轴晶的高温强度低，当晶间因收缩出现裂纹时，又得不到液态金属的及时填充使之愈合，故铸件产生热裂的倾向大；,（1）当粗大的等轴晶互相连接以后，便将尚未凝固的液态金属分割成一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩松。采用普通冒口消除缩松是很困难的，往往采用其它措施，如增加冒口的补缩压力，加速冷却等.,（3）若这类合金在充填过程中发生凝固，其充型能力也很差。,应该指出，合金的补缩特性和充型性能是一致的，不仅与凝固方式密切相关，还受初生晶形态的影响。,1液相边界 2初生晶析出终了边界 3固相边界 4倾出边界,亚共晶铝硅合金,过共晶铝硅合金,四、灰铸铁和球墨铸铁的凝固,亚共晶灰铸铁和球墨铸铁凝固的共同特点：初生奥氏体枝晶能迅速布满铸件的整个断面,而且奥氏体枝晶具有很大的连成骨架的能力。因此,这两种铸铁都有产生缩松的可能性。但是,由于它们的共晶凝固方式和石墨长大的机理不同,产生缩孔和缩松的倾向性有很大差别。,液体,灰铸铁共晶团中的片状石墨,与枝晶间的共晶液体直接接触，因此片状石墨长大时所产生的体积膨胀大部分作用在所接触的晶间液体上,迫使它们通过枝晶间的通道去充填奥氏体枝晶间因液态收缩和凝固收缩所产生的小孔洞,从而大大降低了灰铸铁产生缩松的严重程度。这就是灰铸铁的所谓“自补缩能力”,液体,液体,液体,液体,液体,球墨铸铁在凝固中后期,石墨球长大到一定程度后,四周形成奥氏体外壳,碳原子通过奥氏体外壳扩散到共晶团中使石墨球长大。当共晶团长大到相互接触后,石墨化膨胀所产生的膨胀力,只有一小部分作用在晶间液体上。而大部分作用在相邻的共晶团上或奥氏体枝晶上,趋向于把它们挤开。,因此,球墨铸铁的缩前膨胀比灰铸铁大得多随着石墨球的长大,共晶团之间的间隙逐步扩大,并使铸件普遍膨胀共晶团之间的间隙就是球墨铸铁的显微缩松,而共晶团集团之间的问隙则构成铸件的(宏观)缩松。所以,球墨铸铁产生缩松的倾向性很大。,如果铸件厚大,球墨铸铁的缩前膨胀也会导致铸件产生缩孔。如果铸型刚度足够大,石墨化的膨胀力有可能将缩松压合。在这种情况下,球墨铸铁也可看作具有自补缩 能力。,