材料成形原理-第二章铸件的凝固

第2章铸件的凝固林晓娉教授东北大学秦皇岛分校☆材料科学与工程系☆材料成形原理2023/2/61第2章 铸件的凝固4、铸件的凝固时间

铸造必定具有凝固这一过程，绝大多数的铸造缺陷是伴随凝固过程而产生的．所以，认识铸件的凝固规律，研究凝固过程的控制途径，对于铸造缺陷的防治，改善铸件质量，提高铸件的性能从而获得优质的铸件，有着十分重要的意义！本章主要内容：1、铸件的温度场２、铸件的凝固方式３、金属的凝固方式与铸件质量的关系2023/2/622.1铸件与铸型的热交换特点液态金属注入铸型以后，随即发生两个过程：一是液态金属的温度不断下降；二是铸型受热温度上升。实践证明，铸型的内表面温度与其接近的铸件表面温度是不同的。这个现象说明，在铸件和铸型之间存在着一个中间层。该中间层可能是由于金属收缩使铸件各方向的尺寸缩小和铸型受热后发生膨胀形成的，可能是铸型表面的涂料层，也可能是间隙和涂料兼而有之的中间层。因此，铸件与铸型之间是一个“铸件—中间层—铸型”的不稳定热交换系统。下面分析“铸件—中间层—铸型”不稳定热交换系统在一瞬间的热交换特点。为了使问题简化，就假设铸件是无限大的板件，其厚度（X方向）为铸型所限，长和宽伸展到无穷远，即Y、Z方向无热流，并假设系统中各组元的温度场是按直线规律分布的。2023/2/631、铸件在绝热铸型中的凝固砂型、石膏型、陶瓷型材料的导热系数比金属铸件小得多，可称为绝热铸型。铸件在绝热铸型中冷却凝固时，由于铸型导热系数小，所以铸件冷却缓慢，其断面上温差很小。同样，铸型内表面被铸件加热至很高的温度，而其外表面仍处于较低的温度，断面上的温差很大。绝热铸型本身的热物理性质是决定整个系统热交换过程的主要因素，亦即铸件的冷却强度主要取决于铸型的热物理参数。

2023/2/642、金属铸型界面热阻为主的金属型中的凝固较薄的铸件在工作表面涂有较厚涂料的金属型中铸造时，就属于这种情况。铸件的冷却和铸型的加热都不十分激烈，大部分温度降在中间层上，故这类型的传热特点是：铸件断面上的温差和铸型断面上的温差与中间层温差相比显得很小，可以忽略不计。所以，可以认为：铸件和铸型断面上的温度分布实际上是均匀的，传热过程主要取决于涂料层的热物理性质。2023/2/653、厚壁金属型中的凝固当金属型的涂料层很薄时，铸件的冷却和铸型的加热都很激烈，铸件和铸型断面上都有很大温降。这种类型的传热特点是：中间层（界面）的热阻相对很小，中间层断面的温差与铸件和铸型的温差相比较，就显得很小，可以忽略不计。因此可以认为：铸型内表面温度和铸件表面温度相同，传热过程取决于铸件和铸型的热物理性质。2023/2/66上述金属铸型界面热阻为主的金属型中的凝固、厚壁金属型中的凝固说明：金属型铸造完全可以用改变涂料厚度或其热物理性质控制铸件的冷却强度。例如在生产中，铸铁件的金属型铸造就是利用涂料防止铸件产生白口。金属型铸造铝合金件中，常在冒口用的涂料中加入石棉粉增加热阻，以提高冒口的补缩效果。通过对四种不同类型铸造调节地分析。可以看出：“铸件--中间层（界面）---铸型”系统中各组元的热阻对系统的温度分布影响极大，而热阻最大的组元是传热过程中决定性因素。因此，利用该因素控制铸件的凝固时最有效地。

2023/2/674、水冷金属型中的铸造（非金属铸件在金属型中冷却）

通过控制冷却水温度和流量使铸型温度保持恒定（内表面温度=外表面温度），若不考虑界面热阻的情况下，凝固金属表面温度等于铸型温度。在这种情况下，凝固传热的主要热阻是凝固金属的热阻，铸件中有较大的温度梯度，系统的温度分布如图所示。熔模精密铸造中用金属型压制蜡膜，在金属型中制造塑料制品就属于这种情况。2023/2/682.2铸件的温度场不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场稳定温度场：不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）等温面：空间具有相同温度点的组合面。等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。温度梯度（gradT

）：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集．基础知识－－－铸件温度场的描述2023/2/692.2铸件的温度场

凝固过程中的许多现象都是温度的函数．现在随着研究的不断深入，根据温度场的变化可以预测：凝固区域的大小及变化；凝固前沿向中心推进的速度；缩孔和缩松的位置；凝固时间等．并能为正确设计浇注系统，设置冒口、冷铁以及采取其它措施控制凝固过程提供可靠的依据．下面我们将对温度场分析测算的基本方法及影响温度场的因素进行介绍：温度场分析的一般方法有：实测法、数值解析法、数值模拟法等。2023/2/610解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程（或模型），得到用函数形式表示的解，也就是解析解。优点：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响。缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到不同程度的影响。目前，只有简单的一维温度场（“半无限大”平板、圆柱体、球体）才可能获得解析解。§3-2铸件的温度场１．凝固温度场的求解方法（一）解析法2023/2/611§3-2铸件的温度场数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解，又称为数值模拟或计算机模拟。1.差分法差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布的温度问题，转化为求在时间领域和空间领域内有限个离散点的温度值问题，再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布。差分法的解题基础是用差商来代替微商，这样就将热传导微分方程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组，得到各节点的数值解。根据不同的差分格式分为：向前差分、向后差分、平均差分、中心差分、加列金格式等。2.有限元法有限元法是根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法。有限元法的解题步骤是先将连续求解域分割为有限个单元组成的离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩阵。（二）数值方法2023/2/6122.2铸件的温度场铸件温度场测定装置如图所示，将一组热电偶的热端固定在型腔中的不同位置，利用多点自动记录电子电位仪记录自金属液注入型腔起到任意时刻铸件断面上各测温点的温度．2．温度场的测定多点自动记录电子电位计热电偶浇注系统铸型2023/2/613铸件温度场的绘制方法是：以温度为纵坐标，以离开铸件表面中心的距离为横坐标，连接各点即得到温度场．以此类推可绘出各时刻铸件断面的温度场．2．温度场的测定场不同测温点的温度－时间曲线断面上不同时刻的温度场表面中心2023/2/614铸型中的全部合金液态几乎同时从浇注温度很快降至凝固温度,接近铸件表面的合金结晶时释放出的结晶潜热，阻止了内部合金液温度继续下降，而保持在凝固温度上，在曲线上表现为平台。

曲线上的拐点则表示铸件中该等温面上发生凝固的时刻。所以，注意发生这种情况的时刻，就能确定凝固前沿从铸件表面向内部的进程。当铸件中心出现拐点,整个铸件凝固完毕。凝固初期温度梯度大,而后逐渐缓慢,凝固由表及里进行。250mm的纯铝圆柱形铸件的温度场曲线上的平台曲线上的拐点温度梯度不同初期大固溶体合金与纯金属,结晶潜热很小,不能得到明显的拐点.2023/2/615Al－7.55%Si

Al-12.3%Si

共晶型合金铸件的典型温度场2023/2/616任一瞬间的温度场是由不同温度的等温面组成的。温度场任何点的温度沿等温面法线方向上的增加率成为该点的温度梯度：

因此，温度梯度是表示温度场沿单位长度上的温度变化速率，也是时间和空间的函数。温度梯度大，铸件的温度场陡峻，铸件的凝固速度大。

2.2铸件的温度场2.2.4影响铸件温度场的因素2023/2/6171金属性质的影响（1）金属的热扩散率（导温系数）铸件的凝固是依靠铸型吸热而进行的，因此铸件表面温度比中心部分的温度低。金属的热扩散率大，铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度梯度就小，断面上温度分布曲线就比较平坦，反之，温度分布曲线就比较峻陡。液态铝合金的热扩散率比铁碳合金的大约高9-11倍，所以在相同的铸型条件下，铝合金铸件断面上的温度分布曲线平坦得多，具有比较小的温度梯度。相反，高合金钢的导温系数一般都比普通碳钢小得多，如高锰钢的导温系数比普通碳钢小3倍多，所以合金钢在砂型铸造时也有较大的温度梯度。.2023/2/618（2）结晶潜热金属的结晶潜热大，向铸型传热的时间则要长，铸型内表面被加热的温度也高。因此，铸件断面的温度梯度减小，铸件的冷却速度下降，温度场也较平坦。（3）金属的凝固温度金属的凝固温度越高，在凝固过程中铸件表面和铸型内表面的温度越高，铸型内外表面的温差就越大，且铸型的导热系数在高温段随温度的升高而升高，致使铸件断面的温度场有较大的梯度。有色合金铸件与铸钢件和铸铁件比较，在凝固过程中有较平坦的温度场，其凝固温度低是主要的原因之一。2023/2/619

2.2铸件的温度场2.铸型性质的影响

铸件在铸型中的凝固时因铸型吸热而进行的。所以，任何铸件的凝固速度都受铸型吸热速度的支配。铸型的吸热速度越大，则铸件的凝固速度越大，断面上的温度场的梯度也就越大。(1)铸型的蓄热系数b2

铸型的蓄热系数越大，对铸件的冷却能力越强，铸件中的温度梯度就越大。

2023/2/620同一种合金浇注于不同的铸型中，在不同时间所测得的铸件和铸型的温度场

2023/2/621（1）水冷金属型具有最大的激冷能力，铸件断面上的温度梯度最大。这是因为铸型是靠冷却水不断把热量带走，型壁的温度不可能升高，和铸件表面始终保持着很大的温差。水冷金属型材料的导热系数越大，冷却效果就越好。所以，在生产上常用紫铜作为连续铸造的水冷金属型材料。（2）对于铜铸型，虽然他的ρ2C2乘积不比铸铁型的大，但是铜的导热系数非常大，能够把热量由内表面迅速传至“后方”，所以内表面的温升也很小，铸件表面也有较大的温差。（3）厚壁铸铁型的激冷能力不如铜型大。但是，由于铸铁的导热能力也很大，所以型壁内表面的温升也比较小，与铸件表面之间也有较大的温差，铸件断面上的温度梯度很大。2023/2/622（4）薄壁金属型在开始时吸热速度很大，但是，由于铸型壁薄，蓄热有限，型壁温度很快升高，铸件的冷却速度降低，铸件断面上的温度梯度较小。对于铝、镁等合金铸件，由于他们的凝固温度低，在凝固时期型壁不可能被加热到很高温度，所以从铸型外表面向周围介质辐射和对流散热作用不大，铸件的冷却主要是依靠铸型本身积蓄热量，所以厚壁金属型比薄壁金属型的冷却作用大。凝固温度较高的铸铁件和铸钢件，在薄壁金属型中凝固时，型壁外表面能达到很高温度，向周围介质散热作用很大，尤其是厚大铸件，由铸型表面向外散失热量的速度几乎能和厚壁金属型蓄热相等。所以，金属型的壁厚，对于高熔点合金铸件的冷却强度影响不十分明显。2023/2/623（5）在砂型铸造中，由于砂型的导热能力很低，不能把热量由内表面迅速传至“后方”，使更厚的砂层参加蓄热，所以砂型内表面温度在浇注后立即达到很高温度，几乎接近铸件表面温度，并且在铸件凝固时期基本保持不变。当铸型厚度适当时，型壁外表面的温度接近周围介质的温度，向介质散热作用可以忽略不计，铸件在砂型中的凝固主要是靠铸型本身积蓄热量。因此，砂型的激冷能力很差，铸件断面的温度分布曲线自始至终都很平坦，温度梯度很小。（6）铸件在湿砂型中凝固时，由于砂型里有水分，铸型内表面的热量不仅由于正常的导热和辐射，同时也由于蒸汽的移动而转移。而且由于砂粒之间存在水分，使接触传热条件得到改善，提高了铸型的导热系数，也提高铸型的比热C。2023/2/624所以，与干砂型比较，湿砂型最初具有较显著的激冷效应。但是，这个激冷效应很快就消失，以后和干型的作用基本相同。因此，湿砂型能加速薄壁铸件或铸件中薄壁部位（在2~3分钟内凝固的部位）的凝固。用湿型代替干型，对于厚壁铸件的凝固速度几乎没有影响。(2)铸型的预热温度在熔模铸造中为了提高铸件的精度和减少热裂等缺陷，型壳在浇注前被预热到600-900℃。在金属型铸造中，铸型的预热温度为200-400℃。铸型预热温度越高冷却作用就越小，铸件断面上的温度梯度也就越小。2023/2/6252.2铸件的温度场3.浇注条件的影响

液态金属的浇注温度很少超过液相线以上100℃，因此，金属由于过热所得到的热量比结晶潜热要小得多，一般不大于凝固期间放出的总热量的5-6％。

但是，实验证明，在砂型铸造中非等到液态金属的所有过热量全部散失，铸件的凝固实际上是不会进行的。所以增加过热程度，相当于提高了铸型的温度，使铸件的温度梯度减小。在金属型铸造中，由于铸型具有较大的导热能力，而过热热量所占比重又很少，能够迅速传导出去，所以浇注温度的影响不十分明显2023/2/6262.2铸件的温度场4、铸件结构的影响(1)铸件的壁厚厚壁铸件比簿壁件含有更多的热量，当凝固层逐渐向中心推进时必然要把铸型加热到更高的温度。铸件越厚大，温度梯度就越小。簿壁件比厚壁件的温度梯度大。(2)铸件的形状铸件的棱角和弯曲表面与平面壁的散热条件不同，在铸件表面积相同的情况下，向外部凸出的曲面，如球面、圆柱表面、L形铸件的外角，对应着渐次放宽的铸型体积，散出的热量由较大体积的铸型所吸收，铸件的冷却速度比平面铸件要大。如果铸件表面是向内部凹下的，如圆筒铸件内表面、L或T形铸件的内角，则对应着渐次收缩的铸型体积，铸件的冷却速度比平面部分要小。

(下面以T和L型铸件为例分析)2023/2/627L形和T形铸件不同时刻的等固相线外角的冷却速度大约为平面壁的三倍，而内角的冷却速度最慢。因此，当铸件收缩受阻时，在内角处最容易产生热裂。内直角和内圆角的凝固情况

把内角改成圆内角，由于扩大了散热面积，角上的凝固层加厚，使内直角的不良情况得到改善。因此，生产上经常采用加大内圆角半径的方法防止热裂。如果铸件某断面必须作成直角，则一定要采取措施加速此处的凝固(如放置外冷铁)．2023/2/6282.3铸件的凝固方式2.3.1．凝固动态曲线根据温度－时间曲线，将tL和tS与曲线的交点分别标注在（x/R，）坐标系上，再将各点连接，即得凝固动态曲线。液相边界－凝固始点固相边界－凝固终点液相线温度固相线温度凝固动态曲线的意义:凝固方式凝固的起始时间和终了时间凝固区域的宽度凝固速度凝固开始凝固终了2023/2/6292.3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,2.3.2．凝固区域及其结构凝固区液相区固相区部分状态图固相区、凝固区和液相区2023/2/6302.3铸件的凝固方式固－液部分划分为两个带

右边的晶体已连成骨架，但液体还能在其间移动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”2.3.2．凝固区域及其结构2023/2/631

2.3.3.铸件的凝固方式（1）逐层凝固图2-12（a）为恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金某瞬间的凝固情况。是结晶温度，和是铸件断面上两个不同时刻的温度场。从图中可观察到，在恒温下结晶的纯金属、共晶成分的合金，断面上液体和固体由一条界线截然分开，没有“L+S”两相区，随温度下降，固体层不断加厚，逐步达到中心。这种情况为“逐层凝固方式”。对于结晶温度范围很窄，或断面温度梯度很大时，逐渐断面的凝固区域则很窄，也属于逐层凝固方式（图2-12（b））。

2-12逐层凝固方式示意图2-13体积凝固方式示意图2023/2/632（2）体积凝固

若铸件断面温度场较平坦，温度梯度很小（图2-13（a）），或结晶温度区间很宽（图2-1（b）），铸件凝固的某一段时间内，某凝固区域在某时刻贯穿整个铸件断面时，则在凝固区域里既有已结晶的晶体也有未凝固的液体，这种情况为“体积凝固方式”或称“糊状凝固方式”。（3）中间凝固方式图2-14中间凝固方式示意图

如果合金的结晶温度范围较窄（图2-14（a）），或者铸件断面的温度梯度较大（图2-14（b）），铸件断面上的凝固区域宽度介于二者之间时，则属于“中间凝固方式”。2023/2/633（4）.凝固区域的宽度

由凝固动态曲线上的”液相边界“和”固相边界“之间的纵向距离直接判断。这个距离大小是划分凝固方式的一个准则。如果两条曲线重合在一起，趋向于逐层凝固方式。如果两条曲线的间距很大，则趋向于体积凝固方式。

2023/2/6341.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。表层中心t铸件固相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液表层中心St铸件温度液相线固凝固区2.3.4影响铸件凝固方式的因素合金的结晶温度范围2023/2/6352023/2/636以碳钢为例说明

2023/2/6372、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。2023/2/638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）2023/2/6392.3.4影响铸件凝固方式的因素

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2023/2/6402.3金属的凝固方式与铸件质量的关系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.纯金属，共晶类合金、窄结晶温度范围类合金这类合金包括纯金属、共晶成分合金和其它窄结晶温度范围的合金纯金属共晶类合金窄结晶温度范围合金工业用铜工业用锌工业用锡共晶成分合金近共晶成分合金低碳钢锡青铜结晶温度范围小的黄铜2023/2/641

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。2.3金属的凝固方式与铸件质量的关系2023/2/6423.4金属的凝固方式与铸件质量的关系2、宽结晶温度范围的合金铝、镁合金铜合金铁碳合金铝铜合金铝镁合金镁合金锡青铜铝青铜结晶温度范围大黄铜高碳钢球墨铸铁

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。（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。2023/2/6433.4金属的凝固方式与铸件质量的关系

宽结晶范围的合金结晶过程为，在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。2、宽结晶温度范围的合金2023/2/6443.4金属的凝固方式与铸件质量的关系2、宽结晶温度范围的合金

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请用刚刚学过的知识对此进行分析!!!2023/2/6453.4金属的凝固方式与铸件质量的关系

3、中等结晶温度范围的合金

这类合金常用的有中碳钢、高锰钢、一部分特种黄铜、白口铸铁等。凝固区域为中等宽度，它们的补缩特性、热裂倾向性和充型性能介于窄结晶温度范围合金和宽结晶温度范围合金之间。

只给出相应的组织形成图,不在做具体的分析,请同学们课下思考.2023/2/6463-5铸件的凝固时间铸件的凝固时间:是指从液态金属充满铸型后至凝固完毕所需要的时间.凝固速度:单位时间凝固层的增长速度.铸件的凝固控制，实质上是采取相应的工艺措施控制铸件各部分的凝固速度.所以，在设计冒口和冷铁时需要对铸件的凝固时间进行估算，以保证冒口具有适当的尺寸和正确布置冷铁。对于大型或重要铸件，为了掌握打箱时间，也需对凝固时间进行估算。基础知识简介确定铸件凝固时间的方法：计算法和实验法一、凝固时间的理论计算（自学）二、经验计算法2023/2/647铸型单位面积在时间内从铸件吸收的热量q´应该等于在此时间内铸件凝固了厚度所放出的热量q".3.