金属的凝固特点

关于金属的凝固特点铸造特点

铸造优点

1．具有较强的适应性重量：几克—几百吨尺寸：几毫米—十几米壁厚：0.2mm—1m结构：复杂外形、内腔材质：不限，特别是脆性材料2．铸件成本低原材料：来源广、价格低、投资少、易生产铸件：机械加工量相对较小，成本低第2页,共57页，星期六，2024年，5月铸造特点铸造缺点工序复杂，方法落后，铸件尺寸精度不高，表面质量难保证，铸件内部易出现气孔、砂眼、缩孔、晶粒粗大等现象。

第3页,共57页，星期六，2024年，5月§1金属的凝固特点

合金的铸造性能：金属在由液态转变为固态的过程中，存在的一些与铸件质量相关的性能特点。一般指铸造过程中的流动性、收缩性、吸气性等工艺性能。

第4页,共57页，星期六，2024年，5月几个准备概念充型：液态合金填充铸型的过程.充型能力：液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力浇不足：因液态金属充型能力不足而不能得到完整形状的铸件。冷隔：指铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。第5页,共57页，星期六，2024年，5月本节三大内容一、液态金属的流动特点二、合金的凝固特点三、合金的收缩特点第6页,共57页，星期六，2024年，5月一、液态金属的流动特点

1.流动性流动性:是描述液态金属流动能力的一个术语。流动性的高低主要取决于金属的结晶特点和物理性能。物质由液态转变为固态晶体时，称为“结晶”。粘度的大小表示液体中发生相对运动的难易程度，粘度大，液体粘稠，相对运动困难，就很难形成晶体。第7页,共57页，星期六，2024年，5月一、液态金属的流动特点

1.流动性流动性对铸件质量影响：液态金属流动性越好，越有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮,排除；易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行及时补缩；越容易充满铸型的型腔、得到轮廓清晰、健全完整的铸件；否则，铸件越容易出现冷隔或浇注不足的缺陷。第8页,共57页，星期六，2024年，5月2.影响流动性的因素合金成分的影响

浇注温度和压力的影响铸型条件的影响

第9页,共57页，星期六，2024年，5月合金成分的影响a.纯金属流动性好：一定温度下结晶，凝固层表面平滑，对液流阻力小。b.共晶成分流动性好：共晶成分的合金恒温凝固，固体层表面光滑,且熔点低，过热度大。c.非共晶成分流动性差：结晶在一定温度范围内进行，非共晶成分的合金凝固时在两相区中生长出的大量枝状晶粒阻碍液体金属的流动。第10页,共57页，星期六，2024年，5月浇注温度和压力的影响①浇注温度

t↑合金粘度下降,流动性↑

t↑液态金属的过热度↑，充型能力↑但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔,晶粒粗大等,故不宜过高

结论：要在金属液体具有足够的充型能力的前提下，尽量降低浇注温度。第11页,共57页，星期六，2024年，5月浇注温度和压力的影响②充型压力充型压力↑，液态合金在流动方向上所受的压力↑液体进入型腔的速度↑充型能力↑如砂形铸造---直浇道,静压力.压力铸造,离心铸造等充型压力高.第12页,共57页，星期六，2024年，5月铸型条件的影响

①铸型结构：若不合理,如壁厚小，直浇口低,浇口小等充型能力↓②铸型导热能力：导热↑，金属降温快，充型能力↓；第13页,共57页，星期六，2024年，5月铸型条件的影响③铸型温度：t↑，充型能力↑，如金属型预热④铸型中气体：排气能力↑，充型能力↑，减少气体来源，提高透气性，少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜，减少流动阻力，有利于充型。第14页,共57页，星期六，2024年，5月铸型条件的影响结论：可通过改善铸型型腔的结构提高金属液的流动性及充型压力。

第15页,共57页，星期六，2024年，5月铸型条件的影响提高直浇道高度改善型腔结构采用散热慢的铸型材质原理：都是使金属流动性增强，流动时间延长，增大充型压力，从而有利于充型能力的提高。第16页,共57页，星期六，2024年，5月二、合金的凝固特点

铸件凝固过程中其断面上的三个区固相区固液共存区（通常称为凝固区）液相区第17页,共57页，星期六，2024年，5月对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此划分凝固方式:1.逐层凝固2.体积凝固3.中间凝固第18页,共57页，星期六，2024年，5月1.

逐层凝固纯金属或共晶成分合金恒温下结晶时，凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度很窄，固液两相由一条界线清楚分开，随着温度下降，固相层不断增加，液相层不断减少，逐渐达到铸件中心。（图2-2a）

逐层凝固时合金充型能力强，产生缺陷少。第19页,共57页，星期六，2024年，5月第20页,共57页，星期六，2024年，5月2.体积凝固

当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小时，在凝固某段时间内，铸件表面不存在固体层，固液共存的区域很宽，凝固区甚至贯穿整个铸件截面的凝固方式。或称为糊状凝固方式（先糊状，后固化。图2-2c）。第21页,共57页，星期六，2024年，5月3.中间凝固

金属的结晶范围较窄，或结晶温度区间虽宽但铸件截面温度梯度大时，凝固区域的宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，称该凝固方式为中间凝固方式，图2-2b。第22页,共57页，星期六，2024年，5月影响凝固方式的主要因素

铸造合金的结晶温度区间宽窄和铸件截面的温度梯度大小是影响凝固方式的主要因素。

第23页,共57页，星期六，2024年，5月结晶温度区间越小，凝固区域越窄，合金越倾向于逐层凝固。当合金的成分一定时，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度。温度梯度愈小，凝固区愈宽，合金越趋向于体积凝固。温度梯度越大，凝固区域越窄，合金越趋向于逐层凝固。第24页,共57页，星期六，2024年，5月三、

合金的收缩特点1.合金的收缩2.影响收缩的因素3.收缩对铸件质量的影响及防止措施第25页,共57页，星期六，2024年，5月1.合金的收缩铸件在冷却过程中的收缩是合金的固有物理性质。即：液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象。

这是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因。第26页,共57页，星期六，2024年，5月从液态冷却到室温的过程中，金属要经历三个相互联系的收缩阶段：液态收缩

凝固收缩

固态收缩第27页,共57页，星期六，2024年，5月液态收缩：

从浇铸温度冷却至凝固开始温度之间的收缩。即：从金属液浇入铸型到开始凝固之前。液态收缩减少的体积与浇注温度和开始凝固的温度的温差成正比。第28页,共57页，星期六，2024年，5月凝固收缩：从凝固开始温度冷却至凝固结束温度之间的收缩。即：从凝固开始到凝固完毕。同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大。如：35钢,体积收缩率3.0%,45钢4.3%第29页,共57页，星期六，2024年，5月这两种收缩（液态收缩、凝固收缩）表现为合金的体积缩小，使型腔内金属液面下降，它们是铸件产生缩孔和缩松缺陷的根本原因。

第30页,共57页，星期六，2024年，5月固态收缩：从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩.

固态收缩也会引起体积的变化，在铸件各个方向上都表现出线尺寸的减小，对铸件的形状和尺寸精度影响最大，它是铸件产生内应力以致引起变形和裂纹的主要原因。第31页,共57页，星期六，2024年，5月2.影响收缩的因素

化学成分浇铸温度铸件结构与铸型条件

第32页,共57页，星期六，2024年，5月化学成分的影响

成分不同，收缩率不同。铸铁中促进石墨形成的元素增加，收缩减少。如:灰口铁C,Si↑,收↓,S↑收↑。原因：石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩。第33页,共57页，星期六，2024年，5月浇铸温度

主要影响液态收缩:

浇铸t↑，则此温度与开始凝固的温度之温差↑，于是液态收缩↑，则总收缩量相应↑。第34页,共57页，星期六，2024年，5月铸件结构与铸型条件

铸件收缩是受阻收缩，阻力主要来源于两个方面：铸件壁厚不均，各部分冷却速度不同，收缩的先后不一致，相互制约而产生阻力；铸型和型芯对收缩的机械阻力。铸件收缩时受阻越大，实际收缩率就越小。第35页,共57页，星期六，2024年，5月铸件结构与铸型条件

结论：

设计和制造模型时，应根据合金种类和铸件的受阻情况，采用合适的收缩率。使铸型有好的退让性。第36页,共57页，星期六，2024年，5月3.收缩对铸件质量的影响及防止措施主要内容：1）铸件的缩孔和缩松及防止措施2）铸造应力（热应力、组织应力、机械应力）及其防止措施3）变形与裂纹及防止措施第37页,共57页，星期六，2024年，5月3.1铸件的缩孔和缩松及防止措施缩孔和缩松铸件凝固过程中，金属液态收缩和凝固收缩造成体积减小，又得不到液态的补充，在铸件最后凝固的部位形成了孔洞，容积较大而集中的孔洞称为缩孔。细小而分散的孔洞称为缩松。（见图2-3）第38页,共57页，星期六，2024年，5月缩松分两种：宏观缩松（肉眼或放大镜可以看到的小孔洞，分布于铸件中心轴线处或缩孔下方）图2-3显微缩松（分布于晶粒之间的微小孔洞）。第39页,共57页，星期六，2024年，5月缩孔和缩松的防止措施安置冒口,实行顺序凝固

造型时在铸件的厚大部分附设冒口,使铸件的凝固顺序由远离冒口的部位先凝固并依次向冒口推进,冒口部位最后凝固（图2-4）。铸件收缩时所需要的金属液则由冒口提供，缩孔和缩松则出现在冒口中——补缩。第40页,共57页，星期六，2024年，5月图2-4顺序凝固

第41页,共57页，星期六，2024年，5月缩孔和缩松的防止措施几点注意1.安置冒口,实行顺序凝固,可有效的防止缩孔,但冒口浪费金属,浪费工时,使铸件成本增加.而且,铸件内应力加大,易于产生变形和裂纹.∴主要用于凝固收缩大,结晶间隔小的合金.第42页,共57页，星期六，2024年，5月缩孔和缩松的防止措施几点注意2.对于结晶温度范围甚宽的合金（非共晶成分合金）,由于倾向于糊状凝固,结晶开始之后,发达的树枝状骨状布满整个截面,使冒口补缩道路受阻,因而冒口的作用很小，难避免显微缩松的产生。显然,选用近共晶成分和结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的。第43页,共57页，星期六，2024年，5月3.2铸造应力及其防止措施铸造应力又称内应力

包括：热应力组织应力机械应力第44页,共57页，星期六，2024年，5月1.热应力铸件凝固过程中，由于铸件壁厚不均匀，各部位的散热情况也不同，造成各部位的冷却速度不同，使得各部位在同一时刻的收缩量不一致而产生的内应力称为热应力。

它使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别越大，热应力越大。第45页,共57页，星期六，2024年，5月2.组织应力(相变应力)由于铸件的各部分冷却速度不同，从而导致发生组织结构转变的时间不一致，产生相互制约的结果，既可以有拉应力又可以有压应力。第46页,共57页，星期六，2024年，5月以上两种应力（热应力与相变应力）的防止：a.壁厚均匀b.采取同时凝固的工艺方法同时凝固(图2-6)：就是设法减少铸件冷却过程中各部位的温差，使各部位收缩一致，如将浇注系统开在薄壁处，在厚壁处则安放冷铁等。当应力较大时，可通过热处理消除。第47页,共57页，星期六，2024年，5月图2-6同时凝固

第48页,共57页，星期六，2024年，5月同时凝固方法的优缺点优点:省冒口,省工,省料缺点:心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铁锡青铜,因灰铁缩孔、缩松倾向小，锡青铜糊状凝固，用顺序凝固也难以有效地消除其显微缩松。第49页,共57页，星期六，2024年，5月3.机械应力定义：是合金固态收缩时受到铸型或型芯的机械阻碍作用形成的，当阻碍作用消除后，应力能够自行消除。防止措施：通过改进铸件结构和增加型砂的退让性来解决。第50页,共57页，星期六，2024年，5月4.变形与裂纹及防止措施

铸件常发生不同程度的变形，通过自由变形来松弛内应力，这是一个自发过程。应力>σS时，铸件发生变形；应力>σb时，铸件开裂，产生裂纹。根据开裂的特点不同，分为热裂纹和冷