铸件的凝固
铸件的凝固与收缩
铸件的凝固与收缩1．铸件的凝固方式铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。
其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大，其宽窄决定着铸件的凝固方式。
（1）逐层凝固纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相并存的凝固区，已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸件完全凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。
（2）糊状凝固如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相共存区贯穿铸件的整个断面，如图4.4c）。
这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故称为糊状凝固。
（3）中间凝固大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，称为中间凝固方式。
铸件采取何种凝固方式主要取决于该合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。
（1）铸造合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。
如砂型铸造时，低碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。
（2）铸件的温度梯度铸造合金的成分一定时，铸件凝固区域的宽窄就取决于其断面的温度梯度，如图3.5所示，随温度梯度由小变大，则相应的凝固区会由宽变窄。
铸件的温度梯度主要取决于：1）铸造合金的性质。
如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。
2）铸型的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。
3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。
总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺措施，减小其凝固区。
铸件的凝固原则
铸件的凝固原则
控制铸件凝固的原则主要有两个：
1，顺序凝固的原则
采用各种方法，保证铸件远离冒口部分最先凝固，绕后市靠近冒口的部分凝固，最后才是冒口本身凝固。
这个原则叫做顺序凝固的原则。
铸件顺序凝固时，最先凝固的部分得到较慢凝固部分的补缩，而较慢凝固部分得到冒口的补缩，使缩孔集中在冒口中，从而获得致密的铸件。
应该指出，逐层凝固和顺序凝固是不同的。
逐层凝固有助于实现顺序凝固，因为它使铸件的断面中心长时间的保持液态，形成补缩通道，保证冒口补缩作用的实现。
因此，合金逐层凝固倾向性好，就容易实现顺序凝固。
顺序凝固能保证获得致密的铸件，但铸件各部分的温差较大，故热应力较大，易使铸件变形或产生热裂。
同时，由于要放置冒口，增加了金属的消耗量和切削冒口的工作量。
2，同时凝固的原则
采用各种方法，保证铸件各部分（不论它的尺寸和结构）近乎同时凝固，从而减小各部分的温差。
这个原则叫做同时凝固的原则。
同时凝固因铸件凝固后，各部分冷热均匀，热应力小，铸件不容易变形和产生裂纹，可不设置冒口或者冒口很少，切割冒口的工作量较小。
而对于液态收缩大的铸件往往在截面中心形成缩松，降低了铸件的塑性和致密性。
铸件的凝固方式
铸件的凝固方式：逐层凝固，中间凝固，糊状凝固合金的结晶温度范围越小，铸件断面的温度梯度越大，铸件越倾向于逐层凝固方式，也越容易铸造一，合金的收缩分类及导致的缺陷、缩孔与缩松形成原因及防止答：分类：1.液态收缩2.凝固收缩3.固态收缩。
会导致如缩孔、缩松、变形、裂纹、残余应力等缺陷。
形成原因：合金液在铸型内冷凝过程中，若其体积收缩得不到补充时，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞，容积较大的孔洞叫缩孔，细小而分散的孔叫缩松。
防止：1.合理选择铸造合金。
2.合理选用凝固原则。
铸件的凝固原则分为“顺序凝固”和“同时凝固”两种。
实现顺序凝固的办法：1，在铸件的厚大部位安放冒口2.安放冷铁3.设置补贴浇注位置的选择原则：1.铸件的重要加工面或质量要求高的面，尽可能置于铸件的下部或处于侧立位置2.大平面的浇注位置是将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷3.具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部或处于侧立位置，以免产生浇不足和冷隔等缺陷 4.为防止铸件产生缩孔缺陷，应把铸件容易产生缩孔的厚大部位置于铸型的顶部和侧面拔模斜度与结构斜度：为使模样（或型芯）易从铸型（或芯盒）中取出，在制造模样或芯盒时，凡平行于拔模方向上的壁，需给出一定的斜度，此斜度称为拔模斜度（拔模斜度）；铸件上凡垂直于分型面的不加工面都应有一定的倾斜度，即结构斜度。
浇注系统的分类：1.顶注式浇注系统：优点容易实现顺序凝固和进行补缩。
缺点是金属液对铸型冲击大，容易产生飞溅，氧化和卷入空气。
适于高度不大，形状简单，薄壁或中等壁厚的铸件。
2.中注式浇注系统：其横浇道和内浇道均开设在分型面上，易于操作，便于控制金属夜的流量分布和铸型的热分布。
3.底注式浇注系统：优点金属液的充型过程平稳，无飞溅，型腔中的气体易于排出，挡渣效果好，缺点是不能利用金属夜的自重进行补缩压力铸造的特点：1.生产效率高，便于实现自动化2.获得铸件的尺寸精度高（11~13），表面粗糙度低（3.2~0.8），一些铸件无需机加工可直接使用3.可获得细晶粒组织的铸件，机械强度比砂型铸造高4.便于实在嵌铸自由锻的基本工序：墩粗和拔长。
铸件合金的凝固与收缩
铸件合金的凝固与收缩合金凝固温度范围和铸件温度梯度会对铸件的凝固方式产生影响，化学成分不同、浇注温度和铸件结构会对逐渐的收缩产生影响。
(一)铸件的凝固方式及影响因素1.铸件的凝固方式(1)逐层凝固方式合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。
常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。
(2)糊状凝固方式合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。
球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。
(3)中间凝固方式大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。
中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。
2.凝固方式的影响因素(1)合金凝固温度范围的影响合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于逐层凝固;如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固;如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。
(2)铸件温度梯度的影响增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化;反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。
(二)铸造合金的收缩铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。
它主要包括以下三个阶段：1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。
2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。
液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。
3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。
固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。
(三)影响合金收缩的因素1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。
在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。
2.浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。
3.铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。
第七章单相固溶体合金及铸锭的凝固
c1
c2
C0
C0
B%
(b)
K 0 1 此阶段满足：固相结晶排向液相 的溶质量＞溶质原子离开界面排 1 向液相的溶质量。 l Rx （2）凝固的稳定阶段（Ⅱ阶段）： 0 D 当界面成分是C0，前沿的液相成 分为C0/k时,如图(b)的T5温度和 0 图(c)的第Ⅱ阶段直至Ⅱ阶段结束。 此阶段满足：固相结晶排向液相的溶质量＝溶质原子离
图7-1不同KO的相图
（液相线与固相线近似为直线时K0为常数）
二.正常凝固时液－固相线中溶液的分布
研究水平园棒的定向凝固，对于KO<1的相图， 成分为C0 ,假设固相中无扩散，液相中可通过 扩散、对流和搅拌使溶液混合。
液相中溶液的混合分为三种： 完全混合、完全无混合、部分混合。
（一）液相完全混合时固相、液相的溶质分布:
（1）初期阶段：
①由于液相原子扩散速度较 小，边界层成分(CL)i与大体 积液相成分(CL)B相差较大， 且： (CL)B>C0
②固相结晶排出溶质部分进 入大体积液相，使边界层中 的浓度梯度不断增大C KC1x L 如图(d)的第Ⅰ阶段。
Ke1 S 00
d c L d x
定向凝固结论： ① 液相混合越充分,铸锭凝固后溶质分布越不均匀， 区域偏析越严重。 ② 利用定向凝固进行提纯材料，液相混合越充分,提 纯效果越好。
§7.2 固溶体合金的成分过冷
一.成份过冷的产生
①设K0<1的相图,液相完全 无混合，合金成分为C0, 进行完全无混合的单向 凝固如图（a）; ②液相中实际的温度分布 图（b）为dT/dx>0,只 受壁模和已凝固的固相 散 热 单向散热所控制;
铸件的凝固与收缩
铸件的凝固与收缩1．铸件的凝固方式铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。
其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大，其宽窄决定着铸件的凝固方式。
（1）逐层凝固纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相并存的凝固区，已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸件完全凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。
（2）糊状凝固如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相共存区贯穿铸件的整个断面，如图4.4c）。
这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故称为糊状凝固。
（3）中间凝固大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，称为中间凝固方式。
铸件采取何种凝固方式主要取决于该合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。
（1）铸造合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。
如砂型铸造时，低碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。
（2）铸件的温度梯度铸造合金的成分一定时，铸件凝固区域的宽窄就取决于其断面的温度梯度，如图3.5所示，随温度梯度由小变大，则相应的凝固区会由宽变窄。
铸件的温度梯度主要取决于：1）铸造合金的性质。
如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。
2）铸型的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。
3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。
总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺措施，减小其凝固区。
铸铁件的均衡凝固原理(精)
均衡凝固原则下的冒口设计要点： 1）冒口尺寸或模数可小于铸件壁厚或模数 2）采用“短、薄、宽”的冒口颈 3）冒口不应该放在铸件的热节上，但要靠近热节 4）冒口根部可放冷铁，缩短凝固收缩时间，防止缩松 5）利用刚性大的铸型，最大限度地利用石墨化膨胀
铸铁件冒口类型及结构：
图4-46铸铁件推荐冒口源自型及结构示意图四、铸铁件的均衡凝固原理 均衡凝固理论要点：
铸件在凝固的某一 时刻，有些部分正在 收缩，有些部分则已 进入石墨化膨胀，时 间同时，铁液相通， 则收缩和膨胀可以叠 加相抵 当某时间收缩值与 膨胀值相等时，就达 到均衡状态
图4-45 铸铁件凝固时收缩和膨胀的叠加 曲边三角形ABC—铸件的总收缩 曲边三角形ADC—铸件总膨胀 曲边三角形ABP—铸件的表观收缩 P—均衡点，为收缩量等于膨胀量的时间
铸件的凝固方式
铸件的凝固方式：逐层凝固，中间凝固，糊状凝固合金的结晶温度范围越小，铸件断面的温度梯度越大，铸件越倾向于逐层凝固方式，也越容易铸造一，合金的收缩分类及导致的缺陷、缩孔与缩松形成原因及防止答：分类：1.液态收缩2.凝固收缩3.固态收缩。
会导致如缩孔、缩松、变形、裂纹、残余应力等缺陷。
形成原因：合金液在铸型内冷凝过程中，若其体积收缩得不到补充时，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞，容积较大的孔洞叫缩孔，细小而分散的孔叫缩松。
防止：1.合理选择铸造合金。
2.合理选用凝固原则。
铸件的凝固原则分为“顺序凝固”和“同时凝固”两种。
实现顺序凝固的办法：1，在铸件的厚大部位安放冒口2.安放冷铁3.设置补贴浇注位置的选择原则：1.铸件的重要加工面或质量要求高的面，尽可能置于铸件的下部或处于侧立位置2.大平面的浇注位置是将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷3.具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部或处于侧立位置，以免产生浇不足和冷隔等缺陷 4.为防止铸件产生缩孔缺陷，应把铸件容易产生缩孔的厚大部位置于铸型的顶部和侧面拔模斜度与结构斜度：为使模样（或型芯）易从铸型（或芯盒）中取出，在制造模样或芯盒时，凡平行于拔模方向上的壁，需给出一定的斜度，此斜度称为拔模斜度（拔模斜度）；铸件上凡垂直于分型面的不加工面都应有一定的倾斜度，即结构斜度。
浇注系统的分类：1.顶注式浇注系统：优点容易实现顺序凝固和进行补缩。
缺点是金属液对铸型冲击大，容易产生飞溅，氧化和卷入空气。
适于高度不大，形状简单，薄壁或中等壁厚的铸件。
2.中注式浇注系统：其横浇道和内浇道均开设在分型面上，易于操作，便于控制金属夜的流量分布和铸型的热分布。
3.底注式浇注系统：优点金属液的充型过程平稳，无飞溅，型腔中的气体易于排出，挡渣效果好，缺点是不能利用金属夜的自重进行补缩压力铸造的特点：1.生产效率高，便于实现自动化2.获得铸件的尺寸精度高（11~13），表面粗糙度低（3.2~0.8），一些铸件无需机加工可直接使用3.可获得细晶粒组织的铸件，机械强度比砂型铸造高4.便于实在嵌铸自由锻的基本工序：墩粗和拔长。
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C4 铸件的凝固与补缩
本章内容：
铸件的凝固过程、凝固特性对铸件质量的影响，缩孔、缩松的形成机理、防止措施以及冒口和冷铁的应用。
§1 铸件的凝固
一铸件的凝固方式
1 凝固区域
除纯金属和共晶合金外，铸件凝固过程中断面有三区：固相区＋凝固区＋液相区，见下图。
图4-1铸件某一瞬间凝固区域
温度场T：指铸件断面上某瞬时的温度分布曲线
固相等温面：Ⅰ－Ⅰ’
液相等温面：Ⅱ－Ⅱ’
固相区：合金已凝固成固相的区域；
液相区：尚未开始凝固的区域；
凝固区：凝固和液固相并存的区域。
2 凝固方式
根据铸件凝固时其断面上凝固区域的大小，凝固方式分三种：逐层凝固、糊状凝固（体积凝固）、中间凝固。
铸件断面凝固区域的宽度δ由合金的结晶温度范围⊿tc和铸件断面上的温度梯度δt决定的。
当温度梯度相同时，取决于合金的结晶温度范围；当合金成分一定时，则取决于温度梯度。
温度梯度较大时，可使凝固区域变窄。
1）逐层凝固⊿tc=0,δ=0
恒温下结晶的合金，在凝固过程中其铸件断面上凝固区宽度等于零，断面上的固体和液体由一条界线清楚分开。
随温度下降，凝固层逐渐加厚直至铸件凝固结束。
包括纯金属、共晶合金、结晶温度范围很小或断面上温度梯度很大的情况。
逐层凝固糊状凝固中间凝固
左：纯金属或共晶合金左：结晶温度范围很宽左：结晶温度范围较窄右：窄结晶温度范围右：温度场平坦右：温度梯度较大
凝固特点：
易形成缩孔、热裂倾向小、较好的流动能力。
（这类合金的补缩性良好，可以采取工艺措施，如设置冒口，来消除缩孔）。
合金种类：
纯金属、共晶合金、低碳钢、高合金钢、铝青铜、窄结晶温度范围黄铜等。
2）糊状凝固
铸件凝固过程中，铸件断面上的凝固区域很宽，在某一段时间内，凝固区域甚至会贯穿于铸件的整个断面，铸件表面尚未出现固相区，铸件中心已开始结晶，出现了固相。
凝固特点：
补缩性差（易形成缩松）、热裂倾向大、流动能力差。
合金种类：
高碳钢、球铁、锡青铜、铝镁合金及某些结晶温度范围宽的黄铜。
3）中间凝固
铸件断面上凝固区域宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间。
中碳钢、高锰钢、白口铸铁、灰铸铁。
总结：铸件的凝固方式（3种），主要依据铸件断面上凝固区宽度δ来分，铸件
断面上凝固区域宽度δ是由合金的结晶温度范围⊿tc和铸件断面上的温度梯度δt决定的。
二铸件凝固原则
1 顺序凝固（定向凝固）
采用工艺措施使铸件远离冒口部分先凝固，后近冒口，最后冒口。
具递增温度梯度。
冒口补缩作用好，铸件内部组织致密。
但不同部分温差大，热应力大，易产生热裂。
加冒口后金属消耗大。
2 同时凝固
采用工艺措施使铸件各部分之间没有温差或温差很小，使不同部分同时凝固。
铸件不易产生热裂，应力和变形小，不用冒口或冒口很小，节省金属。
但铸件中心可能产生缩松缺陷，组织不够致密。
总结：逐层凝固是指铸件某一断面上的凝固顺序，顺序凝固（定向凝固）是指铸件宏观结构上各部分的凝固顺序。
三凝固原则的选择
如何选择凝固原则，应根据铸件的合金特点、工作条件、结构特点及可能出现的缺陷等综合考虑。
1 除承受静载荷外还受到动载荷作用的铸件，承受压力而不允许渗漏的铸件或表面粗糙度值要求低的铸件宜选择顺序凝固或局部顺序凝固原则。
（致密性要求高或质量要求高的铸件）
2 厚实的或壁厚不均匀的铸件，当其材质是无凝固膨胀且倾向于逐层凝固的铸造合金时，宜采用顺序凝固原则。
3 碳硅含量较高的灰铁，其铸件凝固时有石墨化膨胀，不易出现缩孔和缩松，宜采用同时凝固原则。
4 球墨铸铁铸件利用凝固时的石墨化膨胀力实现自补缩时应选择同时凝固原则。
（铸型刚度大时，如呋喃树脂自硬砂型、覆砂金属型等）
5 非厚实、壁厚均匀的铸件，尤其是各类合金的薄壁铸件，宜采用同时凝固。
6 当铸件易出现热裂、变形或冷裂缺陷时宜采用同时凝固原则。
7 对于结晶温度范围大、倾向于糊状凝固的合金铸件，对气密性要求不高时，宜采用同时凝固。
如其重要部分不允许出现缩松，则可采取其它工艺措施（如覆砂金属型或加冷铁）。
例图4-8 （p115）同一铸件不同要求时采用不同凝固原则。
生产实践中，控制铸件凝固原则的工艺措施可包括正确地布置浇口位置、确定合理的浇铸工艺、采用冒口补缩、在铸件上增加补贴、采用冷铁或不同蓄热系数的铸型材料、浇铸后改变铸件位置等。
作业题：如何选择铸件的凝固原则？。