液態(tài)成形中的流動(dòng)性與充型性

1、第二章第二章 液態(tài)成形中的流動(dòng)與傳熱液態(tài)成形中的流動(dòng)與傳熱第一節(jié)第一節(jié) 液體金屬的流動(dòng)性與充型能力液體金屬的流動(dòng)性與充型能力第二節(jié)第二節(jié) 凝固過程中的液體流動(dòng)凝固過程中的液體流動(dòng)第三節(jié)第三節(jié) 凝固過程中的熱量傳輸凝固過程中的熱量傳輸?shù)谒墓?jié)第四節(jié) 鑄件的凝固時(shí)間鑄件的凝固時(shí)間液態(tài)成形液態(tài)成形是指將液態(tài)（或熔融態(tài)、漿狀）材料注入一定形狀和是指將液態(tài)（或熔融態(tài)、漿狀）材料注入一定形狀和尺寸的鑄型尺寸的鑄型(Mold)（或模具）型腔（或模具）型腔(Mold Cavity)中，凝固后獲得中，凝固后獲得固態(tài)毛坯或零件的方法。固態(tài)毛坯或零件的方法。 如重力鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等。如重力鑄造、壓力鑄造、離

2、心鑄造等。在這一過程中，液體金屬要進(jìn)行流動(dòng)，并充滿型腔。在充型完成在這一過程中，液體金屬要進(jìn)行流動(dòng)，并充滿型腔。在充型完成后的冷卻過程中，液體金屬都將與鑄型進(jìn)行熱量的交換，并產(chǎn)生后的冷卻過程中，液體金屬都將與鑄型進(jìn)行熱量的交換，并產(chǎn)生凝固。凝固。故故液體金屬在充型中的流動(dòng)場，以及凝固過程中的溫度場液體金屬在充型中的流動(dòng)場，以及凝固過程中的溫度場是液態(tài)是液態(tài)成形中的兩個(gè)基本問題，對(duì)鑄件的質(zhì)量及缺陷產(chǎn)生重要的影響。成形中的兩個(gè)基本問題，對(duì)鑄件的質(zhì)量及缺陷產(chǎn)生重要的影響。一、液體金屬的流動(dòng)性與充型能力一、液體金屬的流動(dòng)性與充型能力1. 液態(tài)金屬的充型能力液態(tài)金屬的充型能力 充型充型是指液態(tài)金屬充填鑄

3、型型腔的過程；液態(tài)金是指液態(tài)金屬充填鑄型型腔的過程；液態(tài)金屬的屬的充型能力充型能力(Mold Filling Capacity)是指液態(tài)金屬充是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力，滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力，否則會(huì)產(chǎn)生否則會(huì)產(chǎn)生“澆不足澆不足”的缺陷。的缺陷。金屬液的流動(dòng)性金屬液的流動(dòng)性 液態(tài)金屬的流動(dòng)性是指金屬液的流動(dòng)能力。液態(tài)金屬的流動(dòng)性是指金屬液的流動(dòng)能力。流動(dòng)性好的液態(tài)金屬，流動(dòng)性好的液態(tài)金屬，充型能力強(qiáng)，易于充滿薄而復(fù)充型能力強(qiáng)，易于充滿薄而復(fù)雜的型腔，有利于金屬液中氣體、雜質(zhì)的上浮并排除，雜的型腔，有利于金屬液中氣體、雜質(zhì)的上浮并排除，有利于

4、對(duì)鑄件凝固時(shí)的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮；有利于對(duì)鑄件凝固時(shí)的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮；流動(dòng)性不好的液態(tài)金屬，流動(dòng)性不好的液態(tài)金屬，充型能力弱，鑄件易產(chǎn)生澆充型能力弱，鑄件易產(chǎn)生澆不足、冷隔、氣孔、夾雜、縮孔、熱裂等缺陷。不足、冷隔、氣孔、夾雜、縮孔、熱裂等缺陷。合金流動(dòng)性的好壞，合金流動(dòng)性的好壞，通常通常以以“螺旋形流動(dòng)螺旋形流動(dòng)性試樣性試樣”的長度的長度來衡來衡量，將金屬液體澆入量，將金屬液體澆入螺旋形試樣鑄型中，螺旋形試樣鑄型中，在相同的澆注條件下，在相同的澆注條件下，合金的流動(dòng)性愈好，合金的流動(dòng)性愈好，所澆出的試樣愈長。所澆出的試樣愈長。 液態(tài)金屬的充型能力取決于：液態(tài)金屬的充型能力取決于：內(nèi)因內(nèi)因金屬本身的流

5、動(dòng)性金屬本身的流動(dòng)性(流動(dòng)流動(dòng)能力能力)；外因外因鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素。鑄件結(jié)構(gòu)等因素。先來了解幾個(gè)概念先來了解幾個(gè)概念合金的凝固特性合金的凝固特性 合金從液態(tài)到固態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變稱為凝固或一次結(jié)晶。合金從液態(tài)到固態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變稱為凝固或一次結(jié)晶。 1) 逐層凝固逐層凝固 純金屬、二元共晶成分合金在恒溫下結(jié)晶時(shí)，凝固過程中鑄件截面上的凝固純金屬、二元共晶成分合金在恒溫下結(jié)晶時(shí)，凝固過程中鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾葹榱?，截面上固液兩相界面分明，隨著溫度的下降，固相區(qū)由表層不斷區(qū)域?qū)挾葹榱悖孛嫔瞎桃簝上嘟缑娣置鳎S著溫度的下降，固相區(qū)由表層不斷向里擴(kuò)展，逐漸到達(dá)鑄件中心

6、，這種凝固方式稱為向里擴(kuò)展，逐漸到達(dá)鑄件中心，這種凝固方式稱為“逐層凝固逐層凝固”，如，如圖圖a。 2) 體積凝固體積凝固 當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，或因鑄件截面溫度梯度很當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，或因鑄件截面溫度梯度很小，鑄件凝固的某段時(shí)間內(nèi)，其液固共存的凝固區(qū)域很寬，小，鑄件凝固的某段時(shí)間內(nèi)，其液固共存的凝固區(qū)域很寬，甚至貫穿整個(gè)鑄件截面，這種凝固方式稱為甚至貫穿整個(gè)鑄件截面，這種凝固方式稱為“體積凝固體積凝固”（或稱糊狀凝固），如（或稱糊狀凝固），如圖圖c。 3) 中間凝固中間凝固 金屬的結(jié)晶范圍較窄，或結(jié)晶溫度范圍雖寬，但鑄件截金屬的結(jié)晶范圍較窄，或結(jié)晶溫度范圍雖寬，但鑄件截面溫度梯度

7、大，鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谥饘幽膛c面溫度梯度大，鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谥饘幽膛c體積凝固之間，稱為體積凝固之間，稱為“中間凝固中間凝固”方法，如方法，如圖圖b。合金的合金的結(jié)晶溫度范圍結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固；愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固；對(duì)于一定成分的合金，結(jié)晶溫度范圍已定，凝固方式取決于鑄件對(duì)于一定成分的合金，結(jié)晶溫度范圍已定，凝固方式取決于鑄件截面的溫度梯度，溫度梯度越大，對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)域越窄，越趨向截面的溫度梯度，溫度梯度越大，對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)域越窄，越趨向于逐層凝固。于逐層凝固。 1.鑄鐵鑄鐵 (1)灰口鑄鐵：碳主要以灰口鑄鐵：碳主要以片狀石墨

8、片狀石墨形式出現(xiàn)的鑄鐵，斷口呈灰色。形式出現(xiàn)的鑄鐵，斷口呈灰色。 (2)球墨鑄鐵：通過球化和孕育處理得到球墨鑄鐵：通過球化和孕育處理得到球狀石墨球狀石墨，有效地提高了鑄鐵，有效地提高了鑄鐵的機(jī)械性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強(qiáng)度。的機(jī)械性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強(qiáng)度。 (3)可鍛鑄鐵：用白口鑄鐵經(jīng)過熱處理后制成的有韌性的鑄鐵?？慑戣T鐵：用白口鑄鐵經(jīng)過熱處理后制成的有韌性的鑄鐵。 2.鑄鋼鑄鋼 鑄鋼的鑄造性能差。鑄鋼的流動(dòng)性比鑄鐵差，熔點(diǎn)高，易產(chǎn)生澆不鑄鋼的鑄造性能差。鑄鋼的流動(dòng)性比鑄鐵差，熔點(diǎn)高，易產(chǎn)生澆不足、冷隔和粘砂等缺陷。鑄鋼的收縮性大，產(chǎn)生縮

9、孔、縮松、裂紋等缺足、冷隔和粘砂等缺陷。鑄鋼的收縮性大，產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋等缺陷的傾向大陷的傾向大 。 3.鑄造有色金屬鑄造有色金屬 常用的有鑄造鋁合金、鑄造銅合金等。它們大都具有流動(dòng)性好，收常用的有鑄造鋁合金、鑄造銅合金等。它們大都具有流動(dòng)性好，收縮性大，容易吸氣和氧化等特點(diǎn)，特別容易產(chǎn)生氣孔、夾渣缺陷?？s性大，容易吸氣和氧化等特點(diǎn)，特別容易產(chǎn)生氣孔、夾渣缺陷。 常用鑄造合金的性能特點(diǎn)常用鑄造合金的性能特點(diǎn)影響充型能力的因素是通過影響充型能力的因素是通過2個(gè)途徑起作用的：個(gè)途徑起作用的：影響金屬與鑄型之間的熱交換作用，從而改變金屬液影響金屬與鑄型之間的熱交換作用，從而改變金屬液的流動(dòng)時(shí)間；

10、的流動(dòng)時(shí)間；1. 影響金屬液在鑄型中的水力學(xué)條件，從而改變金屬液影響金屬液在鑄型中的水力學(xué)條件，從而改變金屬液的流速。的流速。第一類因素第一類因素金屬性質(zhì)：金屬性質(zhì)： 金屬的密度、比熱容、熱導(dǎo)率、結(jié)晶潛熱、粘度、表面金屬的密度、比熱容、熱導(dǎo)率、結(jié)晶潛熱、粘度、表面張力、結(jié)晶特點(diǎn)等；張力、結(jié)晶特點(diǎn)等；第二類因素第二類因素鑄型性質(zhì)：鑄型性質(zhì)： 鑄型的蓄熱系數(shù)、密度、比熱容、熱導(dǎo)率、溫度、涂料鑄型的蓄熱系數(shù)、密度、比熱容、熱導(dǎo)率、溫度、涂料層、發(fā)氣性和透氣性等；層、發(fā)氣性和透氣性等；第三類因素第三類因素澆注條件：澆注條件： 液態(tài)金屬的澆注溫度、靜壓頭、外力場等；液態(tài)金屬的澆注溫度、靜壓頭、外力場等；

11、第四類因素第四類因素鑄件結(jié)構(gòu)：鑄件結(jié)構(gòu)： 鑄件的折算厚度及由鑄件結(jié)構(gòu)所規(guī)定的型腔的復(fù)雜程度鑄件的折算厚度及由鑄件結(jié)構(gòu)所規(guī)定的型腔的復(fù)雜程度引起的壓頭損失等。引起的壓頭損失等。影響液態(tài)金屬充型性的最主要的因素影響液態(tài)金屬充型性的最主要的因素金屬性質(zhì)金屬性質(zhì)澆注條件澆注條件A.鑄型條件鑄型條件金屬性質(zhì)金屬性質(zhì) 包括金屬的種類、成分、結(jié)晶特性及其熱性質(zhì)包括金屬的種類、成分、結(jié)晶特性及其熱性質(zhì)等，決定了液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力及充型過等，決定了液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力及充型過程的變化特征。程的變化特征。合金種類合金種類不同的合金，充型性差異很大。不同的合金，充型性差異很大。例如：灰鑄鐵充型能力最好，鑄鋼的

12、充型性最差。例如：灰鑄鐵充型能力最好，鑄鋼的充型性最差。合金的成分合金的成分同種合金中，成分不同，結(jié)晶特征不同，充型性差異很大。同種合金中，成分不同，結(jié)晶特征不同，充型性差異很大。u 純金屬和共晶成分的合金：純金屬和共晶成分的合金：在在整個(gè)凝固結(jié)晶過程中，結(jié)晶溫度都是恒定不變整個(gè)凝固結(jié)晶過程中，結(jié)晶溫度都是恒定不變的，的，屬于逐層凝固方式，從表面向中心逐層凝固結(jié)晶，屬于逐層凝固方式，從表面向中心逐層凝固結(jié)晶，凝固層的表面比較光滑，對(duì)尚未凝固的金屬的流動(dòng)凝固層的表面比較光滑，對(duì)尚未凝固的金屬的流動(dòng)阻力小，故充型性好。阻力小，故充型性好。當(dāng)液態(tài)凝固成為固體而發(fā)生當(dāng)液態(tài)凝固成為固體而發(fā)生體積收縮體積

13、收縮時(shí)，可以不斷地得到液體的時(shí)，可以不斷地得到液體的補(bǔ)充，所以產(chǎn)生分散性縮松的傾向性很小，而是在鑄件最后凝固補(bǔ)充，所以產(chǎn)生分散性縮松的傾向性很小，而是在鑄件最后凝固的部位留下集中縮孔。由于的部位留下集中縮孔。由于集中縮孔集中縮孔容易消除，一般認(rèn)為這類合容易消除，一般認(rèn)為這類合金的補(bǔ)縮性良好。在板狀或棒狀鑄件會(huì)出現(xiàn)金的補(bǔ)縮性良好。在板狀或棒狀鑄件會(huì)出現(xiàn)中心線縮孔中心線縮孔。這類鑄。這類鑄件在凝固過程中，當(dāng)收縮受阻而產(chǎn)生晶間裂紋時(shí)，也容易得到金件在凝固過程中，當(dāng)收縮受阻而產(chǎn)生晶間裂紋時(shí)，也容易得到金屬液的填充，使裂紋愈合。屬液的填充，使裂紋愈合。 鑄件在凝固過程中，由于金屬液態(tài)收縮和凝固收縮造成的

14、體積減小得不到鑄件在凝固過程中，由于金屬液態(tài)收縮和凝固收縮造成的體積減小得不到液態(tài)金屬的補(bǔ)充，在鑄件最后凝固的部位形成孔洞。其中容積較大而集中液態(tài)金屬的補(bǔ)充，在鑄件最后凝固的部位形成孔洞。其中容積較大而集中的稱的稱縮孔縮孔，細(xì)小而分散的稱，細(xì)小而分散的稱縮松縮松。u非共晶成分的合金：非共晶成分的合金：在在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的，屬于糊狀凝固或中間凝固，結(jié)晶區(qū)域內(nèi)的，屬于糊狀凝固或中間凝固，結(jié)晶區(qū)域內(nèi)存在液相和固相并存的兩相區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，合金粘稠，樹枝狀晶存在液相和固相并存的兩相區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，合金粘稠，樹枝狀晶發(fā)達(dá)，使凝固層內(nèi)表面參差不齊，合金液在其間的流動(dòng)阻力很大，發(fā)達(dá)，使

15、凝固層內(nèi)表面參差不齊，合金液在其間的流動(dòng)阻力很大，因而充型性差。因而充型性差。合金的結(jié)晶溫度范圍越寬，充型性越差。合金的結(jié)晶溫度范圍越寬，充型性越差。寬結(jié)晶溫度范圍的合金寬結(jié)晶溫度范圍的合金，凝固區(qū)域?qū)?，散熱條件差，容易發(fā)展成凝固區(qū)域?qū)?，散熱條件差，容易發(fā)展成為樹枝晶發(fā)達(dá)的粗大等軸枝晶組織。當(dāng)粗大的等軸枝晶相互連接為樹枝晶發(fā)達(dá)的粗大等軸枝晶組織。當(dāng)粗大的等軸枝晶相互連接以后以后(固相約為固相約為70)，將使凝固的液態(tài)金屬分割為一個(gè)個(gè)互不溝，將使凝固的液態(tài)金屬分割為一個(gè)個(gè)互不溝通的溶池，最后在鑄件中形成分散性的縮孔通的溶池，最后在鑄件中形成分散性的縮孔 ，即縮松，如圖。，即縮松，如圖。純金屬、共

16、晶成分合金及結(jié)晶溫度很窄的合金純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度很窄的合金流動(dòng)機(jī)理示意圖流動(dòng)機(jī)理示意圖液態(tài)金屬流動(dòng)機(jī)理與充型能力液態(tài)金屬流動(dòng)機(jī)理與充型能力區(qū)：純液態(tài)流動(dòng)；區(qū)：純液態(tài)流動(dòng)；區(qū)：先形成凝固殼再被完區(qū)：先形成凝固殼再被完全熔化；全熔化；區(qū)：未被完全熔化而保留區(qū)：未被完全熔化而保留下來的一部分固相下來的一部分固相區(qū)；區(qū)；區(qū)：結(jié)晶區(qū)。區(qū)：結(jié)晶區(qū)。充型能力強(qiáng)充型能力強(qiáng)前端析出前端析出1520的固相量的固相量時(shí)，流動(dòng)就停止。時(shí)，流動(dòng)就停止。 寬結(jié)晶溫度合金流動(dòng)機(jī)理示意圖寬結(jié)晶溫度合金流動(dòng)機(jī)理示意圖a）：在過熱量未散失盡前是）：在過熱量未散失盡前是以純液態(tài)流動(dòng)。溫度降到液相以純液態(tài)流動(dòng)。溫度降到液

17、相線以下，液流中析出晶體，順線以下，液流中析出晶體，順流前進(jìn)，并不斷長大。流前進(jìn)，并不斷長大。b）：液流前斷不斷與冷的型）：液流前斷不斷與冷的型壁接觸，冷卻最快，晶粒數(shù)量壁接觸，冷卻最快，晶粒數(shù)量最多，使金屬液的粘度增加，最多，使金屬液的粘度增加，流速減慢。流速減慢。c）：當(dāng)晶粒達(dá)到某一臨界數(shù)）：當(dāng)晶粒達(dá)到某一臨界數(shù)量時(shí)，便結(jié)成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，量時(shí)，便結(jié)成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，液流的壓力不能克服此網(wǎng)絡(luò)的液流的壓力不能克服此網(wǎng)絡(luò)的阻力時(shí)，發(fā)生堵塞而停止流動(dòng)。阻力時(shí)，發(fā)生堵塞而停止流動(dòng)。同時(shí)，金屬合金中的同時(shí)，金屬合金中的各合金元素各合金元素對(duì)流動(dòng)性有不同的影響。對(duì)流動(dòng)性有不同的影響。例：鐵碳合金例：鐵

18、碳合金碳、硅、磷含量高的鑄鐵，充型能力強(qiáng)；碳、硅、磷含量高的鑄鐵，充型能力強(qiáng)；硫含量高的鑄鐵，充型能力弱。硫含量高的鑄鐵，充型能力弱。金屬的物理性質(zhì)金屬的物理性質(zhì)比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱等。比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱等。液態(tài)合金的液態(tài)合金的比熱容和密度越大比熱容和密度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小，凝，導(dǎo)熱系數(shù)越小，凝固時(shí)結(jié)晶潛熱釋放得越多，合金處于液態(tài)的時(shí)間越固時(shí)結(jié)晶潛熱釋放得越多，合金處于液態(tài)的時(shí)間越長，因而充型性越好。長，因而充型性越好。此外，液態(tài)金屬中的不溶雜質(zhì)和氣體對(duì)流動(dòng)充型性此外，液態(tài)金屬中的不溶雜質(zhì)和氣體對(duì)流動(dòng)充型性也有很大影響。也有很大影響。澆注條件澆注條件澆注溫度澆注溫度充型壓

19、力充型壓力 澆注溫度澆注溫度澆注溫度對(duì)金屬的充型能力有著澆注溫度對(duì)金屬的充型能力有著決定性決定性的影響。的影響。澆注溫度越高澆注溫度越高，金屬的流動(dòng)性越好，且在鑄型中保，金屬的流動(dòng)性越好，且在鑄型中保持液態(tài)的時(shí)間長，持液態(tài)的時(shí)間長，充型能力強(qiáng)充型能力強(qiáng)。但澆注溫度但澆注溫度過高過高，鑄件凝固過程的體積收縮大，金，鑄件凝固過程的體積收縮大，金屬液的吸氣量增多，氧化嚴(yán)重，容易產(chǎn)生縮孔、縮屬液的吸氣量增多，氧化嚴(yán)重，容易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、氣孔、粗晶等缺陷，松、粘砂、氣孔、粗晶等缺陷，故在保證充型能力故在保證充型能力足夠的前提下，應(yīng)選擇相對(duì)較低的澆注溫度。足夠的前提下，應(yīng)選擇相對(duì)較低的澆注溫度。

20、充型壓力充型壓力澆注時(shí)，液態(tài)金屬所受的澆注時(shí)，液態(tài)金屬所受的靜壓力越大，其充型能力越好靜壓力越大，其充型能力越好。在砂型鑄造中，常用加高直澆道（即提高充型壓頭）等工藝在砂型鑄造中，常用加高直澆道（即提高充型壓頭）等工藝措施來提高金屬的靜壓力。在壓力鑄造和低壓鑄造等特種鑄措施來提高金屬的靜壓力。在壓力鑄造和低壓鑄造等特種鑄造中，液態(tài)金屬在壓力下充型，充型能力提高。造中，液態(tài)金屬在壓力下充型，充型能力提高。鑄型條件鑄型條件鑄型性質(zhì)鑄型性質(zhì)鑄型溫度鑄型溫度鑄件結(jié)構(gòu)鑄件結(jié)構(gòu) 鑄型性質(zhì)鑄型性質(zhì)鑄型的鑄型的蓄熱能力越大蓄熱能力越大，即鑄型從液態(tài)合金吸收并儲(chǔ)存熱，即鑄型從液態(tài)合金吸收并儲(chǔ)存熱量的能力越強(qiáng)，鑄

21、型對(duì)液體金屬的冷卻能力越強(qiáng)，使合量的能力越強(qiáng)，鑄型對(duì)液體金屬的冷卻能力越強(qiáng)，使合金保持在液態(tài)的時(shí)間就越短，金保持在液態(tài)的時(shí)間就越短，充型能力下降充型能力下降；若鑄型的；若鑄型的排氣能力差排氣能力差，型腔內(nèi)氣體的壓力增大，則液態(tài)金屬的，型腔內(nèi)氣體的壓力增大，則液態(tài)金屬的充充型能力差型能力差。例例：液態(tài)合金在金屬型中的充型能力液態(tài)合金在金屬型中的充型能力 在砂型中的充型能力在砂型中的充型能力 鑄型溫度鑄型溫度鑄型溫度越高鑄型溫度越高，鑄型對(duì)液態(tài)金屬的冷卻能力越小，可使，鑄型對(duì)液態(tài)金屬的冷卻能力越小，可使液態(tài)金屬較長時(shí)間保持液態(tài)，因而其液態(tài)金屬較長時(shí)間保持液態(tài)，因而其充型能力提高充型能力提高。 鑄件

22、結(jié)構(gòu)鑄件結(jié)構(gòu)鑄件型腔結(jié)構(gòu)鑄件型腔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜越復(fù)雜，鑄件壁厚越薄，液態(tài)金屬，鑄件壁厚越薄，液態(tài)金屬充型能力差充型能力差。特別是澆注系統(tǒng)越復(fù)雜，液態(tài)金屬流動(dòng)的阻力越大，其充型能特別是澆注系統(tǒng)越復(fù)雜，液態(tài)金屬流動(dòng)的阻力越大，其充型能力下降。力下降。在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)，必須合理布置內(nèi)澆道在鑄件上的位置，選在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)，必須合理布置內(nèi)澆道在鑄件上的位置，選擇恰當(dāng)?shù)臐沧⑾到y(tǒng)結(jié)構(gòu)及各組元的尺寸。擇恰當(dāng)?shù)臐沧⑾到y(tǒng)結(jié)構(gòu)及各組元的尺寸。金屬種類金屬種類鑄鑄 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mm）砂砂 型型金金 屬屬 型型熔模鑄造熔模鑄造殼殼 型型壓壓 鑄鑄灰灰 鑄鑄 鐵鐵340.4-0.80.8-1.5-鑄鑄

23、鋼鋼48-100.5-1.02.5-鋁鋁 合合 金金33-4-0.6-0.8總結(jié)：總結(jié)：在實(shí)際生產(chǎn)中，必須根據(jù)具體情況找出其中的主要因素并采取相應(yīng)的措在實(shí)際生產(chǎn)中，必須根據(jù)具體情況找出其中的主要因素并采取相應(yīng)的措施，才能有效地提高液態(tài)金屬的充型能力。施，才能有效地提高液態(tài)金屬的充型能力。金屬鑄造金屬鑄造成形時(shí)，一般應(yīng)盡量成形時(shí)，一般應(yīng)盡量選用共晶成分合金，或結(jié)晶溫度范圍小的選用共晶成分合金，或結(jié)晶溫度范圍小的合金；并盡量提高金屬液的品質(zhì)合金；并盡量提高金屬液的品質(zhì)，金屬液越純凈，含氣體、夾雜物越少，金屬液越純凈，含氣體、夾雜物越少，流動(dòng)性越好。流動(dòng)性越好。對(duì)于特定的金屬，可采取對(duì)于特定的金屬，

24、可采取提高澆注溫度和充型壓頭、合理設(shè)置澆注系統(tǒng)提高澆注溫度和充型壓頭、合理設(shè)置澆注系統(tǒng)和改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)和改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)等措施來提高液態(tài)金屬的充型能力。等措施來提高液態(tài)金屬的充型能力。35定義定義：指利用傳熱過程，使處于熔點(diǎn)或粘流溫度以上的熔體：指利用傳熱過程，使處于熔點(diǎn)或粘流溫度以上的熔體溫度冷卻降至熔點(diǎn)或玻璃化溫度以下，從而使成形物失去流溫度冷卻降至熔點(diǎn)或玻璃化溫度以下，從而使成形物失去流動(dòng)性，獲得穩(wěn)定形狀的制品的過程。動(dòng)性，獲得穩(wěn)定形狀的制品的過程。實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：成形物料從熔融狀態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。：成形物料從熔融狀態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。特征特征：傳熱過程，同時(shí)伴隨發(fā)生結(jié)晶、傳質(zhì)和流動(dòng)等過程。：傳熱

25、過程，同時(shí)伴隨發(fā)生結(jié)晶、傳質(zhì)和流動(dòng)等過程。二、凝固過程中的熱量傳輸二、凝固過程中的熱量傳輸 36凝固中的傳熱問題凝固中的傳熱問題 溫度場與傳熱溫度場與傳熱 模型成形溫度場模型成形溫度場 焊接溫度場焊接溫度場37溫度場溫度場熱傳導(dǎo)的基本方程熱傳導(dǎo)的基本方程傳熱類型傳熱類型 溫度場與傳熱溫度場與傳熱材料凝固過程中的材料凝固過程中的傳熱方式傳熱方式：u熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)成形物內(nèi)部及其與模具之間的傳熱方式成形物內(nèi)部及其與模具之間的傳熱方式u輻射輻射和和對(duì)流對(duì)流模具外表面向周圍環(huán)境散熱的方式模具外表面向周圍環(huán)境散熱的方式38在某一時(shí)刻，某一特定空間區(qū)域或某一特定物體內(nèi)部在某一時(shí)刻，某一特定空間區(qū)域或某一特定物

26、體內(nèi)部各點(diǎn)溫度的分布情況。各點(diǎn)溫度的分布情況。t ,z,y,xfT 溫度是無向量，溫度場也是無向量。溫度是無向量，溫度場也是無向量。39等溫面：等溫面：在同一時(shí)刻，溫度場中溫度相同的點(diǎn)所構(gòu)成的在同一時(shí)刻，溫度場中溫度相同的點(diǎn)所構(gòu)成的空間面?？赡苁瞧矫妫部赡苁乔?。空間面。可能是平面，也可能是曲面。等溫線：等溫線：當(dāng)以某一截面為考察對(duì)象時(shí)，將溫度相圖的點(diǎn)當(dāng)以某一截面為考察對(duì)象時(shí)，將溫度相圖的點(diǎn)連接起來所組成的線。連接起來所組成的線。溫度梯度：溫度梯度：對(duì)于一定溫度場，沿等溫面或等溫線某法線對(duì)于一定溫度場，沿等溫面或等溫線某法線方向的溫度變化率。溫度梯度越大，圖形上反方向的溫度變化率。溫度梯度越

27、大，圖形上反映為等溫面（或等溫線）越密集。映為等溫面（或等溫線）越密集。nTnTlimgradTn040不穩(wěn)定溫度場不穩(wěn)定溫度場：溫度場不僅在空間上變化，溫度場不僅在空間上變化，并且也隨時(shí)間變化的溫度場并且也隨時(shí)間變化的溫度場：穩(wěn)定溫度場穩(wěn)定溫度場： 不隨時(shí)間而變的溫度場不隨時(shí)間而變的溫度場（即溫度只是坐標(biāo)的函數(shù)）在熔體成形過程中少見：t ,z,y,xfT z,y,xfT 熔體成形的過程中的重要特征：不穩(wěn)定溫度場和不穩(wěn)定傳熱。熔體成形的過程中的重要特征：不穩(wěn)定溫度場和不穩(wěn)定傳熱。41二、熱傳導(dǎo)過程的偏微分方程二、熱傳導(dǎo)過程的偏微分方程nTtq服從傅里葉定律：服從傅里葉定律：即在與等溫面法線即在

28、與等溫面法線n方向垂直的單位面積截面內(nèi)，單位時(shí)方向垂直的單位面積截面內(nèi)，單位時(shí)間所傳遞的熱量間所傳遞的熱量(稱為比熱流量或傳熱速度稱為比熱流量或傳熱速度)與溫度梯度成與溫度梯度成正比，即：正比，即：揭示了揭示了物體中某點(diǎn)溫度梯度與其傳熱熱流量間物體中某點(diǎn)溫度梯度與其傳熱熱流量間的關(guān)系。的關(guān)系。根據(jù)該定律和能量守恒定律，可以導(dǎo)出該點(diǎn)溫度隨時(shí)間根據(jù)該定律和能量守恒定律，可以導(dǎo)出該點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系。即變化的關(guān)系。即傅里葉熱傳導(dǎo)的基本方程傅里葉熱傳導(dǎo)的基本方程：222222zTyTxTtT42三、傳熱類型三、傳熱類型熔體成形物凝固過程中的傳熱，是將熔體的顯熱和凝固潛熔體成形物凝固過程中的傳熱，是

29、將熔體的顯熱和凝固潛熱通過一系列熱阻熱通過一系列熱阻(傳熱系統(tǒng)中某組元的厚度與該組元的導(dǎo)傳熱系統(tǒng)中某組元的厚度與該組元的導(dǎo)熱系數(shù)之比稱為該組元的熱阻熱系數(shù)之比稱為該組元的熱阻)傳至模型，并經(jīng)模型再傳熱傳至模型，并經(jīng)模型再傳熱至環(huán)境。至環(huán)境。熱阻熱阻組成：組成：成形件液相的熱阻成形件液相的熱阻已凝固相的熱阻已凝固相的熱阻中間層的熱阻中間層的熱阻模型熱阻模型熱阻43模型熱阻起決定作用時(shí)的傳熱模型熱阻起決定作用時(shí)的傳熱 如液態(tài)金屬砂型鑄造如液態(tài)金屬砂型鑄造 鑄件內(nèi)金屬傳熱速度快，溫度梯度小，而鑄型內(nèi)傳熱速度慢，鑄件內(nèi)金屬傳熱速度快，溫度梯度小，而鑄型內(nèi)傳熱速度慢，溫度梯度大，因此鑄件溫度梯度大，因此

30、鑄件中間層中間層鑄型斷面體系溫度場。鑄型斷面體系溫度場。原因：砂型鑄型的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬鑄件的導(dǎo)熱系數(shù)原因：砂型鑄型的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬鑄件的導(dǎo)熱系數(shù)44中間層起決定作用時(shí)的傳熱中間層起決定作用時(shí)的傳熱 如使用型腔內(nèi)表面涂有隔熱涂料的金屬型鑄型如使用型腔內(nèi)表面涂有隔熱涂料的金屬型鑄型 中間層溫度梯度大，溫度降很大，而鑄件斷面和鑄型斷面的中間層溫度梯度大，溫度降很大，而鑄件斷面和鑄型斷面的溫度梯度和溫度降比較小，因此鑄件溫度梯度和溫度降比較小，因此鑄件中間層中間層鑄型斷面體鑄型斷面體系溫度場。系溫度場。原因：型腔內(nèi)表面涂有較厚的涂料，同時(shí)在鑄件和鑄型間還可能原因：型腔內(nèi)表面涂有較厚的涂料，同時(shí)

31、在鑄件和鑄型間還可能形成間隙，故涂料與間隙構(gòu)成的中間層熱阻很大。形成間隙，故涂料與間隙構(gòu)成的中間層熱阻很大。45成形件熱阻起決定作用時(shí)的傳熱成形件熱阻起決定作用時(shí)的傳熱情形情形1：液態(tài)金屬在水冷型金屬鑄型中的凝固，此時(shí)金屬鑄型導(dǎo)：液態(tài)金屬在水冷型金屬鑄型中的凝固，此時(shí)金屬鑄型導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于金屬凝固層的導(dǎo)熱能力；熱能力遠(yuǎn)大于金屬凝固層的導(dǎo)熱能力；情形情形2：熔融聚合物冷卻凝固成形，由于聚合物成形模具一般為：熔融聚合物冷卻凝固成形，由于聚合物成形模具一般為金屬，聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬模具。金屬，聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬模具。 中間層和模型斷面的溫度梯度和溫降較小，而成形件內(nèi)部的中間層和模型斷

32、面的溫度梯度和溫降較小，而成形件內(nèi)部的溫度梯度和溫降較大。因此鑄件溫度梯度和溫降較大。因此鑄件中間層中間層鑄型斷面體系溫度場。鑄型斷面體系溫度場。46成形件熱阻與模型熱阻起作用時(shí)的傳熱成形件熱阻與模型熱阻起作用時(shí)的傳熱 如液態(tài)金屬在非水冷的后壁金屬型鑄型中鑄造時(shí)的凝固如液態(tài)金屬在非水冷的后壁金屬型鑄型中鑄造時(shí)的凝固 鑄件和鑄型斷面上的溫度梯度均較大，都有很大的溫降，中間鑄件和鑄型斷面上的溫度梯度均較大，都有很大的溫降，中間層的溫度梯度較小。因此鑄件層的溫度梯度較小。因此鑄件中間層中間層鑄型斷面體系溫度場。鑄型斷面體系溫度場。原因：砂型鑄型的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬鑄件的導(dǎo)熱系數(shù)原因：砂型鑄型的導(dǎo)熱率

33、遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬鑄件的導(dǎo)熱系數(shù)472. 模型成形溫度場模型成形溫度場 凝固過程及傳熱特點(diǎn)凝固過程及傳熱特點(diǎn) 凝固溫度場的研究方法凝固溫度場的研究方法 凝固狀態(tài)與方式凝固狀態(tài)與方式48研究意義：研究意義：旨在獲得成形件內(nèi)部的旨在獲得成形件內(nèi)部的溫度溫度分布情況和隨分布情況和隨時(shí)間時(shí)間變化的特變化的特征，由此預(yù)期凝固過程中成形件斷面上不同時(shí)刻的凝固征，由此預(yù)期凝固過程中成形件斷面上不同時(shí)刻的凝固區(qū)域大小及特征、凝固前沿向中心推進(jìn)的速度、成形件區(qū)域大小及特征、凝固前沿向中心推進(jìn)的速度、成形件上各部位的凝固先后次序等重要問題，為正確設(shè)計(jì)模型上各部位的凝固先后次序等重要問題，為正確設(shè)計(jì)模型澆注系統(tǒng)、設(shè)置澆口

34、、冷鐵以及采取其它工藝措施控制澆注系統(tǒng)、設(shè)置澆口、冷鐵以及采取其它工藝措施控制凝固過程提供重要的依據(jù)。凝固過程提供重要的依據(jù)。49 凝固過程及傳熱特點(diǎn)凝固過程及傳熱特點(diǎn)聚合物聚合物：粘度高，充模時(shí)的流動(dòng)在大多數(shù)情況下仍是非：粘度高，充模時(shí)的流動(dòng)在大多數(shù)情況下仍是非湍流狀態(tài)。湍流狀態(tài)。液態(tài)金屬液態(tài)金屬：粘度低，充型或澆注時(shí)在型腔中的流動(dòng)呈湍：粘度低，充型或澆注時(shí)在型腔中的流動(dòng)呈湍流狀態(tài)。流狀態(tài)。凝固過程凝固過程：成形溫度降低，成形物開始凝固，最先在冷卻表面形成成形溫度降低，成形物開始凝固，最先在冷卻表面形成凝固殼層，熱量從最熱的中心流經(jīng)凝固殼層再傳導(dǎo)給低凝固殼層，熱量從最熱的中心流經(jīng)凝固殼層再傳

35、導(dǎo)給低溫的模型。隨成形物繼續(xù)冷卻，已凝固的殼層溫度進(jìn)一溫的模型。隨成形物繼續(xù)冷卻，已凝固的殼層溫度進(jìn)一步降低，并且凝固殼層不斷增厚，直到某一時(shí)刻成形物步降低，并且凝固殼層不斷增厚，直到某一時(shí)刻成形物中心達(dá)到凝固溫度而凝固。中心達(dá)到凝固溫度而凝固。50凝固溫度場的研究方法凝固溫度場的研究方法數(shù)學(xué)解析法數(shù)學(xué)解析法數(shù)值計(jì)算法數(shù)值計(jì)算法實(shí)驗(yàn)測定法實(shí)驗(yàn)測定法51（一）（一） 解析法解析法解析方法是直接應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)理論和定律去解析方法是直接應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)理論和定律去推導(dǎo)和演繹數(shù)學(xué)方程（或模型），得到用函數(shù)推導(dǎo)和演繹數(shù)學(xué)方程（或模型），得到用函數(shù)形式表示的解，也就是解析解。形式表示的解，也就是解析解。優(yōu)點(diǎn)

36、優(yōu)點(diǎn)：是物理概念及邏輯推理清楚，解的函數(shù)表達(dá)式能夠是物理概念及邏輯推理清楚，解的函數(shù)表達(dá)式能夠清楚地表達(dá)溫度場的各種影響因素，有利于直觀分析各參清楚地表達(dá)溫度場的各種影響因素，有利于直觀分析各參數(shù)變化對(duì)溫度高低的影響。數(shù)變化對(duì)溫度高低的影響。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：通常需要采用多種簡化假設(shè)，而這些假設(shè)往往并不通常需要采用多種簡化假設(shè)，而這些假設(shè)往往并不適合實(shí)際情況，這就使解的精確程度受到不同程度的影響。適合實(shí)際情況，這就使解的精確程度受到不同程度的影響。目前，只有簡單的一維溫度場（目前，只有簡單的一維溫度場（“半無限大半無限大”平板、圓柱平板、圓柱體、球體）才可能獲得解析解。體、球體）才可能獲得解析解。52

37、數(shù)學(xué)解析法 x Ti 鑄件 1 c1 1 鑄型 2 c2 2T0圖圖2-3無限大平板鑄件凝固溫度場分布無限大平板鑄件凝固溫度場分布T20T10鑄型鑄型已凝固鑄件已凝固鑄件剩余剩余液相液相 x Ti 鑄件 1 c1 1 鑄型 2 c2 2T0無限大平板鑄件凝固溫度場分布無限大平板鑄件凝固溫度場分布T20T10taxTTTTii11012erftaxTTTTii22022erf53假假 設(shè)：設(shè)：（1）凝固過程的初始狀態(tài)為：）凝固過程的初始狀態(tài)為： 鑄件與鑄型內(nèi)部分別為均溫，鑄件起始溫度為澆鑄溫鑄件與鑄型內(nèi)部分別為均溫，鑄件起始溫度為澆鑄溫 度度 ，鑄型的起始溫度為環(huán)境溫度或鑄型預(yù)熱溫度；，鑄型的起

38、始溫度為環(huán)境溫度或鑄型預(yù)熱溫度；（2）鑄件金屬的凝固溫度區(qū)間很小，可忽略不計(jì)；）鑄件金屬的凝固溫度區(qū)間很小，可忽略不計(jì)；（3）不考慮凝固過程中結(jié)晶潛熱的釋放；）不考慮凝固過程中結(jié)晶潛熱的釋放；（4）鑄件的熱物理參數(shù)與鑄型的熱物理參數(shù)不隨溫度變化；）鑄件的熱物理參數(shù)與鑄型的熱物理參數(shù)不隨溫度變化；（5）鑄件與鑄型緊密接觸，無界面熱阻，即鑄件與鑄型在）鑄件與鑄型緊密接觸，無界面熱阻，即鑄件與鑄型在 界面處等溫界面處等溫Ti。54 求解一維熱傳導(dǎo)方程：求解一維熱傳導(dǎo)方程： 通解為：通解為： erf（x）為高斯誤差函數(shù)，其計(jì)算式為：）為高斯誤差函數(shù)，其計(jì)算式為：22xTatTatxBAT2erfatx

39、deatx20222erf55代入鑄件（型）的邊界條件得：代入鑄件（型）的邊界條件得： 由在界面處熱流的連續(xù)性條件可得鑄件由在界面處熱流的連續(xù)性條件可得鑄件鑄型界面溫度：鑄型界面溫度： 鑄件側(cè)最終溫度場方程：鑄件側(cè)最終溫度場方程： 鑄型側(cè)最終溫度場方程：鑄型側(cè)最終溫度場方程：taxTTTTii11012erftaxTTTTii22022erf21202101bbTbTbTitaxbbTbTbbbTbTbT1212021022120210112erftaxbbTbTbbbTbTbT2212011012120210122erf TiTT20T10鑄型側(cè)鑄件側(cè)56（二）（二） 數(shù)值方法數(shù)值方法數(shù)值方

40、法又叫數(shù)值分析法，是用計(jì)算機(jī)程序來數(shù)值方法又叫數(shù)值分析法，是用計(jì)算機(jī)程序來求解數(shù)學(xué)模型的求解數(shù)學(xué)模型的近似解（數(shù)值解）近似解（數(shù)值解），又稱為，又稱為數(shù)數(shù)值模擬值模擬或計(jì)算機(jī)模擬?；蛴?jì)算機(jī)模擬。差分法差分法: 差分法是把原來求解物體內(nèi)隨空間、時(shí)間連續(xù)差分法是把原來求解物體內(nèi)隨空間、時(shí)間連續(xù)分布的溫度問題，轉(zhuǎn)化為求在時(shí)間領(lǐng)域和空間領(lǐng)域內(nèi)分布的溫度問題，轉(zhuǎn)化為求在時(shí)間領(lǐng)域和空間領(lǐng)域內(nèi)有限有限個(gè)離散點(diǎn)個(gè)離散點(diǎn)的溫度值問題，再用這些離散點(diǎn)上的溫度值去逼的溫度值問題，再用這些離散點(diǎn)上的溫度值去逼近連續(xù)的溫度分布。差分法的解題基礎(chǔ)是用差商來代替微近連續(xù)的溫度分布。差分法的解題基礎(chǔ)是用差商來代替微商，這樣就

41、將熱傳導(dǎo)微分方程轉(zhuǎn)換為以節(jié)點(diǎn)溫度為未知量商，這樣就將熱傳導(dǎo)微分方程轉(zhuǎn)換為以節(jié)點(diǎn)溫度為未知量的線性代數(shù)方程組，得到各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值解。的線性代數(shù)方程組，得到各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值解。有限元法有限元法:有限元法是根據(jù)變分原理來求解熱傳導(dǎo)問題微分方有限元法是根據(jù)變分原理來求解熱傳導(dǎo)問題微分方程的一種數(shù)值計(jì)算方法。有限元法的解題步驟是先將連續(xù)求解域程的一種數(shù)值計(jì)算方法。有限元法的解題步驟是先將連續(xù)求解域分割為有限個(gè)單元組成的離散化模型，再用變分原理將各單元內(nèi)分割為有限個(gè)單元組成的離散化模型，再用變分原理將各單元內(nèi)的熱傳導(dǎo)方程轉(zhuǎn)化為等價(jià)的線性方程組，最后求解全域內(nèi)的總體的熱傳導(dǎo)方程轉(zhuǎn)化為等價(jià)的線性方程組，最后求解全域

42、內(nèi)的總體合成矩陣。合成矩陣。5758測溫法測溫法：采取在鑄型中安放熱電偶來直接測出凝固過程中鑄件的溫采取在鑄型中安放熱電偶來直接測出凝固過程中鑄件的溫度變化情況，其主要技術(shù)包括熱電偶布放位置的選擇及測度變化情況，其主要技術(shù)包括熱電偶布放位置的選擇及測溫結(jié)果的處理，要求采用盡可能少的熱電偶獲得盡可能多溫結(jié)果的處理，要求采用盡可能少的熱電偶獲得盡可能多的有效信息。的有效信息。59凝固狀態(tài)與方式凝固狀態(tài)與方式u 鑄件凝固方式分類鑄件凝固方式分類u 鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線u 鑄件凝固方式及作用鑄件凝固方式及作用u 鑄件凝固方式的影響因素鑄件凝固方式的影響因素u 凝固時(shí)間的計(jì)算凝固時(shí)間的計(jì)算6

43、0（一）（一） 鑄件凝固方式分類鑄件凝固方式分類固相區(qū)固相區(qū)固固-液液凝固相區(qū)凝固相區(qū)液液-固固液相區(qū)液相區(qū) 凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖固固相相線線邊邊界界液液相相線線邊邊界界傾傾出出邊邊界界61根據(jù)固液兩相區(qū)的寬度，可將凝固過程分為逐層凝固方式與體根據(jù)固液兩相區(qū)的寬度，可將凝固過程分為逐層凝固方式與體積凝固方式（或糊狀凝固方式）。積凝固方式（或糊狀凝固方式）。當(dāng)當(dāng)固液兩相區(qū)很窄時(shí)稱為逐層凝固方式固液兩相區(qū)很窄時(shí)稱為逐層凝固方式，反之為，反之為糊狀凝固方式糊狀凝固方式，固液兩相區(qū)寬度介于兩者之間的稱為固液兩相區(qū)寬度介于兩者之間的稱為“中間凝固方式中間凝固方式”。62鑄件凝固方式對(duì)凝固

44、液相的鑄件凝固方式對(duì)凝固液相的補(bǔ)縮能力補(bǔ)縮能力影響很大，從而影響影響很大，從而影響最終最終鑄件的致密性和熱裂紋產(chǎn)生幾率鑄件的致密性和熱裂紋產(chǎn)生幾率。63（二）鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線 鑄型型腔內(nèi)各個(gè)部位的凝固狀況的動(dòng)態(tài)變鑄型型腔內(nèi)各個(gè)部位的凝固狀況的動(dòng)態(tài)變化，可通過在化，可通過在澆注前在鑄型型腔內(nèi)預(yù)置測溫澆注前在鑄型型腔內(nèi)預(yù)置測溫?zé)犭娕紵犭娕?，來記錄凝固過程中各點(diǎn)的溫度變化，來記錄凝固過程中各點(diǎn)的溫度變化，從而可以繪制出各個(gè)瞬間鑄型內(nèi)的凝固狀況。從而可以繪制出各個(gè)瞬間鑄型內(nèi)的凝固狀況。所得圖形稱為所得圖形稱為鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線鑄件動(dòng)態(tài)凝固曲線。64可以根據(jù)可以根據(jù)“液相邊界液相邊界”與與“固相邊界固相邊

45、界”之間的之間的橫向距離橫向距離直直觀地得出鑄件內(nèi)各部位的觀地得出鑄件內(nèi)各部位的開始凝固時(shí)刻開始凝固時(shí)刻與與凝固結(jié)束時(shí)刻凝固結(jié)束時(shí)刻，也可以根據(jù)也可以根據(jù)“液相邊界液相邊界”與與“固相邊界固相邊界”之間的之間的縱向距離縱向距離得出凝固過程中的任一時(shí)刻得出凝固過程中的任一時(shí)刻鑄件斷面上鑄件斷面上已凝固已凝固固相區(qū)、固固相區(qū)、固液兩相區(qū)液兩相區(qū)和尚未凝固的和尚未凝固的液相區(qū)的寬度液相區(qū)的寬度。 6566（三）鑄件凝固方式及作用（三）鑄件凝固方式及作用u 合金凝固溫度區(qū)間合金凝固溫度區(qū)間u 溫度梯度溫度梯度67合金凝固溫度區(qū)間的影響合金凝固溫度區(qū)間的影響68G大大 兩相區(qū)窄兩相區(qū)窄G小小 兩相區(qū)寬兩

46、相區(qū)寬溫度梯度溫度梯度G的影響的影響69實(shí)際鑄件凝固中的溫度梯度受很多因素影響實(shí)際鑄件凝固中的溫度梯度受很多因素影響, 包括鑄型的包括鑄型的導(dǎo)熱性能、預(yù)熱溫度、合金的澆注溫度等。導(dǎo)熱性能、預(yù)熱溫度、合金的澆注溫度等。 逐層凝固逐層凝固 中間凝固中間凝固 體積凝固體積凝固窄寬陡平溫度梯度的影響溫度梯度的影響合金凝固溫度區(qū)間的影響合金凝固溫度區(qū)間的影響70鋁合金的動(dòng)態(tài)凝固曲線鋁合金的動(dòng)態(tài)凝固曲線71結(jié)論：結(jié)論： 以以逐層方式凝固逐層方式凝固時(shí)，在凝固過程中容易補(bǔ)縮，組織致密，時(shí)，在凝固過程中容易補(bǔ)縮，組織致密，成形件性能好；成形件性能好； 以以體積方式凝固體積方式凝固時(shí)，不易補(bǔ)縮，易產(chǎn)生凝固缺陷（

47、如縮時(shí)，不易補(bǔ)縮，易產(chǎn)生凝固缺陷（如縮松、夾雜、開裂等），成形件性能差。松、夾雜、開裂等），成形件性能差。72u 凝固材料的性質(zhì)凝固材料的性質(zhì)u 模型的性質(zhì)模型的性質(zhì)u 澆鑄條件澆鑄條件u 制件結(jié)構(gòu)制件結(jié)構(gòu)73u 凝固材料的性質(zhì)凝固材料的性質(zhì)導(dǎo)溫系數(shù)：導(dǎo)溫系數(shù)：材料的導(dǎo)溫系數(shù)大，則成形件內(nèi)部的溫度均勻材料的導(dǎo)溫系數(shù)大，則成形件內(nèi)部的溫度均勻化傾向大，溫度梯度小，斷面上的溫度分布曲線平坦?；瘍A向大，溫度梯度小，斷面上的溫度分布曲線平坦。凝固結(jié)晶潛熱：凝固結(jié)晶潛熱：在其它條件相同的情況下，材料的凝固結(jié)在其它條件相同的情況下，材料的凝固結(jié)晶潛熱大，成形件斷面的溫度梯度分布越小，成形件的冷晶潛熱大，成

48、形件斷面的溫度梯度分布越小，成形件的冷卻速度降低，溫度場比較平坦。卻速度降低，溫度場比較平坦。凝固溫度：凝固溫度：材料的凝固溫度越高，則在凝固成形件表面和材料的凝固溫度越高，則在凝固成形件表面和模型內(nèi)表面溫度越高，致使成形件斷面的溫度梯度較大，模型內(nèi)表面溫度越高，致使成形件斷面的溫度梯度較大，溫度分布曲線較陡。溫度分布曲線較陡。74u 模型性質(zhì)模型性質(zhì) 液態(tài)金屬在鑄型中的凝固是依靠模型將熱量傳遞并向液態(tài)金屬在鑄型中的凝固是依靠模型將熱量傳遞并向環(huán)境散失而進(jìn)行的，故其鑄型的吸熱速度越大，鑄件環(huán)境散失而進(jìn)行的，故其鑄型的吸熱速度越大，鑄件斷面上的溫度梯度越大，即溫度場越陡。斷面上的溫度梯度越大，即

49、溫度場越陡。例：例： 砂型鑄造砂型鑄造：吸熱速度慢，故鑄件截面的溫度分布曲線：吸熱速度慢，故鑄件截面的溫度分布曲線始終都很平坦，溫度梯度小。始終都很平坦，溫度梯度小。 水冷金屬鑄型水冷金屬鑄型：吸熱速度最大，故溫度梯度最大。：吸熱速度最大，故溫度梯度最大。 預(yù)熱模型預(yù)熱模型：預(yù)熱溫度越高，外冷卻作用越小，制件斷：預(yù)熱溫度越高，外冷卻作用越小，制件斷面上的溫度梯度越小，溫度場也越平坦。面上的溫度梯度越小，溫度場也越平坦。75u 澆鑄條件澆鑄條件對(duì)于金屬的砂型鑄造，因鑄型的吸收速度慢，散熱對(duì)于金屬的砂型鑄造，因鑄型的吸收速度慢，散熱能力低，故澆鑄溫度對(duì)溫度場也有影響。能力低，故澆鑄溫度對(duì)溫度場也有

50、影響。原因原因：澆鑄溫度高，則放出的過熱顯熱增大，相當(dāng)：澆鑄溫度高，則放出的過熱顯熱增大，相當(dāng)于提高了鑄型的溫度，冷卻速度降低，故鑄件斷面于提高了鑄型的溫度，冷卻速度降低，故鑄件斷面上的溫度梯度減小。上的溫度梯度減小。76u 制件結(jié)構(gòu)制件結(jié)構(gòu)成形件越厚，斷面的溫度梯度越??；成形件越厚，斷面的溫度梯度越小；成形件的凸面和外角部分的冷卻速度比平面快，溫成形件的凸面和外角部分的冷卻速度比平面快，溫度梯度較大。度梯度較大。原因原因：厚壁成形件比薄壁成形件需傳遞更多的熱量，：厚壁成形件比薄壁成形件需傳遞更多的熱量，故凝固過程勢必將模型加熱到更高溫度。故凝固過程勢必將模型加熱到更高溫度。77（五）鑄件凝固

51、時(shí)間計(jì)算（五）鑄件凝固時(shí)間計(jì)算 鑄件的凝固時(shí)間鑄件的凝固時(shí)間：是指從液態(tài)金屬充滿型腔后至凝固是指從液態(tài)金屬充滿型腔后至凝固完畢所需要的時(shí)間。鑄件凝固時(shí)間是制訂生產(chǎn)工藝、獲得完畢所需要的時(shí)間。鑄件凝固時(shí)間是制訂生產(chǎn)工藝、獲得穩(wěn)定鑄件質(zhì)量的重要依據(jù)。穩(wěn)定鑄件質(zhì)量的重要依據(jù)。無限大平板鑄件的凝固時(shí)間無限大平板鑄件的凝固時(shí)間 (理論計(jì)算法理論計(jì)算法)大平板鑄件凝固時(shí)間計(jì)算（大平板鑄件凝固時(shí)間計(jì)算（凝固系數(shù)法凝固系數(shù)法）一般鑄件凝固時(shí)間計(jì)算的近似公式（一般鑄件凝固時(shí)間計(jì)算的近似公式（模數(shù)法模數(shù)法） 78對(duì)于鑄型：對(duì)于鑄型：所以：所以：凝固時(shí)間凝固時(shí)間 t 內(nèi)導(dǎo)出的總熱量：內(nèi)導(dǎo)出的總熱量：至凝固結(jié)束時(shí)刻，鑄件放出的總熱量（包括潛熱至凝固結(jié)束時(shí)刻，鑄件放出的總熱量（包括潛熱L）：）：根據(jù)能量守恒定律得：根據(jù)能量守恒定律得：taxbbTbTbbbTbTbT2212011012120210122erftaTTxTix22002AdttTTbAdttTdQdtix)(2020222為：時(shí)間由鑄型導(dǎo)出的熱量tTTAbdQQit)(2200222)(