液態(tài)成形中流動(dòng)與傳熱課件

2023/10/812.1液態(tài)金屬的流動(dòng)性與充型能力本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容

充型能力是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力。是設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的重要依據(jù)之一；此外還涉及此過(guò)程中可能產(chǎn)生的澆不足、冷隔、砂眼、鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂等缺陷的防止措施。因此獲得質(zhì)量健全的鑄件必須對(duì)此進(jìn)行掌握和控制.1、充型能力的基本概念２、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施第1頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/812.1液態(tài)金屬的流動(dòng)性與充型能力本節(jié)2023/10/82

2.1.1流動(dòng)性與充型能力的基本概念液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力，簡(jiǎn)稱(chēng)液態(tài)金屬的充型能力。實(shí)驗(yàn)證明，同一種金屬用不同的鑄造方法，所能鑄造的鑄件最小壁厚不同。同樣的鑄造方法，由于金屬不同，所能得到的最小壁厚也不同，如表所示。種類(lèi)鑄件最小壁厚（mm）砂型金屬型熔模鑄造殼型壓鑄灰鑄鐵3>40.4-0.80.8-1.5--鑄鋼48-100.5-1.02.5--鋁合金33-4----0.6-0.8第2頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/822.1.1流動(dòng)性與充型能力的基本概2023/10/83影響因素（1）金屬的成分。（2）液體的溫度。（3）雜質(zhì)的含量和狀態(tài)及物理特性。結(jié)論：液態(tài)金屬的充型能力首先取決于金屬本身的流動(dòng)能力，同時(shí)又受外界條件，如鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響，使各種因素的綜合反映。流動(dòng)性：金屬本身的流動(dòng)能力，稱(chēng)為“流動(dòng)性”，是金屬鑄造性能之一。重點(diǎn)：區(qū)別流動(dòng)性和充型能力是兩個(gè)不同的概念第3頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/83影響因素（1）金屬的成分。結(jié)論：液態(tài)金屬2023/10/84

金屬的流動(dòng)性對(duì)于排出其中的氣體、雜質(zhì)和補(bǔ)縮、防裂,獲得優(yōu)質(zhì)鑄件有影響。金屬的流動(dòng)性好，氣體和雜質(zhì)易于上浮，使金屬凈化，有利于得到?jīng)]有氣孔和雜質(zhì)的鑄件。良好的流動(dòng)性，能使鑄件在凝固期間產(chǎn)生的縮孔得到金屬液的補(bǔ)縮，以及鑄件在凝固末期受阻而出現(xiàn)的熱裂得到液態(tài)金屬的彌合，因此，有利于這些缺陷的防止。液態(tài)金屬的流動(dòng)性是用澆注“流動(dòng)性”試樣的方法衡量的。在實(shí)際中，是將試樣的結(jié)構(gòu)和鑄型性質(zhì)固定不變，在相同的澆注條件下，澆注各種合金的流動(dòng)性試樣，以試樣的長(zhǎng)度或以試樣某處的厚薄程度表示該合金的流動(dòng)性。由于很難對(duì)各種合金在不同的鑄造條件下的充型能力進(jìn)行比較。常常用上述固定條件下測(cè)得合金流動(dòng)性表示合金的充型能力?？梢哉J(rèn)為合金的流動(dòng)性是在確定條件下的充型能力。第4頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/84金屬的流動(dòng)性對(duì)于排出其中的氣2023/10/852.1.2影響充型能力的因素及提高充型能力的措施影響充型能力的因素大致可以歸納為四類(lèi)：第一類(lèi)因素----金屬性質(zhì)方面的因素（1）金屬的密度ρ1（成分）；（2）金屬的比熱容c1；（3）金屬的導(dǎo)熱系數(shù)λ1；（4）金屬的結(jié)晶潛熱L;（5）金屬的粘度η;（6）金屬的表面張力σ;（7）金屬的結(jié)晶特點(diǎn)。第二類(lèi)因素------鑄型性質(zhì)方面的因素（1）鑄型的蓄熱系數(shù)b2；（2）鑄型的密度ρ2

；（3）鑄型的比熱容C2；（4）鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)λ2；

合金充型能力計(jì)算：第5頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/852.1.2影響充型能力的因素及提高充型2023/10/86（5）鑄型的溫度；（6）鑄型的涂料層；（7）鑄型的發(fā)氣性和透氣性。第三類(lèi)因素----澆注條件方面的因素（1）液態(tài)金屬的澆注溫度;（2）液態(tài)金屬的靜壓頭H;（3）澆注系統(tǒng)中壓頭損失總合;（4）外力場(chǎng)（壓力、真空、離心、振動(dòng)等）。第四類(lèi)因素----鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素（1）鑄件的折算厚度RR=V（鑄件的體積）/S（鑄件的散熱表面積）或R=F（鑄件的斷面積）/P（斷面的周長(zhǎng)）（2）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Σh.第6頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/86（5）鑄型的溫度；（6）鑄2023/10/87一、金屬性質(zhì)方面的因素這類(lèi)因素是內(nèi)因，決定了金屬本身的流動(dòng)能力-----流動(dòng)性。1、合金的成分合金的流動(dòng)性與其成分之間存在著一定的規(guī)性。在流動(dòng)性曲線上，對(duì)應(yīng)著純金屬、共晶成分和金屬間化合物的地方出現(xiàn)最大值，而有結(jié)晶溫度范圍的地方流動(dòng)性下降，且在最大結(jié)晶溫度范圍附近出現(xiàn)最小值。

第7頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/87一、金屬性質(zhì)方面的因素這類(lèi)因素是內(nèi)因，決2023/10/88Ｆｅ-Ｃ合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系合金成分對(duì)流動(dòng)性的影響金屬間化合物第8頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/88Ｆｅ-Ｃ合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系合金成分對(duì)2023/10/89出氣口澆口杯PbSb20406080204060800流動(dòng)性（cm）100200300溫度（℃）0合金成分對(duì)流動(dòng)性的影響第9頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/89出氣口澆口杯PbSb20406080202023/10/8100.45%C鑄鋼：200mm出氣口澆口杯4.3%C鑄鐵：1800mm合金的螺旋形流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)與模擬均證明鑄鐵的流動(dòng)性好，鑄鋼的流動(dòng)性差。第10頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8100.45%C鑄鋼：200mm出氣口澆2023/10/811液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理與充型能力

純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度寬結(jié)晶溫度合金停止很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖流動(dòng)機(jī)理示意圖前端析出15~20％的固相量時(shí)，流動(dòng)就停止。

充型能力強(qiáng)第11頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/811液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理與充型能力2023/10/812一、金屬性質(zhì)方面的因素

2、結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱約占液態(tài)金屬熱含量的85-90％，但是，它對(duì)不同類(lèi)型合金的流動(dòng)性影響是不同的。純金屬和共晶成分的合金在固定溫度下凝固，在一般的澆注條件下，結(jié)晶潛熱的作用能夠發(fā)揮，是估計(jì)流動(dòng)性的一個(gè)重要因素。凝固過(guò)程中釋放的潛熱越多，則凝固進(jìn)行得越緩慢，流動(dòng)性就越好。其流動(dòng)性與結(jié)晶潛熱相對(duì)應(yīng)：Pb的流動(dòng)性最差，Al的流動(dòng)性最好，Zn、Sb、Cd、Sn依次居于中間。對(duì)于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金，散失一部分(約20％)潛熱后，晶粒就連成網(wǎng)絡(luò)而阻塞流動(dòng)，大部分結(jié)晶潛熱的作用不能發(fā)揮，所以對(duì)流動(dòng)性影響不大。第12頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/812一、金屬性質(zhì)方面的因素

2、結(jié)晶潛熱結(jié)2023/10/8133金屬的比熱容、密度和導(dǎo)熱系數(shù)比熱容和密度較大的合金，因其本身含有較多的熱量，在相同的過(guò)熱度下，保持液態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，流動(dòng)性好。導(dǎo)熱系數(shù)小的合金，熱量散失慢，保持流動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)；導(dǎo)熱系數(shù)小，在凝固期間液固并存的兩相區(qū)小，流動(dòng)阻力小，故流動(dòng)性好。4液態(tài)金屬的粘度根據(jù)水力學(xué)分析，粘度對(duì)層流運(yùn)動(dòng)的流速影響較大，對(duì)紊流運(yùn)動(dòng)的流速影響較小。實(shí)際測(cè)得，金屬液在澆注系統(tǒng)中或在試樣中的流速，除停止流動(dòng)前的階段外都大于臨界速度，是紊流運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，粘度對(duì)流動(dòng)性的影響不明顯。一、金屬性質(zhì)方面的因素

第13頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/813一、金屬性質(zhì)方面的因素

第13頁(yè)/共72023/10/814

5表面張力

造型材料一般不被液態(tài)金屬潤(rùn)濕，即潤(rùn)濕角

＞90°。故液態(tài)金屬在鑄型細(xì)簿部分的液面是凸起的，而由表面張力產(chǎn)生一個(gè)指向液體內(nèi)部的附加壓力，阻礙對(duì)該部分的充填。所以，表面張力對(duì)薄壁鑄件、鑄件的細(xì)簿部分和棱角的成形有影響。型腔越細(xì)薄，棱角的曲率半徑越小，表面張力的影響則越大。為克服附加壓力的阻礙，必須在正常的充型壓頭上增加一個(gè)附加壓頭h。液態(tài)金屬充填鑄型尖角處的能力還與鑄型的激冷能力有關(guān)。在激冷作用較大的鑄型中，可在合金中加入表面活性元素或采用特殊涂料，降低

或潤(rùn)濕角

。第14頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8145表面張力第14頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/815總結(jié)：

為提高液態(tài)金屬的充型能力，在金屬方面可采取以下措施：1．正確選擇合金的成分在不影響鑄件使用性能的情況下，可根據(jù)鑄件大小、厚簿和鑄型性質(zhì)等因素，將合金成分調(diào)整到實(shí)際共晶成分附近，或選用結(jié)晶溫度范圍小的合金。對(duì)某些合金進(jìn)行變質(zhì)處理使晶粒細(xì)化，也有利于提高其充型能力2．合理的熔煉工藝保持原材料和熔煉設(shè)備的潔凈多次熔煉的鑄鐵和廢鋼，應(yīng)盡量減少用量“高溫出爐，低溫澆注”第15頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/815總結(jié)：第15頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/816二、鑄型性質(zhì)方面的因素

1、鑄型的蓄熱系數(shù)鑄型的蓄熱系數(shù)b2表示鑄型從其中的金屬中吸取并儲(chǔ)存于本身中熱量的能力。蓄熱系數(shù)b2越大，鑄型的激冷能力就越強(qiáng)，金屬液于其中保持液態(tài)的時(shí)間就越短，充型能力下降。c2ρ2---單位體積的鑄型在溫度升高1℃時(shí)所吸取的熱量。此值大，鑄型吸取較多的熱量而本身的溫升較小，使金屬與鑄型之間在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較大的溫差。

λ2－鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)大，表示從金屬吸取的熱量能很快地由溫度較高的型內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)到溫度較低的“后方”，使鑄型參加蓄熱的部分增多，從而能夠儲(chǔ)存更多的熱量，并且鑄型內(nèi)表面的熱量能迅速傳走，溫升速度也就比較緩慢，而保持繼續(xù)吸取熱量的能力。第16頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/816二、鑄型性質(zhì)方面的因素1、鑄型的蓄熱2023/10/817表2-6幾種鑄型材料的蓄熱系數(shù)材料銅鑄鐵鑄鋼粘土型砂濕砂鋸末煙黑溫度℃202020202020500蓄熱系數(shù)3.671.341.30.110.230.02960.0076在金屬型鑄造中，經(jīng)常采用涂料調(diào)整其蓄熱系數(shù)b2

。為使金屬型澆口和冒口中的金屬液緩慢冷卻，常在一般的涂料中加入b2很小的石棉粉。在砂型鑄造中，利用煙黑涂料解決大型薄壁鋁鎂合金鑄件的成型問(wèn)題，已在生產(chǎn)中收到效果。第17頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/817表2-6幾種鑄型材料的蓄熱系數(shù)材料銅鑄2023/10/8182、鑄型溫度預(yù)熱鑄型能減小金屬與鑄型的溫差，從而提高其充型能力。例如，在金屬型中澆注鋁合金鑄件鑄型溫度由340℃提高到520℃，在相同的澆注溫度（760℃）下，螺旋線的長(zhǎng)度由525mm增加到950mm。用金屬型澆注灰鑄鐵時(shí)，鑄型的溫度不但影響充型能力，而且影響影響鑄件是否出現(xiàn)白口組織。在熔模鑄造中，為得到清晰的輪廓，將型殼加熱到800℃以上進(jìn)行澆注第18頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8182、鑄型溫度第18頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8193.鑄型中的氣體

鑄型有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型之間形成氣膜，可減小流動(dòng)的摩擦阻力，利于充型。澆注溫度℃螺旋線長(zhǎng)度L/mm1570160016251650干砂型515575600665濕砂型580700750775表2-7濕砂型和干砂型中鋼液流動(dòng)性的比較第19頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8193.鑄型中的氣體鑄2023/10/820根據(jù)實(shí)驗(yàn)，濕型中的水大于6％和煤粉大于7％時(shí)，由于發(fā)氣量過(guò)大，在型腔中產(chǎn)生反壓力，充型能力下降。型腔中氣體反壓力較大的情況下，金屬液可能較不進(jìn)去，或者澆口杯、頂冒口中出現(xiàn)翻騰現(xiàn)象，甚至飛濺出來(lái)傷人。所以，鑄型中的氣體對(duì)充型能力影響很大。減小鑄型中氣體反壓力的途徑：（1）適當(dāng)降低型砂中的含水量和發(fā)氣物質(zhì)的含量，亦即減小砂型的發(fā)氣性；（2）提高砂型的透氣性。第20頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/820根據(jù)實(shí)驗(yàn)，濕型中的水大于6％和煤粉大于2023/10/8213.澆注系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動(dòng)阻力越大，充型能力越差。1.澆注溫度一般T澆越高，液態(tài)金屬的充型能力越強(qiáng)。2.充型壓力液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力越大，充型能力越強(qiáng)。三、澆注條件方面的因素第21頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8213.澆注系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2023/10/822（2）鑄件復(fù)雜程度

鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)阻力大，鑄型的充填就困難。

（1）折算厚度折算厚度也叫當(dāng)量厚度或模數(shù)，為鑄件體積與表面積之比。折算厚度大，熱量散失慢，充型能力就好。鑄件壁厚相同時(shí)，垂直壁比水平壁更容易充填。四、鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素第22頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/822（2）鑄件復(fù)雜程度鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流2023/10/8232.2凝固過(guò)程中的液體流動(dòng)凝固過(guò)程液態(tài)流動(dòng)澆注和凝固過(guò)程中液體的流動(dòng)可歸納為以下三種：

1．澆注時(shí)液體在充填鑄型過(guò)程中的流動(dòng)——受迫流動(dòng)。2．型腔內(nèi)液體中的自然對(duì)流。內(nèi)部溫度起伏可達(dá)±1～5K。

3．由于凝固收縮、液體收縮及重力等引起液體在枝晶間及其分枝間的流動(dòng)（小范圍、微小的流動(dòng)）。這種流動(dòng)對(duì)微觀縮孔的形成及成分的偏析有影響。自然對(duì)流：由密度差和凝固收縮引起強(qiáng)迫對(duì)流：由壓頭力、攪拌、電磁等引起第23頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8232.2凝固過(guò)程中的液體流動(dòng)凝固過(guò)程2023/10/824自然對(duì)流的速度取決于格拉曉夫數(shù)，是溫差或溶質(zhì)濃度差對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力。1、液相區(qū)的液體流動(dòng)一維簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)下的溫差對(duì)流和溶質(zhì)濃度差對(duì)流控制方程：φ無(wú)量綱距離αT膨脹系數(shù)溫差對(duì)流溶質(zhì)濃度差對(duì)流：—拉格曉夫數(shù)第24頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/824自然對(duì)流的速度取決于格拉曉夫數(shù)，是溫差2023/10/8252凝固過(guò)程中液體金屬在枝晶間的流動(dòng)液體在枝晶間的流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)自三個(gè)方面，即：凝固時(shí)的收縮，由于液體成分變化引起的密度改變，以及液體和固體冷卻時(shí)各自收縮所產(chǎn)生的力。枝晶間距在10μm量級(jí)，枝晶間液體的流動(dòng)可作為多孔性介質(zhì)中的流動(dòng)處理。流體通過(guò)多孔性介質(zhì)的速度一般用達(dá)西(Darcy)定律來(lái)表示。K為多孔介質(zhì)的透過(guò)率，K與液體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。凝固后期，K減小，流動(dòng)困難，枝晶間補(bǔ)縮難以發(fā)生，易產(chǎn)生縮松。第25頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8252凝固過(guò)程中液體金屬在枝晶間的流動(dòng)2023/10/8262.3 鑄件的凝固4、鑄件的凝固時(shí)間

鑄造必定具有凝固這一過(guò)程，絕大多數(shù)的鑄造缺陷是伴隨凝固過(guò)程而產(chǎn)生的．所以，認(rèn)識(shí)鑄件的凝固規(guī)律，研究凝固過(guò)程的控制途徑，對(duì)于鑄造缺陷的防治，改善鑄件質(zhì)量，提高鑄件的性能從而獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件，有著十分重要的意義！本節(jié)主要內(nèi)容：1、鑄件的溫度場(chǎng)２、鑄件的凝固方式３、金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系第26頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8262.3 鑄件的凝固4、鑄件的凝固時(shí)間2023/10/8272.3.1鑄件與鑄型的熱交換特點(diǎn)液態(tài)金屬注入鑄型以后，隨即發(fā)生兩個(gè)過(guò)程：一是液態(tài)金屬的溫度不斷下降；二是鑄型受熱溫度上升。實(shí)踐證明，鑄型的內(nèi)表面溫度與其接近的鑄件表面溫度是不同的。這說(shuō)明，在鑄件和鑄型之間存在著一個(gè)中間層。該中間層可能是由于金屬收縮使鑄件各方向的尺寸縮小和鑄型受熱后發(fā)生膨脹形成的，可能是鑄型表面的涂料層，也可能是間隙和涂料兼而有之的中間層。因此，鑄件與鑄型之間是一個(gè)“鑄件—中間層—鑄型”的不穩(wěn)定熱交換系統(tǒng)。第27頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8272.3.1鑄件與鑄型的熱交換特點(diǎn)液2023/10/8281、鑄件在絕熱鑄型中的凝固砂型、石膏型、陶瓷型材料的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬鑄件小得多，可稱(chēng)為絕熱鑄型。鑄件在絕熱鑄型中冷卻凝固時(shí)，由于鑄型導(dǎo)熱系數(shù)小，所以鑄件冷卻緩慢，其斷面上溫差很小。同樣，鑄型內(nèi)表面被鑄件加熱至很高的溫度，而其外表面仍處于較低的溫度，斷面上的溫差很大。絕熱鑄型本身的熱物理性質(zhì)是決定整個(gè)系統(tǒng)熱交換過(guò)程的主要因素，亦即鑄件的冷卻強(qiáng)度主要取決于鑄型的熱物理參數(shù)。

第28頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8281、鑄件在絕熱鑄型中的凝固砂型2023/10/8292、金屬鑄型界面熱阻為主的金屬型中的凝固

較薄的鑄件在工作表面涂有較厚涂料的金屬型中鑄造時(shí)，就屬于這種情況。鑄件的冷卻和鑄型的加熱都不十分激烈，大部分溫度降在中間層上，故這類(lèi)型的傳熱特點(diǎn)是：鑄件斷面上的溫差和鑄型斷面上的溫差與中間層溫差相比顯得很小，可以忽略不計(jì)。所以，可以認(rèn)為：鑄件和鑄型斷面上的溫度分布實(shí)際上是均勻的，傳熱過(guò)程主要取決于涂料層熱物理性質(zhì)第29頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8292、金屬鑄型界面熱阻為主的金屬型中的凝2023/10/8303、厚壁金屬型中的凝固

當(dāng)金屬型的涂料層很薄時(shí)，鑄件的冷卻和鑄型的加熱都很激烈，鑄件和鑄型斷面上都有很大溫降。這種類(lèi)型的傳熱特點(diǎn)是：中間層（界面）的熱阻相對(duì)很小，中間層斷面的溫差與鑄件和鑄型的溫差相比較，就顯得很小，可以忽略不計(jì)。因此可以認(rèn)為：鑄型內(nèi)表面溫度和鑄件表面溫度相同，傳熱過(guò)程取決于鑄件和鑄型的熱物理性質(zhì)。

第30頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8303、厚壁金屬型中的凝固當(dāng)金屬型2023/10/831上述金屬鑄型界面熱阻為主的金屬型中的凝固、厚壁金屬型中的凝固說(shuō)明：金屬型鑄造完全可以用改變涂料厚度或其熱物理性質(zhì)控制鑄件的冷卻強(qiáng)度。例如在生產(chǎn)中，鑄鐵件的金屬型鑄造就是利用涂料防止鑄件產(chǎn)生白口。金屬型鑄造鋁合金件中，常在冒口用的涂料中加入石棉粉增加熱阻，以提高冒口的補(bǔ)縮效果。可以看出：“鑄件--中間層（界面）---鑄型”系統(tǒng)中各組元的熱阻對(duì)系統(tǒng)的溫度分布影響極大，而熱阻最大的組元是傳熱過(guò)程中決定性因素。因此，利用該因素控制鑄件的凝固時(shí)最有效。第31頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/831上述金屬鑄型界面熱阻為主的金屬型中的凝2023/10/8324、水冷金屬型中的鑄造（非金屬鑄件在金屬型中冷卻）通過(guò)控制冷卻水溫度和流量使鑄型溫度保持恒定（內(nèi)表面溫度=外表面溫度），若不考慮界面熱阻的情況下，凝固金屬表面溫度等于鑄型溫度。在這種情況下，凝固傳熱的主要熱阻是凝固金屬的熱阻，鑄件中有較大的溫度梯度，系統(tǒng)的溫度分布如圖所示。熔模精密鑄造中用金屬型壓制蠟?zāi)?，在金屬型中制造塑料制品就屬于這種情況。第32頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8324、水冷金屬型中的鑄造（非金屬鑄件在金2023/10/8332.3.2鑄件的溫度場(chǎng)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)不僅在空間上變化，并且也隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)穩(wěn)定溫度場(chǎng)：不隨時(shí)間而變的溫度場(chǎng)（即溫度只是坐標(biāo)的函數(shù)）等溫面：空間具有相同溫度點(diǎn)的組合面。等溫線：某個(gè)特殊平面與等溫面相截的交線。溫度梯度對(duì)于一定溫度場(chǎng)，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，圖形上反映為等溫面（或等溫線）越密集．基礎(chǔ)知識(shí)－－鑄件溫度場(chǎng)的描述第33頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8332.3.2鑄件的溫度場(chǎng)基礎(chǔ)知識(shí)－－2023/10/834基礎(chǔ)知識(shí)－－熱傳導(dǎo)過(guò)程的偏微分方程三維傅里葉熱傳導(dǎo)微分方程為：式中:——導(dǎo)溫系數(shù)，；

——拉普拉斯運(yùn)算符號(hào)。二維傳熱：一維傳熱：

第34頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/834基礎(chǔ)知識(shí)－－熱傳導(dǎo)過(guò)程的偏微分方程三維2023/10/835

對(duì)具體熱場(chǎng)用上述微分方程進(jìn)行求解時(shí)，需要根據(jù)具體問(wèn)題給出導(dǎo)熱體的初始條件與邊界條件。初始條件：初始條件是指物體開(kāi)始導(dǎo)熱時(shí)（即t=0時(shí)）的瞬時(shí)溫度分布。邊界條件：邊界條件是指導(dǎo)熱體表面與周?chē)橘|(zhì)間的熱交換情況。第35頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/835對(duì)具體熱場(chǎng)用上述微分方程進(jìn)行求2023/10/836常見(jiàn)的邊界條件有以下三類(lèi)：第一類(lèi)邊界條件：給定物體表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

第二類(lèi)邊界條件：給出通過(guò)物體表面的比熱流隨時(shí)間的變化關(guān)系

第三類(lèi)邊界條件：給出物體周?chē)橘|(zhì)溫度以及物體表面與周?chē)橘|(zhì)的換熱系數(shù)

上述三類(lèi)邊界條件中，以第三類(lèi)邊界條件最為常見(jiàn)。第36頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/836常見(jiàn)的邊界條件有以下三類(lèi)：第36頁(yè)/共2023/10/837

凝固過(guò)程中的許多現(xiàn)象都是溫度的函數(shù)．現(xiàn)在隨著研究的不斷深入，根據(jù)溫度場(chǎng)的變化可以預(yù)測(cè)：凝固區(qū)域的大小及變化；凝固前沿向中心推進(jìn)的速度；縮孔和縮松的位置；凝固時(shí)間等．并能為正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，設(shè)置冒口、冷鐵以及采取其它措施控制凝固過(guò)程提供可靠的依據(jù)．

下面我們將對(duì)溫度場(chǎng)分析測(cè)算的基本方法及影響溫度場(chǎng)的因素進(jìn)行介紹：溫度場(chǎng)分析的一般方法有：實(shí)測(cè)法、數(shù)值解析法、數(shù)值模擬法等。2.3.2鑄件的溫度場(chǎng)第37頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/837凝固過(guò)程中的許多現(xiàn)象都是溫度的函2023/10/838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)形式表示的解，也就是解析解。優(yōu)點(diǎn)：是物理概念及邏輯推理清楚，解的函數(shù)表達(dá)式能夠清楚地表達(dá)溫度場(chǎng)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。缺點(diǎn)：通常需要采用多種簡(jiǎn)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。目前，只有簡(jiǎn)單的一維溫度場(chǎng)（“半無(wú)限大”平板、圓柱體、球體）才可能獲得解析解。１．凝固溫度場(chǎng)的求解方法（一）解析法第38頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/838解析方法是直接應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)理論和定律2023/10/839半無(wú)限大平板鑄件凝固過(guò)程的一維不穩(wěn)定溫度場(chǎng)

x

Ti鑄件

λ1

c1

ρ1鑄型

λ2c2ρ2T0圖2-3無(wú)限大平板鑄件凝固溫度場(chǎng)分布T20T10鑄型已凝固鑄件剩余液相

x

Ti鑄件

λ1

c1

ρ1鑄型

λ2c2ρ2T0圖2-3無(wú)限大平板鑄件凝固溫度場(chǎng)分布T20T10第39頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/839半無(wú)限大平板鑄件凝固過(guò)程的一維不穩(wěn)定溫2023/10/840推導(dǎo)過(guò)程假設(shè)：（1）凝固過(guò)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度，鑄型的起始溫度為環(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)；（3）不考慮凝固過(guò)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；（5）鑄件與鑄型緊密接觸，無(wú)界面熱阻，即鑄件與鑄型在界面處等溫Ti

。第40頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/840推導(dǎo)過(guò)程假設(shè)：第40頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/841求解一維熱傳導(dǎo)方程：通解為：

erf（x）為高斯誤差函數(shù)，其計(jì)算式為：第41頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/841求解一維熱傳導(dǎo)方程：第41頁(yè)/2023/10/842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：鑄件側(cè)：鑄型側(cè)：

TiTT20T10鑄型側(cè)鑄件側(cè)第42頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/842代入鑄件（型）的邊界條件得：TiT2023/10/843數(shù)值方法又叫數(shù)值分析法，是用計(jì)算機(jī)程序來(lái)求解數(shù)學(xué)模型的近似解，又稱(chēng)為數(shù)值模擬或計(jì)算機(jī)模擬。1.差分法把原來(lái)求解物體內(nèi)隨空間、時(shí)間連續(xù)分布的溫度問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為求在時(shí)間領(lǐng)域和空間領(lǐng)域內(nèi)有限個(gè)離散點(diǎn)的溫度值問(wèn)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。根據(jù)不同的差分格式分為：向前差分、向后差分、平均差分、中心差分等。2.有限元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)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)的總體合成矩陣。（二）數(shù)值方法第43頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/843數(shù)值方法又叫數(shù)值分析法，是2023/10/844鑄件溫度場(chǎng)測(cè)定裝置如圖所示，將一組熱電偶的熱端固定在型腔中的不同位置，利用多點(diǎn)自動(dòng)記錄電子電位儀記錄自金屬液注入型腔起到任意時(shí)刻鑄件斷面上各測(cè)溫點(diǎn)的溫度．多點(diǎn)自動(dòng)記錄電子電位計(jì)熱電偶澆注系統(tǒng)鑄型（三）實(shí)測(cè)法第44頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/844鑄件溫度場(chǎng)測(cè)定裝置如圖所示2023/10/845鑄件溫度場(chǎng)的繪制方法是：以溫度為縱坐標(biāo)，以離開(kāi)鑄件表面中心的距離為橫坐標(biāo)，連接各點(diǎn)即得到溫度場(chǎng)．以此類(lèi)推可繪出各時(shí)刻鑄件斷面的溫度場(chǎng)．2．凝固溫度場(chǎng)的繪制第45頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/845鑄件溫度場(chǎng)的繪制方法是：以溫2023/10/846鑄型中的全部合金液態(tài)幾乎同時(shí)從澆注溫度很快降至凝固溫度,接近鑄件表面的合金結(jié)晶時(shí)釋放出的結(jié)晶潛熱，阻止了內(nèi)部合金液溫度繼續(xù)下降，而保持在凝固溫度上，在曲線上表現(xiàn)為平臺(tái)。

曲線上的拐點(diǎn)則表示鑄件中該等溫面上發(fā)生凝固的時(shí)刻。所以，注意發(fā)生這種情況的時(shí)刻，就能確定凝固前沿從鑄件表面向內(nèi)部的進(jìn)程。當(dāng)鑄件中心出現(xiàn)拐點(diǎn),整個(gè)鑄件凝固完畢。凝固初期溫度梯度大,而后逐漸緩慢,凝固由表及里進(jìn)行。250mm的純鋁圓柱形鑄件的溫度場(chǎng)曲線上的平臺(tái)曲線上的拐點(diǎn)溫度梯度不同初期大固溶體合金與純金屬,結(jié)晶潛熱很小,不能得到明顯的拐點(diǎn).第46頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/846鑄型中的全部合金液態(tài)幾乎同時(shí)從澆2023/10/847Al－7.55%Si

Al-12.3%Si

共晶型合金鑄件的典型溫度場(chǎng)第47頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/847Al－7.55%Si2023/10/848任一瞬間的溫度場(chǎng)是由不同溫度的等溫面組成的。溫度場(chǎng)任何點(diǎn)的溫度沿等溫面法線方向上的增加率成為該點(diǎn)的溫度梯度：

因此，溫度梯度是表示溫度場(chǎng)沿單位長(zhǎng)度上的溫度變化速率，也是時(shí)間和空間的函數(shù)。溫度梯度大，鑄件的溫度場(chǎng)陡峻，鑄件的凝固速度大。

3、影響鑄件溫度場(chǎng)的因素第48頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/848任一瞬間的溫度場(chǎng)是由不同溫度的等2023/10/849<1>金屬性質(zhì)的影響（1）金屬的熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）

鑄件的凝固是依靠鑄型吸熱而進(jìn)行的，因此鑄件表面溫度比中心部分的溫度低。金屬的熱擴(kuò)散率大，鑄件內(nèi)部的溫度均勻化的能力就大，溫度梯度就小，斷面上溫度分布曲線就比較平坦，反之，溫度分布曲線就比較峻陡。

液態(tài)鋁合金的熱擴(kuò)散率比鐵碳合金的大約高9-11倍，所以在相同的鑄型條件下，鋁合金鑄件斷面上的溫度分布曲線平坦得多，具有比較小的溫度梯度。相反，高合金鋼的導(dǎo)溫系數(shù)一般都比普通碳鋼小得多，如高錳鋼的導(dǎo)溫系數(shù)比普通碳鋼小3倍多，所以合金鋼在砂型鑄造時(shí)也有較大的溫度梯度。

.第49頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/849<1>金屬性質(zhì)的影響第49頁(yè)/共782023/10/850（2）結(jié)晶潛熱金屬的結(jié)晶潛熱大，向鑄型傳熱的時(shí)間則要長(zhǎng)，鑄型內(nèi)表面被加熱的溫度也高。因此，鑄件斷面的溫度梯度減小，鑄件的冷卻速度下降，溫度場(chǎng)也較平坦。（3）金屬的凝固溫度金屬的凝固溫度越高，在凝固過(guò)程中鑄件表面和鑄型內(nèi)表面的溫度越高，鑄型內(nèi)外表面的溫差就越大，且鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)在高溫段隨溫度的升高而升高，致使鑄件斷面的溫度場(chǎng)有較大的梯度。有色合金鑄件與鑄鋼件和鑄鐵件比較，在凝固過(guò)程中有較平坦的溫度場(chǎng)，其凝固溫度低是主要的原因之一。第50頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/850（2）結(jié)晶潛熱第50頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/851<2>鑄型性質(zhì)的影響鑄件在鑄型中的凝固是因鑄型吸熱而進(jìn)行的。所以，任何鑄件的凝固速度都受鑄型吸熱速度的支配。鑄型的吸熱速度越大，則鑄件的凝固速度越大，斷面上的溫度場(chǎng)的梯度也就越大。(1)鑄型的蓄熱系數(shù)b2

鑄型的蓄熱系數(shù)越大，對(duì)鑄件的冷卻能力越強(qiáng)，鑄件中的溫度梯度就越大。

3、影響鑄件溫度場(chǎng)的因素第51頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/851<2>鑄型性質(zhì)的影響鑄件在鑄型中的2023/10/852同一種合金澆注于不同的鑄型中，在不同時(shí)間所測(cè)得的鑄件和鑄型的溫度場(chǎng)

第52頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/852同一種合金澆注于不同的2023/10/853(2)鑄型的預(yù)熱溫度

在熔模鑄造中為了提高鑄件的精度和減少熱裂等缺陷，型殼在澆注前被預(yù)熱到600-900℃。在金屬型鑄造中，鑄型的預(yù)熱溫度為200-400℃。鑄型預(yù)熱溫度越高冷卻作用就越小，鑄件斷面上的溫度梯度也就越小。第53頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/853(2)鑄型的預(yù)熱溫度第53頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/854<3>澆注條件的影響

液態(tài)金屬的澆注溫度很少超過(guò)液相線以上100℃，因此，金屬由于過(guò)熱所得到的熱量比結(jié)晶潛熱要小得多，一般不大于凝固期間放出的總熱量的5-6％。但是，實(shí)驗(yàn)證明，在砂型鑄造中非等到液態(tài)金屬的所有過(guò)熱量全部散失，鑄件的凝固實(shí)際上是不會(huì)進(jìn)行的。所以增加過(guò)熱程度，相當(dāng)于提高了鑄型的溫度，使鑄件的溫度梯度減小。在金屬型鑄造中，由于鑄型具有較大的導(dǎo)熱能力，而過(guò)熱熱量所占比重又很少，能夠迅速傳導(dǎo)出去，所以澆注溫度的影響不十分明顯3、影響鑄件溫度場(chǎng)的因素第54頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/854<3>澆注條件的影響2023/10/855<4>鑄件結(jié)構(gòu)的影響(1)鑄件的壁厚

厚壁鑄件比簿壁件含有更多的熱量，當(dāng)凝固層逐漸向中心推進(jìn)時(shí)必然要把鑄型加熱到更高的溫度。鑄件越厚大，溫度梯度就越小。簿壁件比厚壁件的溫度梯度大。(2)鑄件的形狀

在鑄件表面積相同的情況下，向外部凸出的曲面，如球面、圓柱表面、L形鑄件的外角，對(duì)應(yīng)著漸次放寬的鑄型體積，散出的熱量由較大體積的鑄型所吸收，鑄件的冷卻速度比平面鑄件要大。如果鑄件表面是向內(nèi)部凹下的，如圓筒鑄件內(nèi)表面、L或T形鑄件的內(nèi)角，則對(duì)應(yīng)著漸次收縮的鑄型體積，鑄件的冷卻速度比平面部分要小。第55頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/855<4>鑄件結(jié)構(gòu)的影響第55頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/856L形和T形鑄件不同時(shí)刻的等固相線外角的冷卻速度大約為平面壁的三倍，而內(nèi)角的冷卻速度最慢。因此，當(dāng)鑄件收縮受阻時(shí)，在內(nèi)角處最容易產(chǎn)生熱裂。內(nèi)直角和內(nèi)圓角的凝固情況把內(nèi)角改成圓內(nèi)角，由于擴(kuò)大了散熱面積，角上的凝固層加厚，使內(nèi)直角的不良情況得到改善。因此，生產(chǎn)上經(jīng)常采用加大內(nèi)圓角半徑的方法防止熱裂。如果鑄件某斷面必須作成直角，則一定要采取措施加速此處的凝固(如放置外冷鐵)．第56頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/856L形和T形鑄件不同時(shí)刻的等固相線外角的2023/10/8571．凝固動(dòng)態(tài)曲線根據(jù)溫度－時(shí)間曲線，將tL和tS與曲線的交點(diǎn)分別標(biāo)注在（x/R，）坐標(biāo)系上，再將各點(diǎn)連接，即得凝固動(dòng)態(tài)曲線液相邊界－凝固始點(diǎn)固相邊界－凝固終點(diǎn)液相線溫度固相線溫度凝固動(dòng)態(tài)曲線的意義:凝固方式凝固起始時(shí)間和終了時(shí)間凝固區(qū)域的寬度凝固速度凝固開(kāi)始凝固終了2.3.3鑄件的凝固方式第57頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8571．凝固動(dòng)態(tài)曲線根據(jù)溫度－時(shí)間曲線，將2023/10/858鑄件凝固過(guò)程中，除純金屬和共晶成分合金外，斷面上一般都存在三個(gè)區(qū)域,2．凝固區(qū)域及其結(jié)構(gòu)凝固區(qū)液相區(qū)固相區(qū)部分狀態(tài)圖固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)第58頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/858鑄件凝固過(guò)程中，除純金屬和共晶成分合金2023/10/859固－液部分劃分為兩個(gè)帶

右邊的晶體已連成骨架，但液體還能在其間移動(dòng)左邊的已接近固相溫度，固相占絕大部分，骨架之間的少量液體被分割成互補(bǔ)溝通的小“熔池”2．凝固區(qū)域及其結(jié)構(gòu)第59頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/859固－液部分劃分為兩個(gè)帶2023/10/860（1）逐層凝固

在恒溫下結(jié)晶的純金屬、共晶成分的合金，斷面上液體和固體由一條界線截然分開(kāi)，沒(méi)有“L+S”兩相區(qū)，隨溫度下降，固體層不斷加厚，逐步達(dá)到中心。這種情況為“逐層凝固方式”。對(duì)于結(jié)晶溫度范圍很窄，或斷面溫度梯度很大時(shí)，逐層斷面的凝固區(qū)域則很窄，也屬于逐層凝固方式（圖2-12（b））

易補(bǔ)縮、致密性好、性能好。2-12逐層凝固方式示意圖溫度梯度GL第60頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/860（1）逐層凝固2-122023/10/861（2）體積凝固

若鑄件斷面溫度場(chǎng)較平坦，溫度梯度很?。▓D2-13（a）），或結(jié)晶溫度區(qū)間很寬（圖2-1（b）），鑄件凝固的某一段時(shí)間內(nèi)，某凝固區(qū)域在某時(shí)刻貫穿整個(gè)鑄件斷面時(shí)，則在凝固區(qū)域里既有已結(jié)晶的晶體也有未凝固的液體，這種情況為“體積凝固方式”或稱(chēng)“糊狀凝固方式”。

不易補(bǔ)縮、縮松、夾雜、開(kāi)裂2-13體積凝固方式示意圖溫度梯度GL第61頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/861（2）體積凝固2-13體積凝固方式示2023/10/862

如果合金的結(jié)晶溫度范圍較窄（圖2-14（a）），或者鑄件斷面的溫度梯度較大（圖2-14（b）），鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛诙咧g時(shí)，則屬于“中間凝固方式”。（3）中間凝固圖2-14中間凝固方式示意圖溫度梯度GL第62頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/862（3）中間凝固圖2-14中間凝固方式2023/10/863（4）凝固區(qū)域的寬度

由凝固動(dòng)態(tài)曲線上的”液相邊界“和”固相邊界“之間的縱向距離直接判斷。這個(gè)距離大小是劃分凝固方式的一個(gè)準(zhǔn)則。如果兩條曲線重合在一起，趨向于逐層凝固方式。如果兩條曲線的間距很大，則趨向于體積凝固方式。熱電偶測(cè)得各點(diǎn)冷卻曲線第63頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/863（4）凝固區(qū)域的寬度熱電偶測(cè)得各第632023/10/864以二元共晶相圖為例說(shuō)明：

1.逐層凝固3.糊狀凝固

2.中間凝固

合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。表層中心t鑄件固相線液相線成分溫度表層中心t鑄件液固液表層中心St鑄件溫度液相線固凝固區(qū)2.3.4影響鑄件凝固方式的因素一、合金的結(jié)晶溫度范圍（與化學(xué)成分有關(guān)）第64頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/864以二元共晶相圖為例說(shuō)明：1.逐層凝2023/10/865第65頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/865第65頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/866二、鑄件的溫度梯度的影響

在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。

梯度很大的溫度場(chǎng)，可以使寬結(jié)晶溫度范圍的合金按中間凝固方式凝固，甚至按逐層凝固方式凝固。很平坦的溫度場(chǎng)，可以使窄結(jié)晶溫度范圍的合金按體積凝固方式凝固。所以，溫度梯度是凝固方式的重要調(diào)節(jié)因素。第66頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/866二、鑄件的溫度梯度的影響在合2023/10/867圖2-16工業(yè)純鋁鑄件斷面的溫度場(chǎng)（a）和凝固動(dòng)態(tài)曲線（圖b）第67頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/867圖2-16工業(yè)純鋁鑄件斷面的溫度場(chǎng)（2023/10/8682.3.5金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系1、窄結(jié)晶溫度范圍的合金金屬澆入鑄型后，首先在型壁處過(guò)冷，形成激冷層，然后按柱狀晶的形勢(shì)緊密生長(zhǎng)，固相界面前沿為平面推進(jìn)的方式.純金屬，共晶類(lèi)合金、窄結(jié)晶溫度范圍類(lèi)合金這類(lèi)合金包括純金屬、共晶成分合金和其它窄結(jié)晶溫度范圍的合金純金屬共晶類(lèi)合金窄結(jié)晶溫度范圍合金工業(yè)用銅工業(yè)用鋅工業(yè)用錫共晶成分合金近共晶成分合金低碳鋼錫青銅結(jié)晶溫度范圍小的黃銅第68頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8682.3.5金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的2023/10/869

由于凝固前沿直接與液態(tài)金屬接觸，當(dāng)凝固發(fā)生體積收縮時(shí)，可以不斷地得到液體的補(bǔ)充，所以（1）產(chǎn)生分散縮松的傾向小，而是在鑄件最后凝固部位留下集中縮孔，設(shè)置冒口易消除（2）當(dāng)收縮受阻而產(chǎn)生晶間裂紋時(shí)，容易得到金屬液的充填，使裂紋愈合，所以鑄件的熱裂傾向小。（3）如果這類(lèi)合金在充型過(guò)程中發(fā)生凝固時(shí)，也具有較好的充型能力。第69頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/869由于凝固前沿直接與液態(tài)金屬接觸，當(dāng)凝2023/10/8702.4金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系2、寬結(jié)晶溫度范圍的合金鋁、鎂合金銅合金鐵碳合金鋁銅合金鋁鎂合金鎂合金錫青銅鋁青銅結(jié)晶溫度范圍大黃銅高碳鋼球墨鑄鐵

這類(lèi)合金鑄件的凝固區(qū)域?qū)挘簯B(tài)金屬的過(guò)冷很小，容易發(fā)展為樹(shù)枝發(fā)達(dá)的粗大等軸晶組織。（2）由于粗大的等軸晶比較早的形成晶體骨架，而粗大的等軸晶的高溫強(qiáng)度低，當(dāng)晶間因收縮出現(xiàn)裂紋時(shí)，又得不到液態(tài)金屬的及時(shí)填充使之愈合，故鑄件產(chǎn)生熱裂的傾向大；（1）當(dāng)粗大的等軸晶互相連接以后，便將尚未凝固的液態(tài)金屬分割成一個(gè)個(gè)互不溝通的溶池，最后在鑄件中形成分散性的縮松。采用普通冒口消除縮松是很困難的，往往采用如增加冒口的補(bǔ)縮壓力，加速冷卻等措施.（3）若這類(lèi)合金在充填過(guò)程中發(fā)生凝固，其充型能力也很差。第70頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/8702.4金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系2023/10/871寬結(jié)晶范圍的合金結(jié)晶過(guò)程：在凝固區(qū)域中靠近固相前沿先形成一批晶粒，周?chē)a(chǎn)生溶質(zhì)富集，停止生長(zhǎng)，在富集區(qū)的后面又形成一批小晶粒，這樣下去很快布滿整個(gè)凝固區(qū)域，由于結(jié)晶溫度區(qū)間大，過(guò)冷度小，形成的晶粒數(shù)目少，所以形成粗大的等軸晶。粗大的等軸晶比較早地連成晶體骨架，將尚未凝固的液體分割成小的互不溝通的熔池，最后在鑄件中形成微小縮松。同時(shí)熱裂傾向性大，充型能力也差2、寬結(jié)晶溫度范圍的合金第71頁(yè)/共78頁(yè)2023/10/871寬結(jié)晶范圍的合金結(jié)晶過(guò)程：在凝固區(qū)2023/10/872

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