合金的铸造性能——合金的凝固与收缩

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合金的铸造性能--指在一定的铸造工艺条件下某种合金获得优质铸件的能力，即在铸造生产中表现出来的工艺性能，如充型能力、收缩性、偏析倾向性、氧化性和吸气性等等。
　　合金的铸造性能包括： 1.充型能力 2.凝固与收缩 3.偏析 4.吸气
合金的铸造性能——合金的凝固与收缩
1 合金的凝固与收缩
（1）凝固与收缩的定义
　　凝固----物质由液态变为固态的过程。
　　收缩----铸件在凝固、冷却过程中所发生的体积减小的现象。
（2）对铸件质量的影响
　　浇入铸型的液态金属在冷凝过程中，如果凝固和收缩得不到合理的控制，铸件内部就会出现缩孔、缩松、铸造应 力、变形、裂纹等缺陷。
2 铸件的凝固方式及影响因素
（1）铸件的凝固方式
　　在凝固过程中，铸件断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。其中，对铸件 质量影响较大的主要是 液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的“凝固方式”依据凝固区的宽窄来划分，有如下三类。
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图B-1 铸件的凝固方式
　　① 逐层凝固
　　纯金属或共晶成分合金(例如图B-1中的a成分)在凝固过程中不存在液、 固相并存的凝固区(图B-2铸件的凝固方式(a))，故断面上外层的固体和内层的液体由一条界线(凝固前沿)清楚地分开。随着温度的下降，固体层 不断加厚，液体层不断减少，凝固前沿不断向中心推进，直至中心。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(例如图B-1中的c成分)，且铸件内的温度 分布曲线(图B-1中的t铸件 曲线)较为平坦，则在凝固的 某段时间内，铸件表面并不存在固体层，而液、固相并存的凝固区贯穿整个断面(图B-1(C))。因为这种凝固方式与水泥类似，即先呈糊状而后固化，故称为糊状凝固。
　　③ 中间凝固
　　大多数合金(例如图B-1中的b)的凝固方式介于上述两者之间，称为中间凝固方式。
　　铸件的凝固与铸造缺陷的关系：
　　一般说来，逐层凝固有利于合金的充型及补缩，便于防止缩孔和缩松；糊状凝固 时，难以获得组织致密的铸件。
（2）影响铸件凝固方式的主要因素
　　① 合金的结晶温度范围
　　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。例如：砂型铸造时，低碳钢为逐层凝固；高碳钢因结晶温度范围甚宽，为糊状凝固。
　　② 铸件断面的温度梯度
　　在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决于铸件断面的温度梯度(见图B-2中 T1→T2 )。若铸件的度梯度由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄。
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图B-2 铸件的凝固方式
　　
铸件的温度梯度主要取决于：
a.合金的性质 合金的凝固温度越低、导温系数越大、结晶潜热越大，铸件内部温度均匀 化能力就越大，温度梯度就越小(如多数铝合金)；
b.铸型的蓄热能力 铸型蓄热系数越大，对铸件的激冷能力就越强，铸件温度梯度就越大；
c.浇注温度 浇注温度越高，因带入铸型中热量增多，铸件的温度梯度就越小；
d.铸件的壁厚 铸件壁厚越大，温度梯度就越小。
　　通过以上讨论可以得出：倾向于逐层凝固的合金(如灰铸铁、 铝硅合金等)便于铸造，应尽量选用；当必须采用倾向于糊状凝固 的合金(如：锡青铜、铝铜合金、球墨铸铁等)时，可考虑采用适 当的工艺措施(例如，选用金属型铸造)，以减小其凝固区域。

3 合金的收缩及其影响因素
(1)合金收缩的原理及过程
　　液态合金的结构是由原子集团和“空穴”组成的。原子集团内部的原子呈有序排列，但原子间距比固态时大。将液态 合金浇入铸型后，温度不断下降，空穴减少，原子间距缩短，合金液的体积要减小。合金液凝固时，空穴消失，原子间 距进一步缩短。凝固后继续冷却至室温的过程中，原子间距还要缩短。 合金由浇注温度冷却到室温的收缩经历了以下三个阶段：
①液态收缩 即从浇注温度到开始凝固的液相线温度之间，合金处于液态下的收缩。它使型腔内液面下降。
②凝固收缩 即从凝固开始温度到凝固终了温度之间，合金处于凝固过程的收缩。在一般情况下，凝固收缩仍主要表现为液面的下降。
③固态收缩 即从凝固终了温度至室温之间，合金处于固态下的收缩。此阶段的收缩表现 为铸件线性尺寸的减小。
　　合金的液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的主要原因；而固态收缩是铸件产生铸造应力、变形、裂纹的根 本原因，并直接影响铸件的尺寸精度。
（2）影响合金收缩的主要因素
　　
①合金的化学成分
　　不同合金的收缩率不同。在常用合金中，铸钢的收缩率最大，灰铸铁的收缩率最小。灰铸铁 收缩率很小的原因是： 由于其中大部分碳是以石墨状态存在的，石墨的比容大，在结晶过程，中石墨析出所产生 的体积膨胀，抵消了合金的部 分收缩。

表B-1 不同合金的收缩率

合金种类铸	碳的质量分数	浇注温度/℃	液态收缩	凝固收缩	固态收缩	总体积收缩
铸造碳钢 白口铸铁 灰铸铁	0.35% 3.00% 3.50%	1 610 1 400 1 400	1.6% 2.4% 3.5%	3% 4.2% 0.1%	7.8% 5.4～6.3% 3.3～4.2%	12.46% 12～12.9% 6.9～7.8%

②浇注温度
　　浇注温度越高，合金的液态收缩量越大。
　　
③铸型条件和铸件结构
　　铸件的实际收缩区别于合金的自由收缩，它会受到铸型及型芯的阻碍；而且由于铸件结构复杂及壁厚不均，冷却时各部分相互牵制也会阻碍收缩。