鑄件形成理論

1、鑄件形成理論（一）鑄造是將熔化成液態(tài)的金屬澆入鑄型后一次制成需要形狀和性能的鑄件，亦即鑄造是使金屬的狀態(tài) 按著“固態(tài)一液態(tài)一固態(tài)”變化而成形的。金屬由液態(tài)一固態(tài)的凝固過程中的一些現(xiàn)象，如液態(tài) 金屬、結(jié)晶、溶質(zhì)的傳輸、晶體長大、氣體溶解和析出、非金屬夾雜物的形成、金屬體積變化等都是我 們在后面將要探討的內(nèi)容。一、有關(guān)液態(tài)金屬方面的介紹（一）液態(tài)金屬的粘滯性液態(tài)金屬的粘滯性對鑄型的充填、液態(tài)金屬中的氣體、非金屬夾雜物的排除、金屬的補(bǔ)縮、一次結(jié) 晶的形態(tài)、偏析的形成等，多有直接或間接的作用。因此液態(tài)金屬的粘滯性對鑄件的質(zhì)量有重要的影響。1、粘滯性的本質(zhì) 當(dāng)外力作用于液體表面時，由于質(zhì)點(diǎn)間作用力引起內(nèi)

2、摩擦力，使的最表面的一 層移動速度大于第二層，而第二層的速度大于第三層， 。因此粘滯性的本質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間（原子間）結(jié) 合力的大小。2、影響粘度的因素溫度溫度對粘度的影響要根據(jù)不同原子之間的相互關(guān)系來解釋，因此在這 里不討論。細(xì)化鋁硅合金加入的變質(zhì)劑鈉，在結(jié)晶期間吸附在晶核表面，阻止硅原子的集聚，使粘度降 低。所以變質(zhì)處理后的鋁硅合金的流動性較未變質(zhì)前有所提高。 化學(xué)成分 難熔化合物的粘度較 高，而熔點(diǎn)低的共晶成分合金其粘度低。這是由于難熔化合物的結(jié)合力強(qiáng)，在冷至熔點(diǎn)之前就及早地開 始了原子的集聚。對于共晶成分合金，異類原子間不發(fā)生結(jié)合，而同類原子聚合時，由于異類原子存在 所造成的阻礙，使它們聚合緩

3、慢，晶胚的形成拖后，故粘度較非共晶成分的低。非金屬夾雜物液態(tài) 合金中呈固態(tài)的非金屬夾雜物使液態(tài)合金的粘度增加，如氧化鋁、氧化硅等。這是因為夾雜物的存在使 液態(tài)合金成為不均勻的多相系統(tǒng)，液體流動時內(nèi)摩擦力增加。夾雜物愈多，對粘度影響愈大。同時夾雜 物的形態(tài)也有影響。（二）液態(tài)金屬的表面張力物體的表面是兩種相的分界面，該表面總是具有某些不同于內(nèi)部的特有性質(zhì)，有此產(chǎn)生出一些表面 特有的現(xiàn)象-表面現(xiàn)象。在鑄件形成過程中存在著許多相相的界面，如金屬與大氣、熔劑、型壁，以 及與其內(nèi)部的氣體、夾雜物、晶體等界面。在這些界面發(fā)生的表面現(xiàn)象對合金的精煉和孕育、鑄型的充 填、鑄件的凝固結(jié)晶、氣體的吸附和析出、夾雜

4、物的形態(tài)、鑄件的補(bǔ)縮等都有重要影響。表征表面現(xiàn)象 的主要參數(shù)是表面張力。1、表面張力的實質(zhì)對于液體和氣體界面上的質(zhì)點(diǎn)（原子或分子），由于液體的密度大于氣體的密 度，故氣相對它的作用力遠(yuǎn)小于液體內(nèi)部對它的作用力，使表面層質(zhì)點(diǎn)處于不平衡的力場之中。結(jié)果是 表面層質(zhì)點(diǎn)受到一個指向液體內(nèi)部的力，使液體表面有自動縮小的趨勢。這相當(dāng)于存在一個平行于表面 且各向大小相等的張力，稱之為表面張力（也稱之為界面張力）。當(dāng)兩個相組成一個界面時，其界面張力 與兩相質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力成正比。衡量界面張力的標(biāo)志是潤濕角。2、影響界面張力的因素 熔點(diǎn)熔點(diǎn)高，界面張力大。溫度 對多數(shù)合金和金屬來說，溫度升 高，表面張力降低。溶質(zhì)

5、 不同的溶質(zhì)元素對金屬的表面張力有不同的影響。使表面張力降低的溶質(zhì)元 素，稱為該金屬的表面活性物質(zhì)；使表面張力增加的溶質(zhì)元素，稱為該金屬的非表面活性物質(zhì)。二、液態(tài)金屬的充型能力鑄造生產(chǎn)的主要特點(diǎn)，是直接將液態(tài)金屬澆入鑄型并在其中凝固和冷卻而得到鑄件。液態(tài)金屬充型 過程，是鑄件形成的第一個階段，一些鑄造缺陷，如澆不足、冷隔、卷入性氣孔等都是在充型不利的情 況下產(chǎn)生的。為此，首先要知道液態(tài)金屬能否充滿鑄型、得到形狀完整輪廓清晰的鑄件的能力；其次要 掌握充型過程中液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中和鑄型型腔中的流動規(guī)律，它是設(shè)計澆注系統(tǒng)的重要依據(jù)之一； 最后要把握液態(tài)金屬在充型過程中與鑄型之間熱的、機(jī)械的和物理化

6、學(xué)的相互作用；以及在此過程中可 能產(chǎn)生的缺陷和防止措施。1、液態(tài)金屬充型能力的基本概念液態(tài)金屬的充型能力 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，稱之為液態(tài) 金屬充填鑄型的能力。液態(tài)金屬的充型能力首先取決于金屬本身的流動能力，同時又受外界條件，如鑄第1頁共3頁型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素影響，是各種因素的綜合反映。液態(tài)金屬的流動性液態(tài)金屬本身的流動能力，稱為“流動性”，是金屬的鑄造性能之一，與金屬的成分、溫度、雜質(zhì)含量，及其物理性質(zhì)有關(guān)。金屬的流動性對于排出其中的氣體、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

7、孔和雜 質(zhì)的鑄件。良好的流動性，能使鑄件在凝固期間產(chǎn)生的縮孔得到金屬的補(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，為此有利于缺陷的防止。金屬的流動性是用澆注“流動性試樣”的 方法衡量的。對于不同種合金是將試樣的結(jié)構(gòu)和鑄型性質(zhì)固定不變，在相同的澆注條件下來判定流動性 的好壞。對于同種合金也可以用流動性試樣來研究鑄造因素對充型能力的影響。流動性試樣的類型很多， 如螺旋形、球形、U形、契形、真空試樣等等。2、 液態(tài)金屬的停止流動機(jī)理純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍很窄的合金停止流動機(jī)理停 止流動的原因是末端之前的某個部位從型壁向中心生長的柱狀晶相接觸，金屬的流動通道被堵塞。寬 結(jié)

8、晶溫度范圍合金停止流動機(jī)理 液態(tài)金屬的溫度是沿程下降的，液流前端冷卻最快，首先結(jié)晶，當(dāng)晶 體達(dá)到一定數(shù)量時，便結(jié)成了一個連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)生堵塞，停止流動。3、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是通過兩個途徑發(fā)生作用的：影響金屬與鑄型之間熱交換條件，而改變金屬液流 動時間；影響金屬液在鑄型中的水力學(xué)條件，而改變金屬液的流速。但是由于液態(tài)金屬與鑄型之間是一 個不穩(wěn)定的熱交換過程，有些因素不但影響流動時間，也影響流速，不能截然劃分。影響液態(tài)金屬充型 能力的因素很多，為便于分析將所有的因素歸納為如下四類。第一類因素金屬性質(zhì)方面的因素這類因素是內(nèi)因，決定了金屬本身的流動能力-流動性。

9、合金的成分對于鑄造鋁合金來說，在亞共晶成分范圍內(nèi)隨著硅含量的提高，金屬的流動能力得到提 高，同時對于那些能減小結(jié)晶溫度范圍的元素都能提高金屬的流動性，而加寬結(jié)晶溫度范圍的元素則降 低金屬的流動性；而在過共晶成分范圍內(nèi)隨著硅含量的提高，金屬的流動能力反而下降，而對于那些能 減小結(jié)晶溫度范圍的元素仍能提高金屬的流動性，而加寬結(jié)晶溫度范圍的元素仍然降低金屬的流動性。 結(jié)晶潛熱 結(jié)晶潛熱約占金屬含熱量的8590%，但對不同類型的合金影響是不同的。對于純金屬和 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，是估計流動性的 一個重要因素。凝固過程中釋放的結(jié)晶潛熱越多，則凝固進(jìn)

10、行的越慢，流動性越好。鋁的流動性很好。 對于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金，散去一部分潛熱后，晶粒就連成網(wǎng)絡(luò)而阻塞流動，大部分結(jié)晶潛熱的作 用不能發(fā)揮，所以對流動性影響不大。綜上所述，結(jié)晶潛熱相對合金的結(jié)晶特性而言，是一個次要因素， 結(jié)晶特性對流動性的作用是主導(dǎo)的。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 過熱度下，保持液態(tài)的時間長，流動性好。導(dǎo)熱系數(shù)小的合金，熱量散熱慢，保持流動的時間長；導(dǎo)熱 系數(shù)小，在凝固期間凝固并存的兩相區(qū)小，流動阻力小，故流動性好。金屬中加入合金元素后，一般都 使導(dǎo)熱系數(shù)明顯下降。但是有時加入合金元素后初晶組織發(fā)生變化，反而使流

11、動性下降。例如，在鋁合 金中加入少量的鐵或鎳，合金初晶變?yōu)榘l(fā)到的枝晶，并出現(xiàn)針狀FeAl3,流動性顯著下降。在鋁合金中加 入銅，結(jié)晶溫度范圍變大，也降低流動性。液態(tài)金屬的粘度液態(tài)金屬的粘度與其成分、溫度、夾雜物的含量和狀態(tài)等有關(guān)。表面張力造型材料一般不被液態(tài)金屬潤濕，故在鑄型細(xì)薄部分的液面是凸起的，而有表面張力產(chǎn)生 一個指向液體內(nèi)部的附加壓力，阻礙對該部分的充填。所以表面張力對薄壁鑄件、鑄件細(xì)薄部分和棱角 的成形有影響，為克服附加壓力必須在正常的充型壓頭上增加一個附加壓頭。綜上所述，為提高液態(tài)金屬的充型能力，在金屬方面采取以下措施：正確選擇合金成分在不影響鑄件使用性能的情況下，可根據(jù)鑄件大小、

12、厚薄和鑄型性質(zhì)等因素，將 合金成分調(diào)整到實際共晶成分附近，或選用結(jié)晶溫度范圍小的合金。對某些合金進(jìn)行變質(zhì)處理使晶粒細(xì) 化，也有利于提高充型能力。合理的熔煉工藝正確選擇原材料，去除金屬上銹蝕、油污，熔劑烘干；在熔煉過程中盡量使金屬液 或少接觸有害氣體；對某些合金充分脫氧或精煉除氣，減少其中的非金屬夾雜物和氣體。“高溫出爐，低 第2頁共3頁溫澆注”是一項成功的生產(chǎn)經(jīng)驗。高溫出爐能使一些難熔的固體質(zhì)點(diǎn)熔化，未熔的質(zhì)點(diǎn)和氣體在澆包中 鎮(zhèn)靜階段有機(jī)會上浮而使金屬凈化，從而提高金屬液的流動性。第二類因素鑄型性質(zhì)方面的因素鑄型的阻力影響金屬液的充型速度；鑄型與金屬的熱交換強(qiáng)度影響金屬液保持流動的時間。所以鑄

13、型 性質(zhì)方面的因素對金屬液的充型能力有重要影響。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，鑄型的激冷能力越強(qiáng)，金屬液于其中保持液態(tài)的時間越短，充型能力下降。鑄型的溫度預(yù)熱鑄型能減少金屬與鑄型的溫差，從而提高其充型能力。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，可減少流動的摩擦阻力， 有利于充型。但當(dāng)型腔中的氣體的壓力增大到一定程度時將形成反壓力，使充型能力下降。減小鑄型中 氣體反壓力的途徑有兩條：一是適當(dāng)降低鑄型中的含水量和發(fā)氣物質(zhì)的含量；另一條途徑是在鑄型中設(shè) 置排氣孔。第三類因素澆注條件方面的因素澆注溫度 澆注溫度提高對液態(tài)金屬充型能力有決定性影響。澆注溫度越高，充型能力越好。在一定 溫度范圍內(nèi)，充型能力的提高隨著澆注溫度的提高而直線上升。超過某界限后，由于金屬吸氣多，氧化 嚴(yán)重，充型能力的提高幅度越來越小。充型壓頭液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力越大，充型能力就越好。在生產(chǎn)中用增加金屬液靜壓頭 的方法來提高充型能力。澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動阻力越大，在靜壓頭相同的情況下，充型能力就越差。在設(shè)計澆注系統(tǒng)時，必須合理布置內(nèi)澆道在鑄件上的位置，選擇合適的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各組元（直 澆道、橫澆道和內(nèi)澆道）的斷面積，否則即使金屬有較好的流動性，也會產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷， 第四類因素鑄