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大着。当它们长大到与相邻的晶体相抵触时,这个方向的长大就停止了。当全部长大的晶体都相互抵触时, 液态金属即已耗尽,结晶过程也就完成了。当过冷度较大,特别是液体中存有杂质时,晶体往往 以树枝状形式长大。
凝固条件不同,晶体形态会发生变化。铸型型壁处传热快,型壁表面又有促进形核的作用, 使得达到液相线温度的那部分液体合金在型壁上产生大量晶核,在型壁\激冷\及液体合金热对流的综合作用下,形成一层很薄的等轴细晶区。在细晶区形成的同时,铸型温度升高,液体合金 的冷却速度降低,过冷度减小,形核率降低,使那些与传热最快方向相反、与型壁垂直的晶核,优先长大并顺利长人液体合金;而其它方向上的晶核受相邻晶体的阻碍生长较慢。此过程继续下 去,就形成了向液体合金内部平行长大的柱状晶区。铸型心部,过冷度大为减小,温度梯度小,传热逐渐无方向性,晶体向各个方向充分、均匀长大,形成了粗大的等轴晶区。铸件的质量和机械性能主要取决于柱状晶和等轴晶所占的比例。铸件究竟是以柱状晶为主,还是以等轴晶为主,除了和铸造合金的成分有关,还与铸件的凝固方式有关。
2.铸件的凝固方式
铸件在凝固过程中,除纯金属和共晶成分合金外,一般都存在三个区域,即固相区、凝固(固—液两相)区和液相区。根据凝固区宽度的不同,铸件的凝固方式可分为逐层凝固、糊状凝固和中间凝固三种方式。
(1)逐层凝固
纯金属、共晶类合金及窄结晶温度范围的合金,如灰口铸铁、铝硅合金、硅黄铜及低碳钢等, 倾向于逐层凝固方式。其特征是,紧靠铸型壁的外层合金,一旦冷却至凝固点或共晶点温度时, 即凝固成固态晶体,而处于上述温度以上的里层合金,仍为液态。固—液界面分明、平滑,不存在固液交错。随着热量传向型壁,温度不断下降,又一层固态晶体形成。如此凝固过程继续下去, 柱状晶向液体内生长,直至彼此抵触为止。断面心部尚未凝固的液体金属及低熔点杂质,被柱状晶所封闭,见图2-16a
(2)糊状凝固
结晶温度范围大的合金,如铝铜合金、锡青铜及球墨铸铁、高碳钢等,倾向于糊状凝固方式。这些合金一旦冷却至液相线温度时,结晶出的第一批晶粒即被周围剩余的液体合金所包围,晶体生长在各个方向上比较均匀;温度继续下降,新形成的另一批晶粒又被液体合金包围,这使小晶粒充斥整个断面,固液交错,最终在铸件整个断面上生成粗大的等轴晶;尚未凝固的液体合金,则被众多的等轴晶封闭。这种凝固方式犹如水泥凝固,先呈糊状而后固化,见图2-16b。
图2-16铸件的凝固方式
(3)中间凝固
中碳钢、白口铁以及部分特种黄铜等,倾向于中间凝固方式。它介于逐层凝固和糊状凝固之间,既有柱状晶又有等轴晶。
合金铸件的凝固区不是一成不变的,它还与铸件的温度有关,因此凡是影响铸件温度梯度的因素,都影响凝固区的大小。例如,有些合金在砂型铸造时呈中间凝固,而改为金属型铸造时
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可减小凝固区的宽度。
二 合金的铸造性能
合金的铸造性能是指在铸造生产过程中,容易获得正确的外形、内部又健全的铸件的难易程度。铸造性能通常用充型能力、收缩性等指标来衡量。影响铸造性能的因素很多,除合金元素的化学成分外,还有工艺因素。因此,必须掌握合金的铸造性能,以便采取工艺措施,防止铸造缺陷,提高铸件质量。
1.合金的充型能力
熔融金属充满型腔,形成轮廓清晰、形状完整的铸件的能力叫做液态合金的充型能力。影响液态合金充型能力的因素有两个:一是合金的流动性,二是外界条件。
(1)合金的流动性
铸造合金流动性的好坏,通常以螺旋形流动性试样的长度来衡量。将金属液浇入图2-17所示的螺旋形试样的铸型中,在相同的铸型及浇注条件下得到的螺旋形试样越长,表示该合金的流动性越好。不同种类合金的流动性差别较大,如表2-1所示。铸铁和硅黄铜的流动性最好,铝硅合金次之,铸钢最差。在铸铁中,流动性随碳、硅含量的增加而提高。同类合金的结晶温度范围越小,结晶时固液两相区越窄,对内部液体的流动阻力越小,合金的流动性也越好。
图2-17螺旋形流动性试样示意图 1-试样；2-浇口杯；3-冒口；4-试样凸点
表2-1 常用合金的流动性比较
合金 铸铁 (ωc+si=6.2%) (ωc+si=5.9%) (ωc+si=5.2%) (ωc+si=4.2%) 铸钢(ωc,0.4%) 铝硅合金 镁合金(Mg-Al-Zn) 锡青铜(ωsn,9%-11%) (ωZn,2%-4%)
砂型 金属型(300℃) 砂型 砂型 砂型 造型材料 浇注温度/℃ 1300 1300 1300 1300 1600 1640 690~720 700 1040 螺旋线长度/㎜ 1800 1300 1000 600 100 200 100~800 400~600 420 10
硅黄铜(ωsi,1.5%-4.5%) 1100 1000
流动性好的合金,充型能力强,易得到形状完整、轮廓清晰、尺寸准确、薄而复杂的铸件。反之,铸件容易产生浇不足、冷隔等缺陷。流动性好,还有利于金属液中的气体、非金属夹杂物的上浮与排除有利于补充铸件凝固过程中的收缩。以免产生气孔、夹渣以及缩孔、缩松等缺陷。
铸件的凝固方式对合金的流动性影响较大。如前所述,呈逐层凝固的灰口铸铁、硅黄铜等合金,其凝固前沿比较平滑,对金属的流动阻力小,因而充型能力强,见图2-18a;而呈糊状凝固的球墨铸铁、高碳钢等,凝固前沿为发达的枝晶与液体合金互相交错,对金属流动的阻力大,因而充型能力差,容易产生铸造缺陷,见图2-18b。所以,从流动性考虑,宜选用共晶成分或窄结晶温度范围的合金作为铸造合金。
a) b)
图2-18凝固方式对流动性的影响
除此之外,合金液的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对合金的流动性都有影响。 (2)外界条件
影响充型能力的外界因素有铸型条件、浇注条件和铸件结构等。这些因素主要是通过影响金属与铸型之间的热交换条件,从而改变金属液的流动时间,或是通过影响金属液在铸型中的水动力学条件,从而改变金属液的流动速度来影响合金充型能力的。如果能够使金属液的流动时间延长,或加快流动速度,就可以改善金属液的充型能力。
1)铸型条件 铸型的导热速度越大或对金属液流动阻力越大,金属液流动时间就短,合金的充型能力越差。例如,液态合金在金属型中的充型能力比在砂型中差。砂型铸造时,型砂中水分过多,排气不好,浇注时产生大量气体,会增加充型的阻力,使合金的充型能力变差。
2)浇注条件 在一定范围内,提高浇注温度,可使液态合金粘度下降,流速加快,还能使铸 型温度升高,金属散热速度变慢,从而大大提高金属液的充型能力。但如果浇注温度过高,容易产生粘砂、缩孔、气孔、粗晶等缺陷。因此,在保证金属液具有足够充型能力的前提下应尽量降低浇注温度,例如铸钢的浇注温度范围为1520 - 1620℃,铸铁的浇注温度范围为1230 - 1450℃, 铝合金的浇注温度范围为680 - 780℃, ,薄壁复杂铸件取上限,厚大铸件取下限。提高金属液的充型压力和浇注速度可使充型能力增加,如增加直浇口的高度,也可以用人工加压方法(压力铸造、真空吸铸及离心铸造等)。此外,浇注系统结构越复杂,流动阻力越大,充型能力越低。
3)铸件结构 当铸件壁厚过小,壁厚急剧变化,结构复杂以及有大的水平面等结构时,都使金属液的流动发生困难。因此,设计时铸件的壁厚必须大于最小允许壁厚值(见表2-2),有的铸件还需设计流动通道。
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2-2 不同金属和不同铸造方法铸造的铸件的最小壁厚值
灰铸铁 铸钢 铝合金 砂型 3 4 5 金属型 ＞4 8~10 3~4 熔模 0.4~0.8 0.5~1 — 压铸 — — 0.6~0.8 2.合金的收缩性
铸件在冷却过程中,其体积和尺寸缩小的现象叫做收缩。合金的收缩量通常用体收缩率和线收缩率来表示。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩;金属在固态由高温到常温的线性尺寸改变量称为线收缩;铸件的收缩与合金成分、温度、收缩系数和相变体积改变等因素有关,除此之外还与结晶特性、铸件结构以及铸造工艺等有关。
(1)收缩三阶段
铸造合金收缩要经历三个相互联系的收缩三阶段，即液态收缩、凝固收缩和固态收缩，见图2-19。
1)液态收缩 是合金从浇注温度t浇(A点)冷却至开始凝固(液相线)温度(B点)之间的收缩。金属液体的过热度越高,液态收缩越多。
2)凝固收缩 是合金从开始凝固(B点)至凝固结束(固相线)之间的收缩。结晶温度范围越宽,凝固收缩越大。
图2-19铸造合金的收缩阶段 Ⅰ-液态收缩 Ⅱ-凝固收缩 Ⅲ-固态收缩
液态收缩和凝固收缩,一般表现为铸型空腔内金属液面的下降,是铸件产生缩孔或缩松的基本原因。
3)固态收缩是合金在固态下冷却至室温的收缩。它将使铸件的形状、尺寸发生变化,是产生铸造应力导致铸件变形,甚至产生裂纹的主要原因。
常用的金属材料中,铸钢收缩最大,有色金属次之,灰口铸铁最小。灰口铸铁收缩小是因析出石墨而引起体积膨胀的结果。
(2)影响收缩的因素
合金总的收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段收缩之和,它和金属本身的化学成分、浇注温度以及铸型条件和铸件结构等因素有关。
1)化学成分 不同成分合金的收缩率不同,如碳素钢随含碳量的增加,凝固收缩率增加,而固态收缩率略减。表2-3列出了几种铁碳合金的收缩率。灰铸铁中,碳、硅含量越高,硫含量越低,收缩率越小。
2)浇注温度浇注温度主要影响液态收缩。浇注温度升高,使合金液态收缩率增加,则总收
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