铸件的凝固

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第161页（1777字）

金属从液态转变为固态的过程称为凝固过程．铸件的凝固过程就是铸件的结晶过程，它与凝固时间、凝固速度、凝固温度有着密切的关系．研究铸件的凝固过程是为了更好地解决铸造生产中出现的各种问题，以保证获得高质量的铸件产品．

3．3．2．1 凝固过程

铸件断面上存在液相、液固和固液混合区、固相3个区域．同时存在液、固两相的区域也叫“凝固区域”．这个区域愈大就愈容易形成等轴晶，补缩愈不易，愈容易形成缩松，铸件的致密度就很差．反之，这个区域愈校而愈易形成柱状晶，铸件的致密度愈好．图3-26是凝固区域结构图．

图3-26 凝固区域结构图

1—固相线边界；2—补缩边界；3—倾出边界；4—液相线边界；B—断面温度分布曲线

从图中可以清楚地看出：当金属液浇入铸型后就开始冷却(从4→2)，铸型就被加热；当铸件已初成形(2→1)时，继续冷却，就在散去大量热量后凝固成铸件．此过程也是晶粒成长过程．凝固的时间和速度是形成铸件的关键．砂型造型中的温度场分布是型内壁更接近铸件温度，型外壁接近大气温度，由于砂型导热性能极差，因而有较大的温度梯度．金属型中温度分布不同于砂型铸造，金属导热性能好，热传导快，温度梯度校冷却速度快，铸件形成时间短．在整个凝固过程中，铸件形成受浇注方法、速度、温度以及铸件形状等诸多因素的影响，但总的讲，铸型材料热物理性质是控制凝固过程的决定因素．

3．2．2．2 凝固时间和凝固速度

凝固时间和凝固速度是铸件断面上晶面从表面向中心移动所需时间和速度．一般讲，铸件冷却强度愈大，则它的凝固时间愈短，凝固速度愈大．而冷却强度又与铸型的导热性能和蓄热能力密切相关，不同的铸型材料有不同的导热效果，这也就决定了铸型材料的选择，金属液在型内流动的时间和速度，以及在铸型设计中所应考虑的一些因素，如铸件连接壁处圆角大小、厚壁处冷铁的放置位向等．为了获得高质量铸件，控制凝固过程、延缓凝固时间、提高浇注温度、改善金属液充填铸型条件是设计中必需保证的重要因素．

3．2．2．3 凝固控制

凝固控制的方法包括顺序凝固和同时凝固．一般顺序凝固也称方向凝固，即在保证铸件结构特点的情况下按照设计中的一定方向逐步凝固，使缩孔集中在冒口处，保证铸件质量．因此必须远离冒口部分先凝固，然后靠近冒口处凝固，最后才是冒口处凝固．而顺序凝固的另一种情况是铸件表面先凝固，逐渐向铸件中心扩展，中心最后凝固，这样极有利于补缩，获得致密铸件．但其缺点是由于铸件中存在温度差，以致铸件内应力加大，易产生裂纹和变形．采用顺序凝固工艺复杂，铁水消耗多，铸件成本高．而同时凝固是指保证铸件各部分同时凝固，减少温度差，避免裂纹、变形的产生．同时凝固工艺简单，但缺点是铸件内易产生缩松，铸件组织不够致密．一般铸件结构比较复杂，往往在同一铸件上采用既有顺序凝固又有同时凝固的设计方案，以保证铸件的质量．

采取凝固方式的原则是正确布置金属液引入点和高度以及控制浇注温度和浇注速度；改进铸件结构以有利于铸件获得充填金属液的条件；改变铸型材料，以此来控制凝固过程．图3-27和图3-28是两种凝固方式示意图．

图3-27 顺序凝固方法

1—直浇道；2—横浇道；3—冒口；4—铸件

图3-28 同时凝固方法

1—直浇道；2—横浇道；3—铸件