铸件的凝固

C4 铸件的凝固与补缩

本章内容：

铸件的凝固过程、凝固特性对铸件质量的影响，缩孔、缩松的形成机理、防止措施以及冒口和冷铁的应用。

§1 铸件的凝固

一铸件的凝固方式

1 凝固区域

除纯金属和共晶合金外，铸件凝固过程中断面有三区：固相区＋凝固区＋液相区，见下图。

图4-1铸件某一瞬间凝固区域

温度场T：指铸件断面上某瞬时的温度分布曲线

固相等温面：Ⅰ－Ⅰ’

液相等温面：Ⅱ－Ⅱ’

固相区：合金已凝固成固相的区域；

液相区：尚未开始凝固的区域；

凝固区：凝固和液固相并存的区域。

2 凝固方式

根据铸件凝固时其断面上凝固区域的大小，凝固方式分三种：逐层凝固、糊状凝固（体积凝固）、中间凝固。

铸件断面凝固区域的宽度δ由合金的结晶温度范围⊿tc和铸件断面上的温度梯度δt决定的。当温度梯度相同时，取决于合金的结晶温度范围；当合金成分一定时，则取决于温度梯度。温度梯度较大时，可使凝固区域变窄。

1）逐层凝固⊿tc=0,δ=0

恒温下结晶的合金，在凝固过程中其铸件断面上凝固区宽度等于零，断面上的固体和液体由一条界线清楚分开。随温度下降，凝固层逐渐加厚直至铸件凝固结束。包括纯金属、共晶合金、结晶温度范围很小或断面上温度梯度很大的情况。

逐层凝固糊状凝固中间凝固

左：纯金属或共晶合金左：结晶温度范围很宽左：结晶温度范围较窄右：窄结晶温度范围右：温度场平坦右：温度梯度较大

凝固特点：

易形成缩孔、热裂倾向小、较好的流动能力。（这类合金的补缩性良好，可以采取工艺措施，如设置冒口，来消除缩孔）。

合金种类：

纯金属、共晶合金、低碳钢、高合金钢、铝青铜、窄结晶温度范围黄铜等。

2）糊状凝固

铸件凝固过程中，铸件断面上的凝固区域很宽，在某一段时间内，凝固区域甚至会贯穿于铸件的整个断面，铸件表面尚未出现固相区，铸件中心已开始结晶，出现了固相。

凝固特点：

补缩性差（易形成缩松）、热裂倾向大、流动能力差。

合金种类：

高碳钢、球铁、锡青铜、铝镁合金及某些结晶温度范围宽的黄铜。

3）中间凝固

铸件断面上凝固区域宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间。

中碳钢、高锰钢、白口铸铁、灰铸铁。

总结：铸件的凝固方式（3种），主要依据铸件断面上凝固区宽度δ来分，铸件

断面上凝固区域宽度δ是由合金的结晶温度范围⊿tc和铸件断面上的温度梯度δt决定的。

二铸件凝固原则

1 顺序凝固（定向凝固）

采用工艺措施使铸件远离冒口部分先凝固，后近冒口，最后冒口。具递增温度梯度。

冒口补缩作用好，铸件内部组织致密。但不同部分温差大，热应力大，易产生热裂。加冒口后金属消耗大。

2 同时凝固

采用工艺措施使铸件各部分之间没有温差或温差很小，使不同部分同时凝固。

铸件不易产生热裂，应力和变形小，不用冒口或冒口很小，节省金属。但铸件中心可能产生缩松缺陷，组织不够致密。

总结：逐层凝固是指铸件某一断面上的凝固顺序，顺序凝固（定向凝固）是指铸件宏观结构上各部分的凝固顺序。

三凝固原则的选择

如何选择凝固原则，应根据铸件的合金特点、工作条件、结构特点及可能出现的缺陷等综合考虑。

1 除承受静载荷外还受到动载荷作用的铸件，承受压力而不允许渗漏的铸件或表面粗糙度值要求低的铸件宜选择顺序凝固或局部顺序凝固原则。（致密性要求高或质量要求高的铸件）

2 厚实的或壁厚不均匀的铸件，当其材质是无凝固膨胀且倾向于逐层凝固的铸造合金时，宜采用顺序凝固原则。

3 碳硅含量较高的灰铁，其铸件凝固时有石墨化膨胀，不易出现缩孔和缩松，宜采用同时凝固原则。

4 球墨铸铁铸件利用凝固时的石墨化膨胀力实现自补缩时应选择同时凝固原则。（铸型刚度大时，如呋喃树脂自硬砂型、覆砂金属型等）

5 非厚实、壁厚均匀的铸件，尤其是各类合金的薄壁铸件，宜采用同时凝固。

6 当铸件易出现热裂、变形或冷裂缺陷时宜采用同时凝固原则。

7 对于结晶温度范围大、倾向于糊状凝固的合金铸件，对气密性要求不高时，宜采用同时凝固。如其重要部分不允许出现缩松，则可采取其它工艺措施（如覆砂金属型或加冷铁）。

例图4-8 （p115）同一铸件不同要求时采用不同凝固原则。

生产实践中，控制铸件凝固原则的工艺措施可包括正确地布置浇口位置、确定合理的浇铸工艺、采用冒口补缩、在铸件上增加补贴、采用冷铁或不同蓄热系数的铸型材料、浇铸后改变铸件位置等。

作业题：如何选择铸件的凝固原则？