铸件的凝固
铸件的凝固与收缩
铸件的凝固与收缩1．铸件的凝固方式铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。
其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大，其宽窄决定着铸件的凝固方式。
（1）逐层凝固纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相并存的凝固区，已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸件完全凝固，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，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相共存区贯穿铸件的整个断面，如图4.4c）。
这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故称为糊状凝固。
（3）中间凝固大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，称为中间凝固方式。
铸件采取何种凝固方式主要取决于该合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。
（1）铸造合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。
如砂型铸造时，低碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。
（2）铸件的温度梯度铸造合金的成分一定时，铸件凝固区域的宽窄就取决于其断面的温度梯度，如图3.5所示，随温度梯度由小变大，则相应的凝固区会由宽变窄。
铸件的温度梯度主要取决于：1）铸造合金的性质。
如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。
2）铸型的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。
3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。
总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺措施，减小其凝固区。
铸件的凝固原则
铸件的凝固原则
控制铸件凝固的原则主要有两个：
1，顺序凝固的原则
采用各种方法，保证铸件远离冒口部分最先凝固，绕后市靠近冒口的部分凝固，最后才是冒口本身凝固。
这个原则叫做顺序凝固的原则。
铸件顺序凝固时，最先凝固的部分得到较慢凝固部分的补缩，而较慢凝固部分得到冒口的补缩，使缩孔集中在冒口中，从而获得致密的铸件。
应该指出，逐层凝固和顺序凝固是不同的。
逐层凝固有助于实现顺序凝固，因为它使铸件的断面中心长时间的保持液态，形成补缩通道，保证冒口补缩作用的实现。
因此，合金逐层凝固倾向性好，就容易实现顺序凝固。
顺序凝固能保证获得致密的铸件，但铸件各部分的温差较大，故热应力较大，易使铸件变形或产生热裂。
同时，由于要放置冒口，增加了金属的消耗量和切削冒口的工作量。
2，同时凝固的原则
采用各种方法，保证铸件各部分（不论它的尺寸和结构）近乎同时凝固，从而减小各部分的温差。
这个原则叫做同时凝固的原则。
同时凝固因铸件凝固后，各部分冷热均匀，热应力小，铸件不容易变形和产生裂纹，可不设置冒口或者冒口很少，切割冒口的工作量较小。
而对于液态收缩大的铸件往往在截面中心形成缩松，降低了铸件的塑性和致密性。
铸件的凝固方式
铸件的凝固方式：逐层凝固，中间凝固，糊状凝固合金的结晶温度范围越小，铸件断面的温度梯度越大，铸件越倾向于逐层凝固方式，也越容易铸造一，合金的收缩分类及导致的缺陷、缩孔与缩松形成原因及防止答：分类：1.液态收缩2.凝固收缩3.固态收缩。
会导致如缩孔、缩松、变形、裂纹、残余应力等缺陷。
形成原因：合金液在铸型内冷凝过程中，若其体积收缩得不到补充时，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞，容积较大的孔洞叫缩孔，细小而分散的孔叫缩松。
防止：1.合理选择铸造合金。
2.合理选用凝固原则。
铸件的凝固原则分为“顺序凝固”和“同时凝固”两种。
实现顺序凝固的办法：1，在铸件的厚大部位安放冒口2.安放冷铁3.设置补贴浇注位置的选择原则：1.铸件的重要加工面或质量要求高的面，尽可能置于铸件的下部或处于侧立位置2.大平面的浇注位置是将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷3.具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部或处于侧立位置，以免产生浇不足和冷隔等缺陷 4.为防止铸件产生缩孔缺陷，应把铸件容易产生缩孔的厚大部位置于铸型的顶部和侧面拔模斜度与结构斜度：为使模样（或型芯）易从铸型（或芯盒）中取出，在制造模样或芯盒时，凡平行于拔模方向上的壁，需给出一定的斜度，此斜度称为拔模斜度（拔模斜度）；铸件上凡垂直于分型面的不加工面都应有一定的倾斜度，即结构斜度。
浇注系统的分类：1.顶注式浇注系统：优点容易实现顺序凝固和进行补缩。
缺点是金属液对铸型冲击大，容易产生飞溅，氧化和卷入空气。
适于高度不大，形状简单，薄壁或中等壁厚的铸件。
2.中注式浇注系统：其横浇道和内浇道均开设在分型面上，易于操作，便于控制金属夜的流量分布和铸型的热分布。
3.底注式浇注系统：优点金属液的充型过程平稳，无飞溅，型腔中的气体易于排出，挡渣效果好，缺点是不能利用金属夜的自重进行补缩压力铸造的特点：1.生产效率高，便于实现自动化2.获得铸件的尺寸精度高（11~13），表面粗糙度低（3.2~0.8），一些铸件无需机加工可直接使用3.可获得细晶粒组织的铸件，机械强度比砂型铸造高4.便于实在嵌铸自由锻的基本工序：墩粗和拔长。
铸件合金的凝固与收缩
铸件合金的凝固与收缩合金凝固温度范围和铸件温度梯度会对铸件的凝固方式产生影响，化学成分不同、浇注温度和铸件结构会对逐渐的收缩产生影响。
(一)铸件的凝固方式及影响因素1.铸件的凝固方式(1)逐层凝固方式合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。
常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。
(2)糊状凝固方式合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。
球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。
(3)中间凝固方式大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。
中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。
2.凝固方式的影响因素(1)合金凝固温度范围的影响合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于逐层凝固;如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固;如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。
(2)铸件温度梯度的影响增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化;反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。
(二)铸造合金的收缩铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。
它主要包括以下三个阶段：1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。
2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。
液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。
3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。
固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。
(三)影响合金收缩的因素1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。
在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。
2.浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。
3.铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。
第七章单相固溶体合金及铸锭的凝固
c1
c2
C0
C0
B%
(b)
K 0 1 此阶段满足：固相结晶排向液相 的溶质量＞溶质原子离开界面排 1 向液相的溶质量。 l Rx （2）凝固的稳定阶段（Ⅱ阶段）： 0 D 当界面成分是C0，前沿的液相成 分为C0/k时,如图(b)的T5温度和 0 图(c)的第Ⅱ阶段直至Ⅱ阶段结束。 此阶段满足：固相结晶排向液相的溶质量＝溶质原子离
图7-1不同KO的相图
（液相线与固相线近似为直线时K0为常数）
二.正常凝固时液－固相线中溶液的分布
研究水平园棒的定向凝固，对于KO<1的相图， 成分为C0 ,假设固相中无扩散，液相中可通过 扩散、对流和搅拌使溶液混合。
液相中溶液的混合分为三种： 完全混合、完全无混合、部分混合。
（一）液相完全混合时固相、液相的溶质分布:
（1）初期阶段：
①由于液相原子扩散速度较 小，边界层成分(CL)i与大体 积液相成分(CL)B相差较大， 且： (CL)B>C0
②固相结晶排出溶质部分进 入大体积液相，使边界层中 的浓度梯度不断增大C KC1x L 如图(d)的第Ⅰ阶段。
Ke1 S 00
d c L d x
定向凝固结论： ① 液相混合越充分,铸锭凝固后溶质分布越不均匀， 区域偏析越严重。 ② 利用定向凝固进行提纯材料，液相混合越充分,提 纯效果越好。
§7.2 固溶体合金的成分过冷
一.成份过冷的产生
①设K0<1的相图,液相完全 无混合，合金成分为C0, 进行完全无混合的单向 凝固如图（a）; ②液相中实际的温度分布 图（b）为dT/dx>0,只 受壁模和已凝固的固相 散 热 单向散热所控制;
铸件的凝固与收缩
铸件的凝固与收缩1．铸件的凝固方式铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。
其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大，其宽窄决定着铸件的凝固方式。
（1）逐层凝固纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相并存的凝固区，已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸件完全凝固，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，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相共存区贯穿铸件的整个断面，如图4.4c）。
这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故称为糊状凝固。
（3）中间凝固大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，称为中间凝固方式。
铸件采取何种凝固方式主要取决于该合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。
（1）铸造合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。
如砂型铸造时，低碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。
（2）铸件的温度梯度铸造合金的成分一定时，铸件凝固区域的宽窄就取决于其断面的温度梯度，如图3.5所示，随温度梯度由小变大，则相应的凝固区会由宽变窄。
铸件的温度梯度主要取决于：1）铸造合金的性质。
如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。
2）铸型的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。
3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。
总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺措施，减小其凝固区。
铸铁件的均衡凝固原理(精)
均衡凝固原则下的冒口设计要点： 1）冒口尺寸或模数可小于铸件壁厚或模数 2）采用“短、薄、宽”的冒口颈 3）冒口不应该放在铸件的热节上，但要靠近热节 4）冒口根部可放冷铁，缩短凝固收缩时间，防止缩松 5）利用刚性大的铸型，最大限度地利用石墨化膨胀
铸铁件冒口类型及结构：
图4-46铸铁件推荐冒口源自型及结构示意图四、铸铁件的均衡凝固原理 均衡凝固理论要点：
铸件在凝固的某一 时刻，有些部分正在 收缩，有些部分则已 进入石墨化膨胀，时 间同时，铁液相通， 则收缩和膨胀可以叠 加相抵 当某时间收缩值与 膨胀值相等时，就达 到均衡状态
图4-45 铸铁件凝固时收缩和膨胀的叠加 曲边三角形ABC—铸件的总收缩 曲边三角形ADC—铸件总膨胀 曲边三角形ABP—铸件的表观收缩 P—均衡点，为收缩量等于膨胀量的时间
铸件的凝固方式
铸件的凝固方式：逐层凝固，中间凝固，糊状凝固合金的结晶温度范围越小，铸件断面的温度梯度越大，铸件越倾向于逐层凝固方式，也越容易铸造一，合金的收缩分类及导致的缺陷、缩孔与缩松形成原因及防止答：分类：1.液态收缩2.凝固收缩3.固态收缩。
会导致如缩孔、缩松、变形、裂纹、残余应力等缺陷。
形成原因：合金液在铸型内冷凝过程中，若其体积收缩得不到补充时，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞，容积较大的孔洞叫缩孔，细小而分散的孔叫缩松。
防止：1.合理选择铸造合金。
2.合理选用凝固原则。
铸件的凝固原则分为“顺序凝固”和“同时凝固”两种。
实现顺序凝固的办法：1，在铸件的厚大部位安放冒口2.安放冷铁3.设置补贴浇注位置的选择原则：1.铸件的重要加工面或质量要求高的面，尽可能置于铸件的下部或处于侧立位置2.大平面的浇注位置是将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷3.具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部或处于侧立位置，以免产生浇不足和冷隔等缺陷 4.为防止铸件产生缩孔缺陷，应把铸件容易产生缩孔的厚大部位置于铸型的顶部和侧面拔模斜度与结构斜度：为使模样（或型芯）易从铸型（或芯盒）中取出，在制造模样或芯盒时，凡平行于拔模方向上的壁，需给出一定的斜度，此斜度称为拔模斜度（拔模斜度）；铸件上凡垂直于分型面的不加工面都应有一定的倾斜度，即结构斜度。
浇注系统的分类：1.顶注式浇注系统：优点容易实现顺序凝固和进行补缩。
缺点是金属液对铸型冲击大，容易产生飞溅，氧化和卷入空气。
适于高度不大，形状简单，薄壁或中等壁厚的铸件。
2.中注式浇注系统：其横浇道和内浇道均开设在分型面上，易于操作，便于控制金属夜的流量分布和铸型的热分布。
3.底注式浇注系统：优点金属液的充型过程平稳，无飞溅，型腔中的气体易于排出，挡渣效果好，缺点是不能利用金属夜的自重进行补缩压力铸造的特点：1.生产效率高，便于实现自动化2.获得铸件的尺寸精度高（11~13），表面粗糙度低（3.2~0.8），一些铸件无需机加工可直接使用3.可获得细晶粒组织的铸件，机械强度比砂型铸造高4.便于实在嵌铸自由锻的基本工序：墩粗和拔长。
第一节 金属的液态成形原理
决定凝固方式的因素： （1）结晶温度范围 （2）铸件断面温度场分布变化
二 液态合金的充型能力
充型: 液态合金填充铸型的过程. 充型能力 : 液态合金充满铸型型腔 , 获得形状完整 , 轮廓清晰的铸件的能力
若充型能力不足，易产生:
1）浇不足: 不能得到完整隙或凹坑 , 机械性能下 降.
2) 共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点 低,过热度大；
3) 非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初 生树枝状晶阻碍液流 。 常用铸造合金中，铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。
逐层凝固（好）
糊状凝固（差）
不同成分合金流动性
（过热度）
碳钢
铸铁
碳钢随着结晶温 度范围的增加而 流动性变差；亚 共晶铸铁随含碳 量的增加流动性 提高。
纵向温度分布曲线
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
同时凝固特点:不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件均 匀冷却，减小热应力,不易形成内应力、变形和裂纹等缺 陷，但心部缩松有时难以避免,故用于收缩小的合金和各 种合金的薄壁铸件。如灰铸铁，锡青铜，铝硅合金等。 （1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
2)糊状凝固
• 结晶温度范围很宽 的合金，从铸件的 表面至心部都是固 液两相混存。 • 铸件断面上布满小 晶体，将金属液分 割开，致充型和补 缩能力变差。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
铸件凝固的凝固方式及影响因素
铸件在凝固的过程中，其断面上一般分为三个区:1固相区2凝固区3液相区对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄，依此划分凝固方式。
1)中间凝固：大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间。
2)逐层凝固:纯金属，共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区，断面液，固两相由一条界限清楚分开，随温度下降，固相层不断增加，液相层不断减少，直达中心。
3)糊状凝固：合金结晶温度范围很宽，在凝固某段时间内，铸件表面不存在固体层，凝固区贯穿整个断面，先糊状，后固化。
影响铸件凝固方式的因素总结：
1)铸件的温度梯度。
合金结晶温度范围一定时，凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度。
温度梯度愈小，凝固区愈宽。
(内外温差大，冷却快，凝固区窄)。
2)合金的结晶温度范围。
范围小:凝固区窄，愈倾向于逐层凝固。
如:砂型铸造，低碳钢逐层凝固，高碳钢糊状凝固。
铸件的三种凝固方式
铸件的三种凝固方式铸件的凝固方式啊，那可真是有趣得很呢！咱先来说说逐层凝固吧。
这就好比是盖房子，一层一层地往上盖，整整齐齐，规规矩矩。
铸件从表面开始，慢慢地向里凝固，就像砌墙一样，一块砖一块砖地垒起来。
这样凝固出来的铸件啊，质地比较均匀，性能也相对稳定呢！你想想看，要是盖房子盖得乱七八糟的，那能住得安心吗？同理，铸件要是不能好好地逐层凝固，那质量能好到哪里去呢？再说说糊状凝固。
哎呀呀，这就有点像摊煎饼啦！一下子倒下去一大摊面糊，然后等着它慢慢凝固。
这时候啊，整个铸件的凝固区域和液相区域是混杂在一起的，就像那还没完全摊匀的煎饼糊。
这样的凝固方式呢，虽然没有那么整齐有序，但也有它的好处呀。
它可以适应一些比较复杂的形状，就像煎饼可以摊成各种奇奇怪怪的形状一样。
还有中间凝固呢。
这就像是走在一条中间道路上，既不是完全的逐层凝固，也不是彻底的糊状凝固。
它有点综合了两者的特点，既有一定的顺序，又不是那么死板。
这种凝固方式就像是个“中庸之道”的践行者，不偏不倚，恰到好处。
你说这三种凝固方式是不是各有各的特点，各有各的用处呢？就像我们人一样，每个人都有自己独特的性格和能力，都能在不同的地方发挥作用。
铸件的凝固方式也是如此呀，在不同的情况下，我们需要选择合适的凝固方式，才能制造出高质量的铸件。
比如说，要是我们需要制造一个对精度要求很高的零件，那是不是就得选择逐层凝固呢？这样才能保证它的质地均匀，尺寸精确呀。
要是要做一个形状很奇特的铸件，那可能糊状凝固就更合适啦，能让它更好地适应复杂的形状。
而中间凝固呢，就像是个多面手，在很多情况下都能派上用场。
所以啊，我们可不能小瞧了这小小的铸件凝固方式。
它们就像是铸造世界里的魔法，能让一块块普通的金属变成各种各样有用的东西。
我们得好好了解它们，掌握它们的特点和规律，才能让它们为我们服务呀！这可不是开玩笑的，要是弄错了凝固方式，那可就麻烦大啦！铸件的质量可就没法保证了，说不定还会出现各种问题呢！总之呢，铸件的三种凝固方式就像是三把钥匙，能打开不同的铸造之门。
铸件产生缩松的原因
铸件产生缩松的原因一、合金凝固特性方面1. 糊状凝固方式•许多铸造合金在凝固过程中呈现糊状凝固方式。
例如，一些铝合金，像ZL101等。
在凝固时，初生相以枝晶形式生长，并且枝晶间存在大量的液相。
由于这种凝固方式下，液固共存区比较宽，在最后凝固的枝晶间区域，补缩通道容易被较早凝固的枝晶阻塞。
液态金属难以补充到这些区域，从而形成缩松。
就好像在一个交通堵塞的城市道路网络中，救援物资（液态金属）难以到达需要的地方（最后凝固的枝晶间）。
2. 凝固收缩率•合金的凝固收缩率较大时容易产生缩松。
以灰铸铁和球墨铸铁为例，球墨铸铁的凝固收缩率比灰铸铁大。
球墨铸铁在凝固过程中，由于石墨球的生长方式与灰铸铁中的片状石墨不同，它会造成更大的体积收缩。
如果铸型的补缩能力不足，就会在铸件内部形成缩松。
一般灰铸铁的凝固收缩率约为1%• 3%，而球墨铸铁可达3%• 6%。
二、浇注系统与冒口设计方面1. 浇注系统不合理•浇注系统的设计如果不能保证液态金属平稳地充满铸型型腔，就可能导致缩松。
例如，当浇注速度过快时，液态金属会产生紊流。
这会卷入气体，使铸件内部产生气孔等缺陷，同时也会影响液态金属的补缩。
像在一些薄壁铸件的浇注中，如果浇注系统不能实现层流浇注，薄壁处的液态金属可能先凝固，阻碍后续液态金属的补缩，从而产生缩松。
2. 冒口设置不当•冒口的作用是对铸件进行补缩。
如果冒口的尺寸过小，其储存的液态金属量不足以补偿铸件的凝固收缩。
比如对于一个较大的铸钢件，如果冒口的体积仅按照小型铸铁件的经验来设计，在铸钢件凝固过程中，冒口内的液态金属很快就会凝固，无法对铸件内部进行有效的补缩，进而产生缩松。
另外，冒口的位置如果不合理，远离铸件最后凝固的部位，也不能很好地发挥补缩作用。
三、铸型方面1. 铸型的透气性差•当铸型的透气性不好时，在铸件凝固过程中，型腔内的气体不能顺利排出。
例如，用湿砂型铸造一些大型铸件时，如果型砂的紧实度过高，透气性就会降低。
凝固科学基础4.4凝固时间
铸件的凝固时间
铸件的凝固时间：是从液态合金充满铸型后至凝 固完毕所需的时间。
单位时间内凝固层增长的厚度为凝固速度。 铸件凝固时间是制订生产工艺、获得稳定铸件质
量的重要依据。
4
凝固时间确定方法
通过测温和数值计算法确定凝固时间； 根据 Chvorinov法则快速地近似计算凝固时间，
这是经验方法。
5
Chvorinov法则
1 K2
V
2
A
凝固时间θ，凝固系数K ，铸件体积V， 铸件表面积A
铸件 铸钢 黄铜
铸型
砂型 金属型
砂型 金属型
K, cm/min1/2
1.3 2.6 1.8 3.0
确定凝固系数K ：
理论计算 K1.[1Lm 28C k21C (T2p 2T TLf)]T1o
实验测定
(4.15) p117,
约±15%的精确度。
6
Chvorinov法则-折算厚度法则
1 K2V2A如设 R V AR
2
K
或
RK
R-折算（当量）厚度或模数，凝固时间θ，凝固系数K
圆柱体和球相当精确；一般铸件最大误差为20%； 可以根据需要，计算铸件的某一部分； 无论铸件重量如何，只要R相等，凝固时间大致相等；
11
第四章结束！
12
铸件凝固时间是制订生产工艺获得稳定铸件质铸件凝固时间是制订生产工艺获得稳定铸件质量的重要依据
凝固科学基础4.4凝固时间
4 凝固过程的传热问题
Heat Transfer in Solidification
4 凝固过程的传热问题
凝固区域 铸件-铸型界面 确定温度场的方法 Chvorinov法则-确定凝固时间 ←
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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？。