铸件凝固动态曲线测定

实验一铸件凝固动态曲线测定

1.实验目的

合金液相线到固相线之间的温度间隔谓之结晶间隔，凝固过程中逐渐液相线等温面和固相线等温面之间的区域谓之凝固区域，反映凝固区域由表及里推移的最直观方法是凝固动态曲线，凝固区域是液固并存区。它的宽、窄、结构，向铸件中推进的速度以及最终推进到铸件中心的时间，对铸件的质量，如缩孔、缩松热裂，偏析等的形成都有影响。因此它是研究铸件凝固问题重要领域之一。本实验的目的在于学会测定铸件凝固动态曲线，对凝固区域结构建立起直观认识，验证铸件凝固的平方根定律。

2.实验原理

如下图所示，由一维铸件表面至中心安放六根热电偶测得相应的六条冷却曲线，如图（a）所示，再以时间为横坐标轴，以铸件表面至中心的六根热电偶的安装位置，即以铸件表面至中心之距离为纵坐标轴，如图（a）每根冷却曲线与液相线和固相线的交点分别向下引出垂线，与各热电偶的位置线相交，得到的相应交点，把交点连接起来就构成了凝固动态曲线，所得之图即为凝固动态图如图（c）所示。

图（c）左边曲线同液相线相对应（如有过冷，则与一个略低的等温线相对应）。它表示不同时间铸件断面中凝固开始的部位，故谓之“凝固始液”。它实质上表示了铸件断面中液相线等温面从铸件表面向中心推进，在不同时间所处之部位，该曲线之斜率就表示液相线等温面向中心推进至速度。

图（c）右边曲线同固相线相对应，它表示不同时间铸件断面中凝固结束的部位，故谓之“凝固终夜”。它实质上表示了铸件断面中固相线等温面在不同时间时所处之部位，它的斜率就表示了固相线等温面向铸件中心推进的速度。

在凝固动态图（c）上可以看出具有结晶间隔的合金在每个时间，从铸件表面至中心参在固相区（铸件表面至凝固终液），凝固区（凝固终波至凝固始波之垂直距离）和液相区三个区域。在图上可以看出铸件凝固过程即是凝固区域不断推向铸件中心液相区随之不断缩小以至于消失之过程。凝固终波到达铸件中心就表示铸件凝固过程已经结束。

所以动态曲线测定原理实际上就是把具有温度-时间坐标的多根冷却曲线

转变成具有距离-时间坐标的凝固动态曲线图。无论多么复杂的合金，只要能在冷却线上找出合金在凝固过程中析出新相和析出终了的拐点，就能在凝固动态图上画出析出新相的始波和新相析出终了之终波。

将某液态金属在同一浇注温度下同时注入几个同样的铸型，经过不同时间间隔，分别使铸型中尚未凝固的残余液体流失，获得固态金属硬壳。这种铸件凝固的研究方法谓之残余液体流失法或倾出法。所得到的硬壳内表面叫倾出边界，所得到的硬壳厚度即为倾出边界向铸件中心推进之距离。此距离应符合平方根定律。在凝固动态图上不同时间内所得到的硬壳厚度的点并且再连接成线，就可以得到倾出边界动态曲线。

在凝固动态图上，倾出边界愈靠近凝固始波则说明愈易达成牢固的晶粒骨架，这种情况表示铸件凝固时，晶粒骨架中可能存在较多的、被晶架分隔成许多个孤立小熔池的残余金属波，并且亦表示铸件在凝固时期可能较早地产生线收缩。因此具有这种特点的合金就容易产生晶间缩松和热裂。

3.实验内容

测定纯铝（Al）和ZL102（铝铜合金4.0~5.0%重量比），一维铸件的凝固动态曲线。

纯铝：熔点600℃，比重：2.7g/㎝3。

ZL102：液相线温度649℃，固相线温度540℃。

4.实验用设备，仪器及材料

SG—5—12电阻坩埚炉二台，热电偶和XWC—100温度自动记录仪，砂箱、木模、造型工具、闹钟、秒表、外卡钳。纯铝纯铜，20％NaOH水溶液，20％HNO

3水溶液。

5.实验步骤

⑴用木模、砂箱造型6至10个。

⑵将6只热电偶保护套管紧固在专用夹具上。

⑶将专用夹具按一定位置放在两个铸型上，套管中插入热电偶，按一定次序

将热电偶接在XWC—300温度自动记录仪上，待浇。

⑷将纯铝和ZL102分别在坩埚炉中熔化、过热至760℃左右进行脱气处理，

于750±5℃尽快浇入铸型。每种合金各浇一个有热电偶铸型和2至4个不带热电偶的铸型。同时按动秒表记录时间，打开XWC—300自动记录。

⑸对未有热电偶的铸型，用棒接触金属溶液，当已凝固成一定厚度的金属壳

时就可以拔下耐火塞，让残余金属流失，记下从开始浇注到流失的凝固时间t1。第二个和第三个铸型可稍长于t1，按相同的操作让金属液流失。

⑹当有热电偶铸型温度降到500℃时，测定结束，从温度记录仪上取下记录纸，

按实验原理，绘出凝固动态曲线。

⑺从流失铝液后所得到的各金属壳高度中部（1/2H处）取三点，用外卡钳及

钢尺测量金属壳厚度，取其平均值作为金属壳厚度即在相应时间内倾出边界向中心推进之距离，把此距离填在下表。

⑻观察流液后所得到的金属表面情况，分析倾出边界表面的特点。

水溶液，观⑼在金属壳中部取样磨光，20％NaOH的水溶液中腐蚀20％HNO

3

察宏观组织形状。

实验二合金熔炼及结晶凝固实验

一、实验目的

1、掌握合金熔炼基础知识；

2、观察铝的凝固过程。

3、分析不同工艺对金属铸锭组织的影响。

二、实验原理概述

金属或合金由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。晶体在结晶时遵循形核与长大的规律，在实际结晶条件下，由于存在外来杂质以及容器模壁等的影响，形核一般都以非均匀形核的方式进行。晶核形成后通常按树枝状方式长大形成树枝晶。典型的铸锭组织可分为三个区域：靠近模壁处为细等轴晶区；细等轴晶区向铸锭中心生长得到柱状晶区；铸锭中心为较粗大的等轴晶区。铸锭的表层为细等轴晶粒区，晶粒细小，组织致密，成分均匀。当液态金属到入铸模以后，结晶首先从靠近模壁处开始。模壁温度低，在该处因过冷度极大，晶核产生多，这些核心长大时很快接触，形成细小的等轴晶粒，称为细等轴区。

紧接表层的是柱状晶区，由垂直于模壁的彼此平行的柱状晶粒组成，组织致密。这是因为，在细等轴区形成的同时，模壁温度已升高，过冷度减小，与液体接触的小枝晶要长大，但在长大过程中很快地与上下左右的枝晶相撞，长大受到了限制。这时只有晶轴与模壁垂直的小枝晶向液体内伸展不受阻碍，而这时散热有了方向性，垂直模壁的方向散热最快，这样，这部分晶粒一致向液体内伸展，结果就形成了与模壁垂直的粗大柱状晶体，称为柱状晶区。如果模壁的散热较快，已结晶的金属的导热性较好，液态金属始终能保持较大的内外温度梯度和方向性散热，柱状晶能一直长大到铸锭中心，形成所谓穿晶组织。

一般情况下随着柱状晶的发展，模壁温度继续上升，方向性散热条件逐渐消失，剩余液体的温差越来越小，趋于均匀缓冷状态，柱状晶长大的趋势也渐趋减小。这时仍为液体的中心区域的温度也逐渐降低，并趋于均匀，加上杂质的作用会在这部分液体中同时形核。因为该区过冷度小，核心产生得少，且因散热无方向性，各方向的成长速度相同，于是在铸锭内部形成许多位向不同的粗大的等轴晶粒，形成晶粒粗大的等轴晶区，组织疏松。