铸件形成理论

铸件形成理论（一）铸造是将熔化成液态的金属浇入铸型后一次制成需要形状和性能的铸件，亦即铸造是使金属的状态按着“固态--液态--固态”变化而成形的。

金属由液态--固态的凝固过程中的一些现象，如液态金属、结晶、溶质的传输、晶体长大、气体溶解和析出、非金属夹杂物的形成、金属体积变化等都是我们在后面将要探讨的内容。

一、有关液态金属方面的介绍（一）液态金属的粘滞性液态金属的粘滞性对铸型的充填、液态金属中的气体、非金属夹杂物的排除、金属的补缩、一次结晶的形态、偏析的形成等，多有直接或间接的作用。

因此液态金属的粘滞性对铸件的质量有重要的影响。

1、粘滞性的本质当外力作用于液体表面时，由于质点间作用力引起内摩擦力，使的最表面的一层移动速度大于第二层，而第二层的速度大于第三层，……。

因此粘滞性的本质是质点间（原子间）结合力的大小。

2、影响粘度的因素①温度温度对粘度的影响要根据不同原子之间的相互关系来解释，因此在这里不讨论。

细化铝硅合金加入的变质剂钠，在结晶期间吸附在晶核表面，阻止硅原子的集聚，使粘度降低。

所以变质处理后的铝硅合金的流动性较未变质前有所提高。

②化学成分难熔化合物的粘度较高，而熔点低的共晶成分合金其粘度低。

这是由于难熔化合物的结合力强，在冷至熔点之前就及早地开始了原子的集聚。

对于共晶成分合金，异类原子间不发生结合，而同类原子聚合时，由于异类原子存在所造成的阻碍，使它们聚合缓慢，晶胚的形成拖后，故粘度较非共晶成分的低。

③非金属夹杂物液态合金中呈固态的非金属夹杂物使液态合金的粘度增加，如氧化铝、氧化硅等。

这是因为夹杂物的存在使液态合金成为不均匀的多相系统，液体流动时内摩擦力增加。

夹杂物愈多，对粘度影响愈大。

同时夹杂物的形态也有影响。

（二）液态金属的表面张力物体的表面是两种相的分界面，该表面总是具有某些不同于内部的特有性质，有此产生出一些表面特有的现象-----表面现象。

在铸件形成过程中存在着许多相相的界面，如金属与大气、熔剂、型壁，以及与其内部的气体、夹杂物、晶体等界面。

在这些界面发生的表面现象对合金的精炼和孕育、铸型的充填、铸件的凝固结晶、气体的吸附和析出、夹杂物的形态、铸件的补缩等都有重要影响。

表征表面现象的主要参数是表面张力。

1、表面张力的实质对于液体和气体界面上的质点（原子或分子），由于液体的密度大于气体的密度，故气相对它的作用力远小于液体内部对它的作用力，使表面层质点处于不平衡的力场之中。

结果是表面层质点受到一个指向液体内部的力，使液体表面有自动缩小的趋势。

这相当于存在一个平行于表面且各向大小相等的张力，称之为表面张力（也称之为界面张力）。

当两个相组成一个界面时，其界面张力与两相质点间的结合力成正比。

衡量界面张力的标志是润湿角。

2、影响界面张力的因素①熔点熔点高，界面张力大。

②温度对多数合金和金属来说，温度升高，表面张力降低。

③溶质不同的溶质元素对金属的表面张力有不同的影响。

使表面张力降低的溶质元素，称为该金属的表面活性物质；使表面张力增加的溶质元素，称为该金属的非表面活性物质。

二、液态金属的充型能力铸造生产的主要特点，是直接将液态金属浇入铸型并在其中凝固和冷却而得到铸件。

液态金属充型过程，是铸件形成的第一个阶段，一些铸造缺陷，如浇不足、冷隔、卷入性气孔等都是在充型不利的情况下产生的。

为此，首先要知道液态金属能否充满铸型、得到形状完整轮廓清晰的铸件的能力；其次要掌握充型过程中液态金属在浇注系统中和铸型型腔中的流动规律，它是设计浇注系统的重要依据之一；最后要把握液态金属在充型过程中与铸型之间热的、机械的和物理化学的相互作用；以及在此过程中可能产生的缺陷和防止措施。

1、液态金属充型能力的基本概念⑴液态金属的充型能力液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称之为液态金属充填铸型的能力。

液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素影响，是各种因素的综合反映。

⑵液态金属的流动性液态金属本身的流动能力，称为“流动性”，是金属的铸造性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量，及其物理性质有关。

金属的流动性对于排出其中的气体、杂质和补缩、防裂，获得优质铸件有影响。

金属的流动性好，气体和杂质易于上浮，使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸件。

良好的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到金属的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的弥合，为此有利于缺陷的防止。

金属的流动性是用浇注“流动性试样”的方法衡量的。

对于不同种合金是将试样的结构和铸型性质固定不变，在相同的浇注条件下来判定流动性的好坏。

对于同种合金也可以用流动性试样来研究铸造因素对充型能力的影响。

流动性试样的类型很多，如螺旋形、球形、U形、契形、真空试样等等。

2、液态金属的停止流动机理⑴纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理停止流动的原因是末端之前的某个部位从型壁向中心生长的柱状晶相接触，金属的流动通道被堵塞。

⑵宽结晶温度范围合金停止流动机理液态金属的温度是沿程下降的，液流前端冷却最快，首先结晶，当晶体达到一定数量时，便结成了一个连续的网络，发生堵塞，停止流动。

3、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施影响充型能力的因素是通过两个途径发生作用的：影响金属与铸型之间热交换条件，而改变金属液流动时间；影响金属液在铸型中的水力学条件，而改变金属液的流速。

但是由于液态金属与铸型之间是一个不稳定的热交换过程，有些因素不但影响流动时间，也影响流速，不能截然划分。

影响液态金属充型能力的因素很多，为便于分析将所有的因素归纳为如下四类。

第一类因素-------金属性质方面的因素这类因素是内因，决定了金属本身的流动能力---流动性。

⑴合金的成分对于铸造铝合金来说，在亚共晶成分范围内随着硅含量的提高，金属的流动能力得到提高，同时对于那些能减小结晶温度范围的元素都能提高金属的流动性，而加宽结晶温度范围的元素则降低金属的流动性；而在过共晶成分范围内随着硅含量的提高，金属的流动能力反而下降，而对于那些能减小结晶温度范围的元素仍能提高金属的流动性，而加宽结晶温度范围的元素仍然降低金属的流动性。

⑵结晶潜热结晶潜热约占金属含热量的85～90％，但对不同类型的合金影响是不同的。

对于纯金属和共晶成分的合金在固定温度下凝固，在一般的浇注条件下，结晶潜热的作用能够发挥，是估计流动性的一个重要因素。

凝固过程中释放的结晶潜热越多，则凝固进行的越慢，流动性越好。

铝的流动性很好。

对于结晶温度范围较宽的合金，散去一部分潜热后，晶粒就连成网络而阻塞流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥，所以对流动性影响不大。

综上所述，结晶潜热相对合金的结晶特性而言，是一个次要因素，结晶特性对流动性的作用是主导的。

⑶金属的比热容、密度、和导热系数比热容和密度较大的合金，因其本身含有较多的热量，在相同的过热度下，保持液态的时间长，流动性好。

导热系数小的合金，热量散热慢，保持流动的时间长；导热系数小，在凝固期间凝固并存的两相区小，流动阻力小，故流动性好。

金属中加入合金元素后，一般都使导热系数明显下降。

但是有时加入合金元素后初晶组织发生变化，反而使流动性下降。

例如，在铝合金中加入少量的铁或镍，合金初晶变为发到的枝晶，并出现针状FeAl3，流动性显着下降。

在铝合金中加入铜，结晶温度范围变大，也降低流动性。

⑷液态金属的粘度液态金属的粘度与其成分、温度、夹杂物的含量和状态等有关。

⑸表面张力造型材料一般不被液态金属润湿，故在铸型细薄部分的液面是凸起的，而有表面张力产生一个指向液体内部的附加压力，阻碍对该部分的充填。

所以表面张力对薄壁铸件、铸件细薄部分和棱角的成形有影响，为克服附加压力必须在正常的充型压头上增加一个附加压头。

综上所述，为提高液态金属的充型能力，在金属方面采取以下措施：⑴正确选择合金成分在不影响铸件使用性能的情况下，可根据铸件大小、厚薄和铸型性质等因素，将合金成分调整到实际共晶成分附近，或选用结晶温度范围小的合金。

对某些合金进行变质处理使晶粒细化，也有利于提高充型能力。

⑵合理的熔炼工艺正确选择原材料，去除金属上锈蚀、油污，熔剂烘干；在熔炼过程中尽量使金属液或少接触有害气体；对某些合金充分脱氧或精炼除气，减少其中的非金属夹杂物和气体。

“高温出炉，低温浇注”是一项成功的生产经验。

高温出炉能使一些难熔的固体质点熔化，未熔的质点和气体在浇包中镇静阶段有机会上浮而使金属净化，从而提高金属液的流动性。

第二类因素---------铸型性质方面的因素铸型的阻力影响金属液的充型速度；铸型与金属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。

所以铸型性质方面的因素对金属液的充型能力有重要影响。

⑴铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数b2表示铸型从其中的金属中吸取并储存于本身中热量的能力。

蓄热系数b2越大，铸型的激冷能力越强，金属液于其中保持液态的时间越短，充型能力下降。

⑵铸型的温度预热铸型能减少金属与铸型的温差，从而提高其充型能力。

⑶铸型中的气体铸型有一定的发气能力，能在金属液与铸型之间形成气膜，可减少流动的摩擦阻力，有利于充型。

但当型腔中的气体的压力增大到一定程度时将形成反压力，使充型能力下降。

减小铸型中气体反压力的途径有两条：一是适当降低铸型中的含水量和发气物质的含量；另一条途径是在铸型中设置排气孔。

第三类因素----------浇注条件方面的因素⑴浇注温度浇注温度提高对液态金属充型能力有决定性影响。

浇注温度越高，充型能力越好。

在一定温度范围内，充型能力的提高随着浇注温度的提高而直线上升。

超过某界限后，由于金属吸气多，氧化严重，充型能力的提高幅度越来越小。

⑵充型压头液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力就越好。

在生产中用增加金属液静压头的方法来提高充型能力。

⑷浇注系统的结构浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，在静压头相同的情况下，充型能力就越差。

在设计浇注系统时，必须合理布置内浇道在铸件上的位置，选择合适的浇注系统结构和各组元（直浇道、横浇道和内浇道）的断面积，否则即使金属有较好的流动性，也会产生浇不足、冷隔等缺陷，第四类因素-----------铸件结构方面的因素衡量铸件结构特点的因素是铸件的折算厚度和复杂程度，它们决定了铸型型腔的结构特点。

V（铸件的体积）⑴折算厚度R（换算厚度、当量厚度、模数）【R= 】S（铸件的散热面积）如果铸件的体积相同，在同样的浇注条件下，R越大的铸件，由于它与铸型的接触面积相对较小，热量散发比较缓慢，则充型能力较高。

铸件的壁越薄，R越小，就越不容易被充满。

⑵铸件的复杂程度铸件结构越复杂、厚薄部分过渡面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。

铸件形成理论（二）一、铸件的凝固合金从液态转变为固态的状态变化，称为一次结晶或凝固。