金属凝固过程中的收缩现象

发布日期:[11-06-26 19:19:43] 浏览人次:[]

液态金属浇入铸型后,由于铸型的吸热,金属温度下降,空穴数量减少,原子间距离缩短,液态金属的体积减小。温度继续下降时,液态金属凝固,发生由液态到固态的状态变化,原子间距离进一步缩短;金属凝固完毕后,在固态下继续冷却时,原子间距离还要缩短。铸件在液态、凝固态和固态的冷却过程中,所发生的体积减小现象称为收缩。因此,收缩是铸造合金本身的物理性质。

收缩是铸件中许多缺陷如缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等产生的基本原因。因此,它是获得符合要求的几何形状和尺寸,以及致密优质铸件的重要铸造性能之一。

任何物体的体积皆与其温度和施于其上的压力有关。在一般铸造条件下,压力的变化可以忽略不计,铸件尺寸的变化,仅取决于温度的变化(如不考虑物态的和同素异形的变化)。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩(volume contraction)。金属在固态时的线尺寸改变量,称为线收缩(linear contraction)。此相对收缩量称为收缩率。

在实际中,通常以相对收缩量表示金属的收缩特性,此相对收缩量称为收缩率。

当温度由t0→t1时,金属的体收缩率和线收缩率为:

式中:V0,V1——金属在t0和t1时的体积;

l0,l1——金属在t0和t1时的长度;

αv,αl----金属在(t0—t1)温度范围内的体收缩系数和线收缩系数。

ε是某一温度区间的相对收缩量,为α与温度差的乘积。因此,ε既与金属的性质有关,又与温度区间的大小有关。

任何一种液态金属注入铸型以后,从浇注温度冷却到常温都要经历三个互相联系的收缩阶段(图8—1):1)液态收缩阶段(Ⅰ), 2)凝固收缩阶段(Ⅱ), 3)固态收缩阶段(Ⅲ)。

铸造合金在不同阶段的收缩特性是不同的,而且对铸件质量也有不同的影响。

一、液态收缩(liquid contraction)

充满铸型瞬间,液态金属所具有的温度t浇冷却至开始凝固的液相线温度tL的体收缩为液态收缩。由于在此阶段中,金属处于液态,因此体积的缩小仅表现为型腔内液面的降低。液态收缩率用下式表示:

式中: εV——液体收缩率;

αV——金属的液态收缩系数;

t——液态金属的浇注温度;

tL——液相线温度。

从式中可以看出,提高浇注温度t,或因合金成分改变而降低tL,都使εV增加。

影响液态收缩系数αV液的因素很多,如合金成分、温度、气体和夹杂物含量等。

二、凝固收缩(solidification contraction)

对于纯金属和共晶合金,凝固期间的体收缩只是由于状态的改变,而与温度无关,故具有一个定值(见表8—1)。具有一定结晶温度范围的合金由液态转变为固态时,收缩率既与状态改变时的体积变化有关,又与结晶温度范围有关。

表8—1 液态金属物性参数

元素

金属结构

液体

配位数

熔点

t/℃

熔化热

Q/(J.mol-1)

沸点

t/℃

气化热

Q/(J.mol-1)

蒸气压

密度

熔化体积变化*100

1mmHg/℃

100mmHg/℃

ρ/(kg.m-3*10-1)

Li

体心立方

9.8

119

4605

1317

135987

745

1084

400

0.490

1.5

Na

体心立方

9.5

97.8

2637

883

96798

440

696

400

0.854

2.5

K

体心立方

8.0

63.7

2554

760

79046

342

581

400

0.747

2.41

Rb

体心立方

-

39.0

2198

688

75822

294

519

39

1.475

2.5

Cs

体心立方

-

28.5

2093

705

68328

278

515

28

1.84

2.6

Cu

面心立方

-

1083.0

13021

2595

305636

1390

-

1080

7.93

4.2

Ag

面心立方

-

960.5

11304

2212

259581

1367

1865

960.5

9.3

4.99

Au

面心立方

11

1063

12686

2966

342522

1869

2521

1100

17.24

5.19

Al

面心立方

10.6

660.2

10676

2450

284534

1537

2081

900

2.315

6.6

Pb

面心立方

9.4

327.4

5107

1737

177520

987

1417

400

10.51

3.6

Mg

六方密排

-

651

9043

1103

131758

621

909

700

1.536

4.2

Zn

六方密排

10.8

419.5

6698

906

116727

487

736

419.5

6.92

6.9

Cd

六方密排

8.3

321

6112

765

 

394

611

330

8.01

4.74

Ga

斜方

11

29.92

5610

1983

251208

1315

1726

301

5.905

3.1

In

面心正方

8.5

156.4

3265

2087

225249

1249

1756

164

7.026

2.5

Ti

 

8.0

303

4312

1457

162489

825

1196

306.5

11.29

3.2

Sn

 

9.1

231.9

7201

2270

293076

1492

1968

409

6.834

2.6

As

三方

-

814

-

612

-

370

518

-

-

-

Sb

三方

6.1

630.5

39942

1440

167472

886

1223

700

6.45

-0.94

Bi

三方

8.0

271.0

10508

1477

178357

917

1257

300

10.03

-3.32

Se

六方

-

220.0

6280

885

95459

344

546

-

-

15.8

Te

六方

-

450.0

17508

994

107600

520

792

-

-

2.0

Hg

三方

8.3

38.87

1507

357

58531

126.2

261.7

200

13.115

3.6

Fe

体心立方

-

1535

16161

3070

354287

1900

2595

-

-

0.4-4.4

H2O

 

-

0

5987

100

40611

-

-

4

1

-8.3

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