凝固方式与铸件宏观组织

发布日期:[11-06-27 18:28:22] 浏览人次:[]

铸件的致密性和健全性与合金的凝固方式密切相关,而影响凝固方式的因素为结晶温度范围和铸件断面的温度梯度。

一、化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系

化学成分决定了合金结晶的温度范围。纯金属和共晶成分合金在凝固时,由于结晶温度范围是零,因此没有液固共存的凝固区,以逐层方式凝固,其凝固前沿直接与液态金属接触。当液态凝固成为固体而发生体积收缩时,可以不断地得到液体的补充,所以产生分散性缩松的倾向性很小,而是在铸件最后凝固的部位留下集中缩孔,如图4-12。由于集中缩孔容易消除,一般认为这类合金的补缩性良好。在板状或棒状铸件会出现中心线缩孔。这类铸件在凝固过程中,当收缩受阻而产生晶间裂纹时,也容易得到金属液的填充,使裂纹愈合。

图4-12 逐层凝固方式的缩孔内点

宽结晶温度范围的合金,凝固区域宽,散热条件差,容易发展成为树枝晶发达的粗大等轴枝晶组织。当粗大的等轴枝晶相互连接以后(固相约为70%),将使凝固的液态金属分割为一个个互不沟通的溶池,最后在铸件中形成分散性的缩孔 ,即缩松,如图4-13所示。对于这类铸件采用普通冒口消除其缩松是很难的,而往往需要采取其它辅助措施,以增加铸件的致密性。由于粗大的等轴晶比较早的连成骨架,在铸件中产生热裂的倾向性很大。这是因为,等轴晶越粗大,高温强度就越低;此外当晶间出现裂纹时,也得不到液态金属的充填使之愈合。如果这类合金在充填过程中发生凝固时,其充型性能也很差。

二、外部冷却条件与铸件质量的关系

由于合金成分是根据其性能、价格、使用条件等因素确定的,一般不能随意改变。在材料加工过程中,要改变合金的凝固方式,调节空间较大的是加工工艺,或者说可以通过外部条件来调整合金的凝固方式。

下面分析“金属液-中间层-铸型”不稳定系统的热交换特点。

为了使问题简化,假设铸件为无限大平板,即y和z方向无热流,仅x方向有热流(图4-14)。显然,同样的比热流q通过了系统中各个组元。

根据傅立叶定律,q值可用以下三式表示:

式中 λ1,λ2,λ3——铸件、铸型、中间层的导热系数

x1,x2,x3——铸件厚度之半、铸型、中间层的厚度

t1-t11t——铸件中心到表面的温差

t2-t22t——铸型内表面与外表面的温差

t1-t23t——中间层的温差

考虑到同样的比热流q通过了系统中各个组元,则

故有传热准则

K1和K2表示铸件与中间层,以及中间层与铸型之间热交换强度的两个传热准则,或称规范数。这两个准则的物理意义 可解释如下:

K1是铸件热阻与中间层热阻之比,或是铸件断面的温差与中间层断面温差之比。K1表示铸件与中间层之间的传热特点。

K2是铸型的热阻与中间层热阻之比,或是铸型断面的温差与中间层断面温差之比。K2表示铸型和中间层之间的传热特点。

根据上述关系式可知,当传热准则K很小时(K<<1),则铸件或铸型断面上的温差与中间层断面上的温差相比较,就显得小。当传热准则很大时(K>>1),则中间层断面上的温差与铸件或铸型断面上的温差比较,就显得小。

将K1和K2结合起来考虑,则有以下四种实际上可能发生的铸件—铸型间不同的传热情况:

K1<<1, K2>>1;

K1<<1, K2<<1;

K1>>1, K2>>1;

K1>>1, K2<<1。

应该指出,如果是不稳定导热和铸件形状复杂时,传热准则K虽然不能十分精确地用上式表示,但仍具有这种关系的物理意义。

下面分别讨论这四种情况下铸件和铸型断面上温度场分布的特点。

1、铸件在非金属型中的冷却

非金属型(一般指砂型)的导热系数比金属铸件的导热系数小得多,即 λ2 / λ1<<1。铸件在非金属型中凝固冷却时,由于铸型的导热系数小,所以铸件冷却缓

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