（材料加工工程专业论文）锑在铸造铝硅合金中的行为.pdf

锑在铸造铝硅合金中的行为 摘要 变质处理是提高铝一硅合金机械性能的重要手段之一。目前生产上所 要用的变质剂主要是钠盐和锶。s b 作为一种长效变质剂在理论和实践上还 不够成熟，在生产中还没有被广泛应用。因此有必要对s b 在铝硅合金中的 作用做更深入的研究。本文采用差热分析，扫描电子显微镜及电子探针分 析等方法研究了s b 元素对铸造铝硅合金的变质和细化问题，并利用图像分 析方法，对各种缺陷和变质效果进行定量分析，提高了产品检测的速度和 准确度。 实验结果表明：( 1 ) 在较快的冷却速度下，0 2 的s b 含量对z l l1 4 合金产生了良好的变质效果。变质良好时，合金的的凝固温度，共晶温度 降低，( i ) 相析出潜热减小，共晶s i 相结晶潜热增大。( 2 ) 对于砂型铸 造，s b 元素对z l ”4 合金也起到了一定的变质作用。( 3 ) 在不含镁元素的 情况下，变质组织随着s b 含量的增加逐渐细化，当含量超过2 后，组织 又开始变粗大。( 4 ) 在含0 5 锵g 的情况下，0 2 s b 在快冷条件下的变 质效果最好，而含0 6 s b 的合金变质效果变差。当s b 含量达到2 的时 候，合金组织又变得很细小( 5 ) 在冷却速度较慢的情况下，随着s b 含量 的增加，针孔度增加，而在冷却速度较快的情况下，合金针孔度对锑含量 不敏感。( 6 ) s b 在合金中以a i s b 和m 9 3 s b ：的形式存在。高熔点a i s b 的 存在促使q ( a 1 ) 相析出，a i s b 在结晶前沿的聚集，造成共晶过冷度增加， 使得初生q ( i ) 明显增加。m g 极易在m g 。s b 。表面附着，降低了该化合物的 界面自由能，改变了它的界面结构，形成一个过渡层，使麓9 3 s b ：起到了异 质晶核的作用。当s b 含量超过1 时，m g 就不再起作用。高含量s b 的变 质性能有待于进一步研究。 关键词：铝一硅合金锑变质凝固速度图像自动分析仪铸态组织a l s b m 9 3 s b 2 t h eb e h a v l 0 r0 fa n t i m o n yi na i s ic a s t i n ga l l o y s a b s t r a c t m o d i f i c a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d st oi m p r o v et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa 1 一s ia 1 1 0 y s a tp r e s e n t ，s o d i u ms a l ta n ds t r o n t i u m a r ec o 胁o n l yu s e dm o d i f i e ri np r a c t i c e a n t i m o n y ， a sap e r m a n e n tm o d i f i e r i sn o te x t e n s i v eu s e db e c a u s eo fi t si n e x p e r i e n c e s ot h e e f f e c t so fa n t i m o n y o na 1 一s ia l l o y sn e e dt ob ef u r t h e rs t u d i e d i nt h i sp a p e r ， a n t i m o n ye f f e c t s o fm o d i f i c a t i o na n dg r a i nr e f i n e m e n to na l s ic a s t8 1 l o y sh a v eb e e ns t u d i e d b yu s i n gt h e 瑚a 1a n a l y s i so fd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r ， s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o c o p ya n de l e c t r o np r o b i n ga n a l y s i s i 呻g ea u t o 眦t i ca n a l y z e r h a s a l s o b e e na p p l i e dt oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h ep i n h 0 1 e d e g r e ea n d i o d i f i c a t i o ne f f e c t ，w h i c ha d v a n c e st h es p e e d8 n da c c u r a c yo fp r o d u c tt e s t t h er e s u l t ss h 肼e dt h a t ：( 1 ) o 2 a n t i 肿n ye x e r t e dg o o dl l l o d i f i c a t i o ni 呻a c t o nz l l l 4a 1 1 0 ya tr a p i dc 0 0 1 i n gr a t e 霄h e nb e s tm o d i f i c a t i o no b t a i n e d ，t h e f r e e z i n gp o i n ta n de u t e c t i ct e m p e r 8 t u r ed r o p e dd o 霄n ，w h i l et h ec r y s t a l1 a t e n t h e a to f口( a 1 ) a n ds ip h a s e sd e c r e a s e da n di n c r e a s e dr e s p e c t i v e l y ( 2 ) a n t i m o n y c o u l da 1 8 0 d i f yz l l l 4a 1 1 0 yi ns a n dm o l d ( 3 ) w h e nm a g n e s i u md i d n te x i s t i nt h ea l s ia 1 1 0 y s ，t h em o d i f i c a t i o ns t r u c t u r eb e c 硼ef i n e l ya tf i r s t - i t h t h ei n c r e a s i n go fa n t i n yc o n t e n t ， w h il et h es t r u c t u r e 霄o u l dg r o b i g g e r g r a d u a l l ya f t e r8 n t i m o n yy i e l d e da b o u t2 ( 4 ) 耳h e no 5 眦g n e s i u me x i s t e di n t h e l s ia l1 0 y s ，t h em o d i f i c a t i o ne f f e c t sb yo 2 a n t i m o n yw e r ep e r f e c ta t q u i c kc o o l i n gr a t e ，a n dt h em o d i f i c a t i o ne f f e c t sb yo 6 a n t i 硼o n yw e r e 霄e a k e n e d m o d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew u l d n tb e c o m ef i n e l ya n y 皿o r eu n t i l2 a n t i m o n y - a s g a i n e d ( 5 ) p i n h 0 1 ed e g r e e 船sm d r es e r i o u s - i t ht h ei n c r e a s i n go fa n t i 埘o n y c o n t e n ta tt h es l o - c 0 0 1 i n gr a t e ，w h i l ea tt h er a p i dc 0 0 1 i n gr a t e ，p i n h 0 1 ed e g r e e _ a sn o ti n f l u e n c e db ya n t i m o n yc o n t e n t ：( 6 ) a n t i m o n ye x i s t e di na l l o y sa st h e i f o r m o fa l s ba n dm 9 3 s b 2 a 1 s b霄i t h h i g hm e l t i n gp o i n t霄a sb e n e f i c i a lt o p r e c i p i t 8 t en ( a 1 )p h a s e e u t e c t i cs u p e r c o o li n g i n c r e a s e dd u et oa l s b a s s e m b l i n gd u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o n ， a n d r e s u l t e di nm o r ea ( a 1 )p h a s e m a g n e s i u mw a se a s yt oa d h e r e n tt ot h es u r f a c eo ft h em 9 3 s b 2 ，w h i c hr e d u c e dt h e i n t e r f a c i a lf r e ee n e r g yo ft h ec o m p o u n da n dc h a n g e dt h ei n t e r f a c i a ls t r u c t u r e s oat r a n s i t i o n a ll a y e rw a sf o r m e di nw h i c hm 9 3 s b 2 a c t e da st h eh e t e r o g e n e o u s n u c l e a t i o n w h e nt h ec o n t e n to fa n t i m o n ye x c e e d e d1 ， t h em a g n e s i u me l e m e n t h a dn oe f f e c ta n ym o r e m o d i f i c a t i o nm e c h a n i c si sn e e dt of u r t h e rs t u d yo nh i g h c o n t e n to fa n t i m o n y k e yw o r d ：a 1 一s ia l l o y ：m o d i f i e db ya n t i m o n y ：s 0 1 i d i f i c a t i o nr a t e a u t o m a t i cq u a n t i t a t i v em i c r o s c o p e ：c a s ts t r u c t u r e ：a l s b ： m 9 3 s b 2 广西大学硕士学位论文 锑在铸造铝硅合金中的行为 第一章文献综述 1 1 前言 铝的比重小，塑性好，具有优良的导电性，表面有致密的氧化膜保护，抗腐蚀性好， 而且回收成本低，是一种可持续发展的有色金属。在纯铝中，加入其它金属或非金属元 素，能配制成各种可供压力加工或铸造用的铝合金。由于铝的比重小，其比强度( 抗拉 强度比重) 远比灰铸铁、铜合金和球墨铸铁高，仅次于镁合金、钛合金和高合金钢。 铝及其合金的这些特点，决定了它越来越广泛的应用【1 】。 铝及其合金是目前应用最广泛的金属与合金，他们在现代高技术工业、航空、建筑、 交通运输、包装装潢、日常生活用品等领域已成为不可缺少的重要材料。铸造铝合金中 硅系合金用量占8 5 9 0 【2 】。硅作为主要合金元素加入，在保持铝合金密度小，比强 度高等特点的同时，能提高合金的铸造性能，提高流动性，降低合金的收缩率和热裂倾 向，减少疏松。提高气密性，有利于获得组织致密铸件；而且合金的焊接性能很好，热 膨胀系数低；因为硅粒子硬度高，合金的耐磨性好；合金还具有较高的耐腐蚀性能。 铝硅铸造合金的组织中，由性质不同的d a 1 相和硅相混合组成，a _ a l 相有较好 的塑性，铝硅合金组织中共晶硅呈粗大的片状，初晶硅为粗大的多角形块状和板状，且硅 相硬而脆。粗大的硅相严重地割裂了基体，降低了合金的强度和塑性。当铸件受力时， 在a 相与硅相的界面处应力应变发生突变，使该处易产生应力集中，其应力集中程度与 硅相的形态和分布有较大关系。显然，若硅相呈片状及外形棱角尖锐，则应力集中程度 大，易使该处产生微裂纹并扩展；若硅相为粒状及外形圆钝，则应力集中程度可减至最 小，从而有利于合金强度和塑性的提耐3 1 。为了改善硅相形态对铸态合金性能的不利影 响，通常要对含硅量较高的铝硅合金的铸件在浇注前进行变质处理。变质处理可改善和 细化s i 相形貌，提高合金性能。 目前，已被证明了具有细化共晶硅作用的变质剂有：n a 、s b 、s r 、b a 、a s 、r e ， 具有细化初晶硅的变质剂主要有p 、a s 和s 。目前主要采用p 作为过共晶合金中初晶硅 的变质剂。对于亚共晶合金，国内多采用的变质剂是n a 盐，但是其变质工艺复杂，污染 环境、腐蚀设备、易吸气、变质有效期短、衰退快，而面临被淘汰。国外已采用s r ( 锶) 广西大学硕士学位论文锑在铸造铝硅合金中的行为 变质取代钠盐。s r 变质时，但不宜用氯盐精炼，最好通氩、氮气，而氯盐又是最佳精炼 荆。在我国s r 资源少，价钱昂贵，对其大量推广受到限制。此外，也有大量的文献报道 了稀土的变质作用i o “。s b ( 锑) 对共晶亚共晶a l s l 合金的变质效果在国内外的工 作中已经得到证实，尤其是它的变质作用的持久性进一步肯定了它的应用价值。s b 变 质后的合金组织并不是典型的变质组织，但变质后的合金性能却大大提高，尤其是延伸 率可以达到1 0 以上【4 1 。锑变质的合金具有高强高韧性，使锑变质剂十分有前途。此外， 在我国特别是我区，锑资源丰富，价格便宜，挖掘其应用潜力对于促进我区有色金属资 源的开发和高效利用，提高资源产品的技术含量，具有重要意义。 1 2 铝硅系合金的凝固过程 p 锚 勰 】匠置s i 图1 1 l s i 乐合金相图 f i g 卜1p l a s ed i a g r 锄o fa 1 峭is y s t 伽 图1 一l 为a 1 一s i 系合金相图，共晶温度为5 7 7 ，共晶成分为1 2 6 。s i 在a l 中的固溶度在共晶温度时为1 6 5 ，在室温时为0 1 左右。亚共晶合金的组织由n ( a 1 ) + 共晶体( n + b ) 所组成，过共晶组织为初晶硅( b ) + 共晶体( a + b ) 组织随着s i 量的增加，结晶温度区间减小，共晶体增加，流动性随之提高。s i 的线收缩很小，合 金的线收缩和热裂倾向也随之减小。 1 2 1 共晶合金的凝固 1 2 1 1 液态金属结构 2 广西大学硕士学位论文 锑在铸造铝硅合金中的行为 金属材料绝大多数都是由液态获得的，液态金属的结构和品质，对金属材料的组织、 性能和质量有着直接和重要的影响。因此，国内外对于铝硅合金的液态金属结构和性质 做了大量的研究。 a 1 一s i 合金中存的s i s i 原子集团具有很强的结合能，其强度远大于a l s i 键 和a l a 1 的键合强度，具有较高的稳定性。据文献 5 报道，铝硅合金液温度很高时( 大 于9 0 0 ) ，由于原子动能很大，不可能形成较大的原子团，合金呈成分均匀单一的液 相：当合金液温度降到9 0 0 以下( 上临界温度) 时，键合强度最高的s i s i 键率先 结合成大原子集团，在局部形成富硅微区，导致合金液中硅浓度的起伏涨落及化学成分 的不均匀；在转交区内，s i s i 原子团的数量和尺寸逐渐增大；当合金液温度降到8 0 0 以下( 转变区的下临界温度) 时，转变结束，不再形成新的富硅粒子。铝硅合金液的 基体结构在冷却过程中不发生变化。 1 2 1 2 共晶台金的共生生长 大多数共晶合金在一般情况下是按共生生长方式进行结晶的。结晶时，后析出相依 附于领先相表面析出，形成具有两相共同生长界面的双相核心；然后依靠溶质原子在界 面前沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元而使两相彼 此合作地一起向前生长。两相共同生长的固一液界面称为共生界面。形成具有共生界面 的双相核心的过程是共生共晶的形核过程；两相彼此合作地一起向前生长称为共生生 长，是共生共晶的生长过程。所以，共生生长应该满足两个基本条件： 共晶两相应有相近的析出能力，并且后析出相易于在领先相的表面形核，从而形成 具有共生界面的双相核心； 界面前沿溶质原子的横向扩散应能保证共晶两相的等速生长，使共生生长得以进行。 只有当合金液过冷到一定的温度和成分范围内，才能满足以上条件。也就是说，共 生生长只能发生在某一特定的温度和成分范围内，在平衡状态图上称为共生区。 1 2 1 3 非平衡凝固 从相图可知，在平衡条件下，共晶反应只发生在一个固定成分的条件下，任何偏离 这一成分的合金凝固后都不能获得l o o 的共晶组织从热力学观点看，在非平衡凝固 条件下，具有共晶型的合金，当快冷到两条液相线的延长线所包括的范围内时，即使是 广西大学硕士学位论文 锑在铸造铝硅合金中的行为 非共晶成分的合金，也可以获得1 0 0 的伪共晶组织，如图1 2 ( a ) 所示。图中的影 线部分即为共晶共生区，共生区规定了共晶稳定生长的温度和成分范围，超过这个范围， 组织上将变为亚共晶或过共晶组织。对于金属一非金属共晶，其共生区通常是非对称的， 其相图上的共晶点靠近金属组元一方，共晶共生区偏向非金属一方，如图l 一2 ( b ) 所 示。a l s i 合金的共晶共生区属于此类。非对称型共生区一般发生在共晶的两组元熔 点相差较大，两条液相线不相对称，共晶点往往偏向于低熔点一侧，共晶两相的性质相 差较大的情况。由图中可以看出，这类共晶成分的合金，在快冷条件下是得不到共晶组 织的。由于浓度起伏和扩散的原因，共晶成分附近的低熔点相在非平衡结晶条件下较高 熔点相更容易析出，其生长速度也更快。因此结晶时往往容易出现低熔点组元一侧的初 生相。为了满足共生生长所需的基本条件，就需要合金液在含有更多高熔点组元成分的 条件下进行共晶转变。 基 媚 因l 一2 共晶合金的非平衡凝固 f ig 1 2n o n e q u i l i b r i 岫s 0 1 i d i f i c a t i o no f 叫t e c t i ca 1 1 0 y 1 2 1 4 液一固相界面成分过冷 根据文献 6 界面前沿液体中的溶质浓度分布和实际温度分布这两个因素。由 t i l i c f 、j a c k s o n 、c h a i ，m 懿在1 9 5 3 年推导著名方程 里：塑生生 矗d 毛 g 液体中自液固界面开始的温度梯度( m ) 且凝固速度( i i | ，s )w o 哈金成分 聊液相线斜率( )d 扩散系数( m ? s )溶质分配系数 4 广西大学硕士学位论文锑在铸造铝硅合金中的行为 大量实验证实，它可以很好地预报凝固时平直界面地稳定性。则产生过冷地条件是 呈 婴单 ( 1 哪 rd 上式的右边是反映合金性质的参数，而左边则是受外界条件控制的参数。从上式的 右边参数看，随着溶质成分的增加，成分过冷倾向越大，所以溶质浓度越低，成分越接 近纯金属的合金，不易产生成分过冷；当合金成分一定时，凝固温度范围越宽，这对应 于越小( k 1 时) ，液相线斜率m 越大，越易产生成分过冷。另外，扩散系数d 越小， 边界层溶质越易聚集，这有利于成分过冷。而从外界条件看，实际温度梯度越小，对一 定的合金和凝固速度，成分过冷倾向越大若凝固速度越大，则液体的混合程度减小， 边界层的溶质聚集增大，这也有利于成分过冷 如果二元共晶含有杂质，则杂质元素在两个固相与液相之间将具有某一平均的分配 系数七如果七 l ，杂质元素将在共晶体一液相界面的前沿聚集起来，并可造成成分 过冷。如果杂质量较少，由此产生的成分过冷不大。这使平直界面变为胞状。其生长方 式与单相固溶体的长大方式相似，层片倾向于垂直于液一固界面生长，所以每个胞在横 界面上可以容易地加以区别。如果杂质量足够地多，就可能形成树枝晶，通常可发现树 枝晶可由纯d 相，纯b 相或一杂质相组成。 1 2 2 形核与长大 任何一种金属从液态到固态的结晶过程都包括形核和长大两个阶段。毫不例外，a 1 一s i = 元共晶合金结晶时，同样也包括生核和生长两个阶段。形核是依赖于在液相中 原子的扩散运动，使原子相互结合以形成具有规则排列的一定尺寸的原子集团，并称为 晶核。在合金中加入微量其它组元，或者影响晶体的非自发核心数，或者影响晶体的生 长，从而达到改善合金的目的。 t 2 2 1 形核条件 液体金属内原子是处在不断运动之中，虽然在液体内不会出现持久的长程有序，但 是某些原子在瞬间内会聚集成具有固相晶体结构的微小区域( 原子集团) ，并被称为“晶 胚”。对于结晶而言，晶胚是潜在的晶核。 相变形核的热力学条件是要有过冷度，如图卜3 所示。图中酽、g l 为合金系中液相 4 广西大学硕士学位论文锑在铸造铝硅合金中的行为 和固相的自有能，g ，和g l 随温度变化的曲线相交于t 。温度，t 0 为相变临界温度，即在 t 。温度时，g s = g l 。当t 。 t 。时( t 。为实际转化温度) ，g s g l ，液相将转变为固相，因此， 过冷度定义为相变l 临界温度与实际转变温度之差，即t = t 0 t 。由图2 可以看出，当 t 。 t 0 时，g ，为相变驱动力。这就是说，有过冷度，才有相变驱动力，形核过程才能 实现。 图卜3 相变驱动力 f i g 1 - 3d r i v i l l gf o r c ef o rp h a s et r 卸s f o 撇t i o n 1 2 2 2 形核速率 形核速率是在单位时间内形成的晶核数目。它取决于由n 个原子组成的临界尺寸晶 胚数m ，但同时也取决于液相原子通过固一液界面向晶胚上吸附并使晶胚尺寸继续长 大的吸附速度砌廊。形核率表示为： ，= m 幽，面 ( 卜3 ) 1 2 2 3 形核剂的条件 l 基底晶体与结晶相的晶格错配度的影响 润湿角与表面张力的公式为： c o s 口：! 丝= 垒 ( 1 4 ) 盯岱 为使c o s 口不出现负值，应小于d k ，而且是越小越好因为越小，则c o s 口值 越有可能接近1 ，则口专o 。为此，晶核和夹杂间的界面张力越小，越有利于非均 质形核。根据界面能产生的原因，不难理解，两个相互接触的界面结构( 原子排列的几 6 广西大学硕士学位论文锑在铸造铝硅合金中的行为 何情况、原子大小、原子间距等) 越近似，它们之间的界面能愈小。通常用错位度( 或 称不匹配度) 艿来表示界面上晶核原子与夹杂原子间的匹配情况， j ：盟( 1 5 ) 口 式中q 夹杂的原子间距；口。晶核的原子间距。 艿值愈小，说明两者匹配得愈好，其间的界面张力愈低，因此，非自发形核的过冷 度愈低。当占值很小时，过冷度丁与万之间有如下关系：丁正比于6 2 。 b r a m 矗t f 提出，应该使晶核的低指数晶面与作为基底物质夹杂的低指数晶面重合 来计算它们之间的错位度。 艿5 时，为完全共格，夹杂物形核能力强； 5 。 总之，共晶硅多次孪晶的存在使硅晶体在长大过程中改变其生长方向并不断分枝， 共晶团中每个硅片通过多次 1 1 1 孪晶彼此相连，长成片状【2 9 ，3 0 1 。 1 6 2 孪晶凹谷机制 该理论基于在共晶生长中硅片的结晶前沿成孪晶凹谷。钠变质后，铝液中的钠原子 因选择吸附而富集在李晶凹谷处，阻滞了硅原子或硅原子四面体的生长速度，使孪晶凹 谷生长机制受到抑制，从而导致硅晶体生长形态的变化。其原因是凹谷被阻塞，晶体生长 时被迫改变方向，如沿1 0 0 ) 、( 1 1 0 、1 1 2 等系列方向生长，同时也促使硅晶体发生 高度分枝郑来苏【3 ”认为，钠原子并非全都封锁整个凹谷，而是优先吸附在凹谷内的位 错、层错等缺陷处，分割了原来的片状结构。这都促使硅晶体由片状变成等轴断面的弯 曲纤维状。硅晶体生长机制的变化导致其形态的改变。硅与铝的共晶结晶属于“小平面 非小平面”共生，硅相具有微观光滑界面，是结晶的领先相，生长速度比铝相快，硅晶体 生长的各向异性导致其产生不规则形态，如分散的针片状。钠变质后，硅相的生长速度受 阻滞失去领先作用，共生性质接近“非小平面非小平面”生长，形成互相协调的较规则 的棒状( 纤维状) 硅晶体【”】。 1 6 3 界面台阶机制 = l ，- 拖舄 曼i ( a ) 正常生长( b ) 钠变质 闲 ( c ) 激冷变质 图l 一5 硅晶体生长机制示意图 f i g 1 一st h eg r 0 臀t hm e c h a n i s ms k e t c ho f3 i li c o nc r y s t a l 这种理论认为：铝硅合金未变质时，硅晶体表面上生成孪晶的几率小，且其溶解度极 广西大学硕士学位论文 锑在铸造铝硅合金中的行为 小。而在晶体生长前沿的液固界面上存在很多界面台阶，类似城墙垛堞，见图卜5 ( a ) ， 这些台阶易于接纳铝液中的硅原子或硅原子八面体，使得硅晶体沿( 2 1 1 ) 晶向择优生长 成为片状。变质后，钠原子优先吸附于该界面台阶处，钝化了界面台阶生长源，使它很难 再接纳硅原子。同时，钠原子在硅晶体表面诱发出高密度的孪晶，而后孪晶凹谷取代了界 面台阶接纳硅原子，成为硅晶体的生长源，图卜5 ( b ) 。诱发孪晶产生的原因是：钠原子 吸附并嵌在硅晶体生长前沿靠近密排( 1 1 1 ) 的晶面处，由于钠原子半径( 0 1 9 0 册) 比硅原 子大( 0 1 2 4 n m ) ，这使得密排面表层原子的排列发生变化，从而在与其垂直的侧面上形成 孪晶。根据晶格理论计算，变质剂与硅二者的原子半径之比等于l - 6 4 8 时，最易诱发孪 晶。经变质的硅晶体按孪晶凹谷机制生长成为高度分散的树枝状，晶体主干沿 o ) 时，五= 互= 正； 初始条件：，= o 时，五= 互。；代入式( 3 6 ) 后得铸件侧温度场得方程式为： 枇峒。吲d 剥 同理可得铸型温度场得方程式： 哪q d 割 震 【r 。蒜e 童眷董譬鎏 擞耋爱纂曼黉 。孑一：二= 。= 二r w ；露一。7 气：= 旁盼捧钆：芝参 乏：廛l 磊i q 硝j 3 ： 髓：_ ：? 一 篡予j 黼 * 二。，f = = ： 二：，? ：气警 z 孙z c 己专荽 o 图3 2 无限大平板铸件凝固温度场分布 f ig t 鲫p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i 伽o fc a s t i n gf o ri n f i n i t ep 王a t e ( 3 8 ) ( 3 9 ) 广西大学硕士学位论文锑在铸造铝硅合金中的行为 对于公式中的界面温度z ，可以通过界面处热流的连续性条件求出。即 札铡瑚= 如 剽，：。 c s 州， z = 将( 3 8 ) 、( 3 9 ) 代入式( 3 1 0 ) 并计算得 岛正。+ 色 。 a + 6 2 ( 3 一1 1 ) 式中“= 孓百，为铸件的蓄热系数；6 ：= 丽，为铸型的蓄热系数。 3 1 3 2 主要被铸型热阻控制的金属凝固传热 砂型，石膏型、陶瓷型等铸型的材料导热系数都比铸件的导热系数小得多，而且它 们的壁厚又总是比铸件的壁厚大，故铸型的热阻常比铸件的热阻大得很多，凝固传热中 铸型的温度梯度总是相对很大的，与此相比，常可把铸件中的温度梯度混略不计。铸型、 铸件间和凝固层中的温度差都很小，也不予考虑，金属凝固时通过铸型外表面散发的热 量很小，可将其铸型外表面温度视为恒定，因此铸件凝固期间的传热可视为主要由铸型 热阻所控制。 ” 设金属液在无过热的情况下加入铸型的平面型腔内，铸型初始温度为瓦，在浇注结 束的瞬间f = 0 时，由于铸型的导热能力差，与金属液接触的铸型内表面温度立刻升高 到浇注温度，且在随后的金属凝固过程中保持不变，如图3 3 所示。 t t o 铸型凝固层液体金属 。 x 产ox = mx 图3 3 铸型热阻控制的温度场分布 f i g 3 3t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nc o n t r o l l e db yh e a t i n gr e s i s t 锄c ed f 皿0 1 d 广西大学硕士学位论文锑在铸造铝硅合金中的行为 通过金属一铸型界面的热流密度： 扎 罡l ( 3 _ 1 2 ) 根据铸型温度场方程( 3 9 ) 可知，此时铸型温度场分布为： 正= 驯吲0 割驴孙喝弦吼剩 对上式求导： ( 訇枷= 阢一瓦括p 剖卜错 代入( 3 1 2 ) 得 吡。- j 学( 瓦一) ( 3 _ 1 3 ) 另一方面，因液体和固体的温度都为，所以传入铸型的热量仅来自子金属释放时释 放的潜热，于是， = 嘲警 ( 3 一1 4 ) 根据式( 3 1 3 ) 和式( 3 1 4 ) 有 f 玩九= ( 哪厮j 砉 ( 3 - 1 5 ) m = 嘉陪胯以 c 。叫6 ， 从式( 3 1 6 ) 可知，金属和铸型的热物性结合起来决定凝固速度：在金属方面， 熔点高而熔化热和密度小的金属有利于较快凝固；在铸型方面，石i 万大的铸型有利 3 1 3 3 主要被间隙热阻控制的金属凝固传热 当在金属型中浇铸较薄的铸件时，铸件和铸型材料的导热系数相对很大，故它们的 热阻往往比由气体和涂料层组成的间隙热阻小得多，金属凝固时铸件和铸型中的温度梯 广西大学硕士学位论文锑在铸造铝硅合金中的行为 度小，甚至可达到相对地被忽略不计的程度，这样就建立了单独计算间隙传热以替代整 狰漂麓传热静羹盼条件， 为简化求解过程，作如下假定： ( 1 ) 问题局限于一维热传导，金属型为半无限大； ( 2 ) 将原文的的界面热阻视为常数，即界面传热系数h 是常数； ( 3 ) 金属平面晶前沿在固定的凝固点t ，下凝固； v ( 4 ) 忽略液体金属的过热度和对流 设金属在无过热下进行浇注，凝固层中从存在温度梯度，且凝固层中温度分布为线 性，凝固层靠近间隙一侧的温度明为乃，靠近金属一侧的温度为乙，由上一节可知，铸 型温度为兀，如图3 4 所示。 t t 5 t o 铸型 凝固液体金属 x = ox = 】 x 图3 4 间隙熟阻控制的温度场分布 f i g 3 4t 。m p 嘲c i l f i e l dd i 姗b u t l o nc o n 们u e db yi n t e r s t i c eh e a t m g 嘟i s t 越 在间隙处建立的热平衡关系式为：。 金属传导的热流通量 = 【通过间隙传出的热量 ，即 可k 以。婴：把一矗) ( 3 一1 7 ) g f ，i o = 彳i 丢l = 矗( c 一矗) ( 3 一1 7 ) 式中丁凝固层中的温度。 由于凝固层中的温度分布为线性，署= 常数 即罢= 孕，代入上式并消去得 灿= 镨 ( 3 _ 1 8 ) 以 广西大学硕士学位论文锑在铸造铝硅合金中的行为 式中 m 凝固层厚度；五凝固层导热系数。 上式给出的热流密度应等于金属凝固放出的结晶潜热，即 措= n 三警 对该式整理并积分得 以 m ：! ! ：墨2 卜土m z 3 2z l l1 4 合金在不同铸型中的凝固过程计算 本实验浇注的金属为航量z l l l 4 合金，其热物理参数见表3 1 表3 1z l l l 4 合金的热物理参数 ( 3 一1 9 ) x c 王鲁( j c 。( j p ( k gp ( k gl ( j b r 。( ) ( w m - )k g )k g )| 心m 3 )k g )( w 秆) 1 5 9 1 29 6 2 31 2 7 42 6 8 4 6 22 4 2 0 7 3 03 8 8 1 7 52 0 2 7 5 3 2 1 泡沫耐火砖铸造的凝固传热 泡沫耐火砖型的特点是，与浇注于其中的z l l l 4 合金相比具有非常小的导热率，因 此金属的凝固速度主要决定于铸型的传热性能，而很少受金属传热性能的影响。由于铸 型的导热能力差，在金属凝固过程中，铸型外表面的温度变化不大，所以可以把铸型看 成是无限厚的。故此凝固过程属于被铸型热阻控制的金属凝固传热。泡沫耐火砖的热物 理参数见表3 2 。 表3 2 泡沫耐火砖的参数 ， x cp b k ( ) q ( m 2 s ) ( w m )( j 埏) ( k g m 3 )( w m 2 ) o 3 4 68 3 6 84 8 0 5 45 0 3 7 38 6 1 0 - 7 3 2 1 1 温度场分布 。 根据3 1 3 1 和3 1 3 2 ，泡沫耐火砖铸型温度场方程式为公式( 3 9 ) 广西大学硕士学位论文锑在铸造铝硅舍金中的行为 五哪c l 吲0 剖 其中z ：塾互! 塾叠：! ! ! ! ! ：! i ! i ! ! ：! ! ：7 1 7