第一章 液态金属凝固原理

1、第一章液态金属凝固原理,郭连贵湖北工程学院化学与材料科学学院,2,凝固：指从液态向固态转变的相变过程。传热学传热过程、凝固方式、凝固时间及凝固缺陷。结晶：指液态金属向固态金属转变的过程。物理化学形核、长大及结晶组织的形成规律。,3,一、金属凝固的温度场,4,1、温度场的概念定义：在某一瞬间物体内各点温度分布的情况。,一、金属凝固的温度场,5,一、金属凝固的温度场,热流方向与温度梯度方向相反,6,2、凝固过程中传热的方式与特点凝固过程中的传热方式,一、金属凝固的温度场,傅里叶导热方程：,表征物质导热能力的大小,7,2、凝固过程中传热的方式与特点凝固过程特点热阻,一、金属凝固的温度场,中间层,砂型

2、铸造,金属型铸造,8,2、凝固过程中传热的方式与特点凝固过程特点热阻,一、金属凝固的温度场,中间层,水冷金属型铸造,非水冷厚壁金属型铸造,传热方向,9,3、金属凝固温度场的分析方法数学分析方法,一、金属凝固的温度场,10,数值计算法差分法或有限元法实验测定法-测温法,一、金属凝固的温度场,11,4、影响金属凝固温度场的因素金属性质的影响,一、金属凝固的温度场,12,铸型性质的影响,一、金属凝固的温度场,13,浇注条件的影响,一、金属凝固的温度场,（1）浇注温度不超过液相线以上100；（2）砂型铸造增加过热程度，相当于提高铸件凝固时铸型温度，铸件断面温度梯度减小；（3）金属型铸造时，由于铸型导热

3、能力大，能够迅速传导出去，浇注温度影响不大。,铸件结构的影响,（1）铸件越厚，铸件断面温度梯度越小；（2）铸件凸面和外角部分的冷却速度比平面快，而铸件凹面和内角部分的冷却速度比平面慢。,14,二、金属的凝固方式,凝固区宽度决定金属的凝固方式,15,1、凝固动态曲线,二、金属的凝固方式,16,2、凝固区域及其结构,二、金属的凝固方式,宽凝固区域：,液固部分：液相占优，凝固的晶体处于悬浮状态而未连成一片，固相可以自由移动,其边界称为“倾出边界”。固液部分：固相占优，右边的晶体已连成骨架，但液体还能在其间移动，为“限制迁移带”；左边的已接近固相线温度，固相占绝大部分，骨架之间的少量液体被分割成互补沟

4、通的小“熔池”，为“显微迁移带”，两个带的边界称为“补缩边界”。,17,3、金属凝固方式及其影响因素,二、金属的凝固方式,金属的凝固方式,金属凝固方式一般分为三种：逐层凝固、体积凝固和中间凝固。（1）逐层凝固恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零，断面上的固体和液体由一条界线清晰地分开，随着温度的下降，固体层不断加厚，逐步到达铸件中心，此为“逐层凝固方式”纯铜、纯铝、低碳钢、灰铸铁等的凝固属于这种方式。,a）恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金b）结晶温度范围很窄或断面温度梯度很大,18,二、金属的凝固方式,（2）体积凝固如果合金的结晶温度范围很宽，或因铸件断面温度场较平坦

5、，铸件心部温度降至结晶开始温度，凝固区域甚至贯穿整个铸件断面，而表面温度高于固相温度，这种情况为“体积凝固方式”（或“糊状凝固方式”）。高碳钢、球墨铸铁等凝固属于这种方式。,a）结晶温度范围很宽b）铸件断面温度平坦,19,二、金属的凝固方式,（3）中间凝固如果合金的结晶范围较窄，或因铸件断面的温度梯度较大，凝固初期似逐层凝固凝固后期似糊状凝固，这种铸件断面上的凝固区域介于前两者之间时属于“中间凝固方式”。中碳钢、白口铸铁等的凝固属于这种方式。,a）结晶温度范围较窄b）铸件断面的温度梯度较大,20,3、金属凝固方式及其影响因素,二、金属的凝固方式,影响金属凝固方式的因素,以二元共晶相图为例说明,

6、1.逐层凝固,3.糊状凝固,2.中间凝固,合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固。,液,（1）合金的结晶温度范围,21,3、金属凝固方式及其影响因素,二、金属的凝固方式,影响金属凝固方式的因素,（2）铸件的温度梯度,在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄。,温度梯度很大的温度场，可以使宽结晶温度范围的合金按中间凝固方式凝固(如高碳钢在金属型中凝固)，甚至按逐层凝固方式凝固。很平坦的温度场，可以使窄结晶温度范围的合金按体积凝固方式凝固。所以，温度梯度是凝固方式的重要调节因素。,22,二

7、、金属的凝固方式,23,4、金属凝固方式对铸件质量的影响,二、金属的凝固方式,24,二、金属的凝固方式,25,二、金属的凝固方式,26,5、灰铸铁和球磨铸铁的凝固方式,二、金属的凝固方式,共同点：都有产生缩松的可能性。不同点：共晶凝固方式不同；石墨形态不同。,27,1、砂型铸造时铸件凝固时间平方根定律及Chvorinov法则,三、金属的凝固时间,凝固时间：指从液态金属充满型腔后至凝固完毕所需的额时间。,2、金属型铸造时铸件凝固时间牛顿换热公式及Chvorinov法则,28,1、铸件典型晶粒组织的形成及其影响因素,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,29,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,表层细晶

8、粒区的形成,形成原因影响因素晶核来源(1)过冷熔体中非均质生核型壁附近熔体内部的大量生核必要条件；(2)晶粒游离型壁晶粒脱落、枝晶熔断、晶粒增殖等抑制铸件形成稳定的凝固壳层充分条件。,30,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,内部柱状晶区的形成,形成原因,成长方向,31,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,内部柱状晶区的形成,影响因素,32,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,中心等轴晶区的形成,33,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,中心等轴晶区的形成,34,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,中心等轴晶区的形成,杰克逊：生长着的柱状晶在凝固界面前方的熔断、游离、增殖导致内部等轴晶晶核的形成。,35

9、,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,中心等轴晶区的形成,36,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,中心等轴晶区的形成,37,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,中心等轴晶区的形成,索辛：液面晶粒下雨似的沉积在柱状晶前方的液体中铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源；,38,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,中心等轴晶区的形成,形成过程,随着柱状晶的发展。散热已失去了方向性，已经成为晶核的小晶体在液体中可以自由生长，在各个方向上的长大速度几乎相等，于是长成等轴晶；当它们长到与柱状晶相遇时全部液体凝固完毕，从而形成明显的中心等轴晶区。,影响因素,（1）浇注温度提高，柱状晶区扩大，等轴晶区缩小；反之，浇注温

10、度降低，柱状晶区缩小，等轴晶区扩大。（2）溶质元素含量增加，柱状晶区宽度减小，等轴晶区相应扩大；反之，溶质元素含量减小，柱状晶区宽度扩大，等轴晶区相应减小；,39,2、铸件晶粒组织的控制,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,40,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,41,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,等轴晶组织的获得和细化,42,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,等轴晶组织的获得和细化,43,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,等轴晶组织的获得和细化,44,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,等轴晶组织的获得和细化,组织较粗大,晶粒细化,晶粒更细,45,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,等轴晶组织

11、的获得和细化,46,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,等轴晶组织的获得和细化,47,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,柱状晶组织的获得和定向凝固技术,柱状晶组织获得的条件：（1）保证液态合金的热量在型腔中沿单一方向散失，绝对避免在侧面形核和生长；（2）保证固-液界面前沿液相中有足够大的正温度梯度，并减小界面前沿液相中的成分过冷（关键）；（3）保证型腔中液态合金液面上不产生晶体，以防止其沉积形成等轴晶；（4）在熔炼过程中应采取措施防止液态合金氧化，以提高液态合金的纯洁性。,48,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,柱状晶组织的获得和定向凝固技术,49,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,柱状晶组织的

12、获得和定向凝固技术,50,3、凝固缺陷及其控制,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,51,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,偏析,52,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,偏析,微观偏析后果：降低合金力学性能和耐腐蚀性能。消除微观偏析的方法：细晶强化和均匀化退火。,胞状偏析：一个晶胞内出现的化学成分不均匀现象；枝晶偏析：一个晶粒内部出现的化学成分不均匀现象；晶界偏析：晶粒与晶粒之间的边界出现的化学成分不均匀的现象。,53,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,偏析,正偏析：铸件外层纯度高、溶质含量低，内部溶质含量高、杂质集中的区域偏析。,反偏析：外层溶质元素含量反而高于内层的含量的区域偏析。比重偏析：

13、由于先共晶相的上浮或下沉出现的化学成分不均匀现象。,54,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,气孔与非金属夹杂,55,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,气孔与非金属夹杂,56,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,气孔与非金属夹杂,4）合金液含有气体流动性降低,铝合金中的氢气孔,40Cr钢轴锻件纵向断口氢白点,57,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,气孔与非金属夹杂,58,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,气孔与非金属夹杂,6）尽量保证金属液平稳进入铸型以减少金属液产生氧化,59,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,气孔与非金属夹杂,60,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,气孔与非金属夹杂,夹杂物的危

14、害（1）缩小金属有效断面积，降低机械强度；（2）引起引力集中，降低热疲劳强度；（3）进入晶间孔隙，强度降低且引起热脆（如FeS）；（4）降低金属流动性；（5）使铸件报废。,61,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,气孔与非金属夹杂,62,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,缩孔与缩松,缩孔和缩松的危害：减少受力有效面积，产生引力集中，从而降低铸件机械性能、气密性能和物理化学性能。,实现顺序凝固的条件：（1）冒口内金属液的凝固时间大于铸件凝固时间；（2）冒口内应有足够的金属液补给铸件收缩；（3）凝固过程中始终有和冒口连通的补缩通道。,63,四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制,缩孔与缩松,64,春秋战国

15、时期，我国开始大量使用铁器（如浇铸农具用的铁模），随后出现了炼钢、锻造、钎焊和退火、淬火、正火、渗碳等热处理技术。一直到明朝，在这之前的2000多年间，我国钢铁的产量及金属材料成形工艺技术一直在世界上遥遥领先。近现代铸造技术落后于发达国家。,现代连铸连轧,古代铸造技术,五、铸造方法简介,65,五、铸造方法简介,66,五、铸造方法简介,1、砂型铸造,砂型铸造是将液态金属浇入砂型的铸造方法。砂型铸造是目前最常用、最基本的铸造方法。,型（芯）砂要具有“一强三性”，即一定的强度、透气性、耐火性和退让性。,67,五、铸造方法简介,68,砂箱造型一般过程,69,70,71,72,73,74,五、铸造方法简介,2、金属型铸造,金属型铸造是指在重力作用下将金属液浇注入金属铸型获得铸件的方法。铸型用金属制成，可以反复使用几百次到几千次。,75,五、铸造方法简介,3、熔模铸造,76,五、铸造方法简介,4、压力铸造,压力铸造是指熔融金属在高压下高速充型，并在压力下凝固的铸造方法。,77,五、铸造方法简介,5、低压铸造,78,五、铸造方法简介,6、离心铸造,离心铸造是指将金属液浇入绕着水平、倾斜