铸件形成理论重要知识点

铸件形成理论重要知识点第一章液态金属的结构和性质1.金属的加热膨胀：原子间距离将随温度的升高而增加，即产生热膨胀。由于能量起伏，一些原子则可能越过势垒跑到原子之间的间隙中或金属表面，原子离开点阵后，留下了自由点阵——空穴。因此，除原子间距增大造成膨胀之外，空穴的产生也是物体膨胀的原因之一。2.金属的熔化：把金属加热到熔点附近时，离位原子数大为增加。在外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒间的相对流动，称为晶界粘滞流动。晶粒内部，也有相当数量的原子频频跳跃、离位，空穴数大为增加。接近熔点时，晶界上的原子则可能脱离原晶粒表面，向邻近晶粒跳跃，晶粒逐渐失去固定形状。将金属加热至熔点时，金属体积突然膨胀3~5%，等于固态金属从热力学温度零度加热到熔点前的总膨胀量。金属的其它性质如电阻、粘性等发生突变，吸收大量热能——熔化潜热，而金属的温度不升高。3.理想金属的液态结构特点金属熔化后，以及在熔点以上不高的温度范围内，液体状态的结构有以下特点：1、原子排列在较小距离内仍具有一定规律性，且其平均原子间距增加不大。2、金属液体由许多原子集团所组成，在原子集团内保持固体的排列特征，而在原子集团之间的结合处则受到很大破坏（近程有序排列）。3、原子集团存在能量起伏和结构起伏。4、原子集团间距较大，比较松散，犹如存在空穴。空穴与原子集团一起不停地“游动”。5、原子集团的平均尺寸、游动速度都与温度有关，温度越高，则原子集团的平均尺寸越小，游动速度越快。概括起来：接近熔点的液态金属由许多游动的原子集团和空穴组成，原子集团中原子呈规则排列，结构与原固体相似，但存在能量起伏和结构起伏。4.实际金属的液态结构实际金属中总存在大量杂质和溶质原子，所以其液态除了存在能量起伏和结构起伏以外，还存在浓度起伏。实际液态金属在微观上是由存在能量起伏、结构起伏和成分起伏的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成的混浊液体；从化学键上看，除了基体金属与其合金元素组成的金属键之外，还存在其他多种类型的化学键。5.影响粘度的因素(1)温度：温度不太高时，T升高，η值下降。温度很高时，T升高，η值升高。(2)化学成分：表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高。(3)非金属夹杂物：非金属夹杂物使粘度增加。6.粘度对铸坯质量的影响(1)对液态金属流动状态的影响：粘度对铸件轮廓的清晰程度有影响，为降低液体的粘度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。凝固收缩形成压力差而造成的自然对流直接影响到铸件的质量，如热裂、缩孔、缩松的形成倾向。(2)对液态金属对流的影响：运动粘度越大，对流强度越小。铸坯的宏观偏析主要受对流的影响。(3)对液态金属净化的影响：粘度越大，夹杂物上浮速度越小，越容易滞留在铸坯中形成夹杂、气孔。7.影响表面张力的因素1）熔点：高熔点的物质，其原子间结合力大，其表面张力也大。2）温度：大多数金属和合金，温度升高，表面张力降低。3）溶质：向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使表面内能和表面张力降低。8.表面张力对铸坯质量的影响1）界面张力与润湿角：液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小，形核率越高。液态杂质与金属晶体之间的润湿性将影响杂质形态。2）表面张力引起的附加压力：附加压力提高金属液中气体析出的阻力，易产生气孔。影响金属液与铸型的相互作用。附加压力为正值时（不润湿），铸坯表面光滑，但充型能力较差，必须附加一个静压头。附加压力为负值时（润湿），金属液能很好地充满铸型型腔，但是容易与铸型粘结（粘砂），阻碍收缩，甚至产生裂纹。9.概念能量起伏：金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏”结构起伏：液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态，时而长大时而变小，时而产生时而消失，此起彼落，犹如在不停顿地游动。这种结构的瞬息变化称为结构起伏。近程有序排列：金属液体则由许多原子集团所组成，在原子集团内保持固体的排列特征，而在原子集团之间的结合处则受到很大破坏。这种仅在原子集团内的有序排列称为近程有序排列。浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。这种成分的不均匀性称为浓度起伏。粘滞性：在流体力学中有两个概念，一个是动力粘度，另一个是运动粘度。表面张力：液态金属表面层的质点受到一个指向液体内部的力，物体倾向于减小其表面积，这相当于在液态金属表面有一个平行于表面且各向大小相等的张力，这个张力就是表面张力。第二章液态金属的充型能力1.充型能力与流动性的联系与区别：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。即液态金属充填铸型的能力。充型能力与金属液本身的流动能力及铸型性质等因素有关。是设计浇注系统的重要依据之一。流动性：液态金属本身流动的能力。流动性与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。充型能力与流动性的关系：充型能力是外因（铸型性质、浇注条件、铸件结构）和内因（流动性）的共同结果。外因一定时，流动性就是充型能力。充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。2.液态金属的停止流动机理纯金属、共晶合金、窄结晶温度范围合金：型壁处凝固结壳，柱状晶相接触，通道中心合并，流动停止合金的结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端出现较少的固相量，通道阻塞，亦即在相对较短的时间内，液态金属便停止流动。纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金有良好的流动性，降低了凝固成形中冷隔、热裂、缩松等缺陷的产生。反之，宽结晶温度范围合金由于流动性差，往往会有较多的缺陷产生。3.影响液态金属充型能力因素和提高措施：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，而改变金属液的流动时间；影响金属液在铸型中的水力学条件，而改变金属液的流速。（一）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。铸型阻力影响金属液的充填速度；铸型与金属的热交换条件影响金属液保持流动的时间。1、合金成分合金的流动性与化学成分之间存在着一定的规律性。在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物的地方出现最大值，而有结晶温度范围的地方流动性下降，且在最大结晶温度范围附近出现最小值。合金成分对流动性的影响，主要是成分不同时，合金的结晶特点不同造成的。降低合金熔点的元素容易提高金属过热度，从而提高合金流动时间，提高流动性。合金净化后流动性提高，合金成分中凡能形成高熔点夹杂物的元素均会降低合金的流动性。2、结晶潜热结晶潜热越高，凝固进行得越缓慢，流动性越好。3、金属的比热容、密度和导热系数金属的比热容、密度较大的合金，本身含热量较多，在相同过热度下，保持液态时间长，流动性好。导热系数小的合金，热量散失慢，保持流动时间长。金属中加入合金元素后，一般会降低导热系数。4、液态金属的粘度合金液的粘度，在充型过程前期（属紊流）对流动性的影响较小，而在充型过程后期凝固中（属层流）对流动性影响较大。5、表面张力表面张力影响金属液与铸型的相互作用。造型材料一般不被液态金属润湿，即θ90o，故液态金属在铸型细薄部分的液面是凸起的，而由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、铸件的细薄部分和棱角的成形有影响，型腔越细薄、棱角的曲率半径越小，表面张力的影响越大。为克服由表面张力引起的附加压力，必须附加一个静压头。综上所述，为了提高液态金属的充型能力，在金属方面可采取以下措施：1、正确选择合金的成分在不影响铸件使用性能的条件下，尽量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。2、合理的熔炼工艺选择清洁的原材料；减少与有害气体的接触；充分脱氧精炼去气，减少气体、夹杂。高温出炉，低温浇注。高温出炉能使难熔固体质点熔化，未熔质点和气体在静置阶段上浮净化。提高流动性。（二）铸型性质方面1、铸型的蓄热系数：铸型的蓄热系数越大，激冷能力越强，金属液保持液态的时间就越短，充型能力下降。如液态合金在金属型中的流动性比在砂型中差；金属型铸造时使用涂料可减缓冷却。2、铸型温度：预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而增长液体保持时间，提高充型能力。3、铸型中的气体：铸型有一定的发气能力，形成的气膜可减小流动的摩擦阻力。但发气量过大时，充型反压力增大，充型能力下降。减小铸型中气体反压力的途径：减小砂型发气量，如控制型砂含水量和发气物质含量；提高砂型透气性，增加排气能力，如在砂型上扎通气孔或设置通气冒口。（三）浇注条件方面1、浇注温度浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热量多，保持液态的时间长，充型能力强。但超过某一温度界限，氧化吸气严重，充型能力提高不明显。2、充型压头液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大,充型能力越强。可增加静压头，或采用其他外加压力，如压铸、低压铸造、真空吸铸等。3、浇注系统的结构浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差。在设计浇注系统时，必须合理布置内浇道在铸件上的位置，选择恰当的浇注系统结构和各组元的断面积。（四）铸件结构方面衡量铸件结构特点的因素是铸件的折算厚度和复杂程度。1、折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或模数,是铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填；大平面铸件不易成形。对薄壁铸件应正确选择浇注位置。2、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，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。研究铸件温度场的方法有：数学解析法、数值模拟法和实测法等。第三章铸件的凝固1.研究铸件温度场的方法：数学解析法、数值模拟法和实测法等。2.凝固：合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶或凝固。3.研究温度场的意义：根据铸件温度场随时间的变化，能够预计铸件凝固过程中其断面上各个时刻的凝固区域大小及变化，凝固前沿向中心的推进速度，缩孔和缩松的位置，凝固时间等重要问题，为正确设计浇注系统、设置冒口、冷铁，以及采取其他工艺措施提供可靠依据，对于消除铸造缺陷，获得健全铸件，改善铸件组织和性能有重要意义。4.凝固方式及其影响因素一般将金属的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、体积凝固方式（或称糊状凝固方式）和中间凝固方式。在凝固过程中铸件断面上的凝固区域宽度为零，固体和液体由一条界线（凝固前沿）清楚地分开。随着温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心。这种情况为逐层凝固方式。铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域几乎贯穿整个铸件断面时，则在凝固区域里既有已结晶的晶体，也有未凝固的液体，这种情况为体积凝固方式或称糊状凝固方式。铸件断面上的凝固区域宽度介于前两者之间时，称中间凝固方式。凝固方式取决与凝固区域的宽度，而凝固区域的宽度取决于合金的结晶温度范围和冷却强度（温度梯度）。结晶温度范围越宽，温度梯度越小，越倾向于体积凝固方式。5.金属凝固方式与铸件质量的关系逐层方式凝固，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。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。体积凝固方式：凝固区域宽，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。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