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金属凝固过程中的收缩现象

2013/1/3    作者:未知    来源:网络文摘    阅读:7641

  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:

金属凝固过程中的收缩现象

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。

金属凝固过程中的收缩现象

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)。

金属凝固过程中的收缩现象

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:

金属凝固过程中的收缩现象

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

液态金属注入铸型后,首先在表面形成硬壳,其中尚处于液态的金属在此外壳中冷却时,由于液态收缩合凝固收缩使体积缩小。如果所减小的体积得不到外来金属液的补充,则在铸件中形成集中于某处的或分散的孔洞——缩孔或缩松。因此,液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。εV+εV愈大,缩孔的容积就愈大。

有一些合金,在凝固过程中体积不但不收缩,反而膨胀,如某些Ga合金,Bi-Sb合金,故凝固收缩率为负值。

三、固态收缩(solid contraction)

金属的固态体收缩率用下式表示:

金属凝固过程中的收缩现象

式中: εV——金属的固态体收缩率;

αV——金属的固态体收缩系数;

tS——固相线温度;

t0——室温。

在固态收缩阶段,铸件各个方向上都表现出线尺寸的缩小。因此,这个阶段对铸件的形状和尺寸的精度影响最大。为方便起见,常用线收缩率表示固态收缩,即:

金属凝固过程中的收缩现象

式中: εl——金属的线收缩率;

αl——金属的固态线收缩系数。

金属的线收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的根本原因。

四、线收缩的开始温度

对于纯金属和共晶合金,线收缩是在金属完全凝固以后开始的。对于具有一定结晶温度范围的合金,当液态金属的温度稍低于液相线温度时,便开始结晶,但是,由于枝晶还比较少,不能形成连续的骨架,仍为液态收缩性质。当温度继续下降,如降至图8-2虚线所示温度时,枝晶数量增多,彼此相连构成连续的骨架,合金则开始表现为固态的性质,即开始线收缩。实验证明,此时合金中尚有20—45%的残留液体。

图8-2中的虚线为该合金的线收缩开始温度的连线,称为线收缩开始温度线。所以,对于有结晶温度范围的合金,其线收缩不是从完全凝固以后才开始,而是在结晶温度范围中的某一温度开始,这对于铸件中热裂的形成机理是个很重要的概念。

金属凝固过程中的收缩现象

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