金属凝固：机理、速率和过程 |铸造 |制造科学

在本文中，我们将讨论金属的凝固：- 1. 凝固机制 2. 凝固速率 3. 大型铸件在绝缘模具中的凝固 4. 具有主要界面电阻的凝固 5. 恒定铸造凝固表面温度 6. 在模具和凝固金属中以电阻为主的凝固。

内容：

1. 凝固机理
2. 凝固率
3. 大型铸件在绝缘模具中的固化
4. 具有主要界面电阻的固化
5. 在铸件表面温度恒定的情况下凝固
6. 在模具和凝固金属中具有主要阻力的凝固

1.固化机制：

纯金属：

在凝固开始之前，液体需要冷却到其冰点以下。这是因为需要能量来为新晶体创建表面。其他表面（颗粒）的存在降低了必要的过冷度，这些表面作为晶体生长的初始核。

当将液态金属倒入模具中时，最初（在图 2.14 中的时间 t0）处处的温度为 θ0。模具面本身充当晶体生长的核心，如果模具的导电性高，则在模具面附近会生长随机取向的小晶体。

随后，铸件内产生温度梯度，如图 2.14 所示的 t1 和 t2。随着凝固逐渐向内进行，长柱状晶体生长，其轴垂直于模具表面。从铸件强度的角度来看，这种晶体生长的取向是合乎需要的。

合金：

与纯金属不同，合金没有严格定义的凝固温度。合金的凝固发生在一定温度范围内。在此过程中，在不同温度下分离出的固体具有不同的组成。

由于这些事实，合金中晶体的生长方向取决于多种因素， 例如：

(i) 铸件内的成分梯度，

(ii) 固相线温度随成分的变化，以及

(iii) 模具内的热梯度。

我们将通过考虑固溶体合金的例子来讨论这些因素中的每一个，其相图如图 2.15 所示。

令液态合金的成分为 C0（A 中的 B）。此外，设 θf 是纯金属 A 的凝固点，θ0 和 θ’0 分别是成分为 C0 的合金的液相线和固相线温度。

随着液态合金冷却到温度 0O，固体开始析出。如图 2.15 所示，这些固体中 B 的浓度仅为 C1(

现在，让我们考虑液态合金内的两个点 P 和 Q，P 刚好超出固液界面，如图 2.16 所示。对应于 P 和 Q 处的成分的固相线温度分别为 θ’P 和 θ’Q（见图 2.15）。设 θP 和 θQ 分别是点 P 和 Q 处的实际温度。由于铸件内的热梯度，θQ 大于 θP（见图 2.14）。如果 θa 和 θP 都在 θ’P 到 θ’Q 的范围内，那么 Q 处的液体是过冷的，而 P 处的液体则不是。这意味着结晶在 Q 处开始比在 P 处更早。如果这种差异非常显着，则晶体从模具表面开始的柱状生长就会受到阻碍。这种情况下的晶体生长可能如图 2.17 所示。因此，一个树突

因此，产生树枝状结构。如果 Q 处的结晶在 P 处开始之前完成（由于非常小的热梯度，具有非常大的浓度差和非常倾斜的固线），则铸件内部可能会出现随机取向的晶体。此外，在固液界面之前存在固体晶体使得液态金属的进料更加困难。这也意味着铸件内出现空隙的风险更大，通常称为中心线收缩。

避免上述问题的一种补救措施是通过在模具末端提供冷却（具有高导热性的冷却金属块）在模具内产生大的热梯度。如果 θP 远低于 6q，则 P 和 Q 处的过冷度没有显着差异，并且确保了固液界面的逐渐发展。对于液相线和固相线之间的温差很小的合金来说，这个问题显然不那么严重。

冷冻模具和普通模具的冷冻模式如图 2.18 所示。在图 2.18a 中，凝固在模具中心线开始，甚至在模具表面凝固完成之前。另一方面，在冷硬模具中（图 2.18b），由于快速排热，狭窄的液固区迅速扫过熔融金属。

在模具中喂料给定合金的难度用一个数量表示，称为中心线喂料阻力 (CFR)。它被定义为——

2.凝固率：

液态金属储存器，称为冒口，用于补偿从浇注温度到凝固所发生的收缩。在这方面，灰铸铁是一个有趣的例外，其中凝固发生在两个阶段。

与第一阶段相关的收缩可以很好地通过第二阶段期间发生的膨胀来补偿，因此，冒口可能不是必需的。为了确保冒口在铸件之前不凝固，我们应该对铸件凝固所花费的时间有所了解。

此外，如果可以估算出铸件凝固到距模具表面一定距离所需的时间，则可以明智地选择冒口的放置（位置）。

液态金属排出的热量通过模具壁散发。由于液态金属冷却和凝固而释放的热量会穿过不同的层。在任何时刻，这些层中的温度分布示意性地显示在图 2.19 中。

控制整个凝固过程的热阻是液体、凝固金属、金属-模具界面、模具和环境空气的热阻。这五个不同的区域由图 2.19 中的数字 1 到 5 表示。凝固过程非常复杂，特别是当考虑到复杂的几何形状、合金的冻结或热性能的温度依赖性时。

在接下来的内容中，我们将讨论在一些具有实际意义的情况下纯金属的凝固。这样做时，我们将根据情况做出简化假设，忽略图 2.19 中所示的一个或多个区域的热阻。

3. 大型铸件在绝缘模具中的凝固：

在绝缘模具中凝固大型铸件的过程中，例如在砂型或熔模铸造中使用的铸件，几乎整个热阻都由模具提供。因此，我们给出的分析通过仅考虑区域 2 的热阻来计算冻结时间（图 2.19）。

考虑图 2.20 所示的模具面 AB。大模具，最初在温度 θ0 下，假设在 x 方向上延伸到无穷远。

在时间 t =0 时，将温度为 θp 的液态金属倒入模具中。我们还假设刚与模具表面接触的金属会立即凝固。换句话说，模具表面的温度在 t=0 时升高到 θf（金属的凝固温度），并在凝固完成时保持在该值。对于这种情况，在随后的时间 t（假设 x 方向上的一维热传导）时，till 内的温度分布由

给出

需要注意的是，上述分析假设了平面金属-模具界面 AB，在工程实践中通常不会遇到。通常，我们需要找出复杂轮廓的冻结时间。

对于这样的轮廓，我们需要做的就是观察（无需任何精确计算）以下基本特征，以了解我们给出的分析是低估还是高估了实际冻结时间。为了观察这些特征，我们考虑了三种类型的金属-模具界面（见图 2.21），即（i）凸面，（ii）平面（用于我们的分析）和（iii）凹面。

在图 2.21a 中，热流更加发散，因此速率比图 2.21b 中的略高。因此，上述分析高估了这种情况下的冻结时间。类似地，在图 2.21c 中，热流更加收敛，因此速率略小于图 2.21b。因此，我们给出的分析低估了这种情况下的冻结时间。

对于一些基本形状，可以得到铸模界面对凝固时间影响的定量结果。在给出这些结果之前，我们先定义两个无量纲参数，即——

4. 界面电阻占优势的凝固：

在一些常见的铸造工艺中，热流受到模具-金属界面热阻的显着控制。这些工艺包括永久模具铸造和压铸。

只有当模具与金属的接触非常紧密以至于发生完美润湿时，才会出现无接触电阻的情况，即铸件被焊接到模具表面。在这种情况下，假设没有过热，温度分布如图 2.23 所示。我们再次考虑一维热流问题。

公式 (2.44) 有助于估计在重型金属模具中铸造的小型薄截面零件的凝固时间，如用于模具或永久模具铸造。

在此阶段可能会注意到，除了我们讨论的界面电阻之外，砂模中的凝固过程与冷硬或金属模具中的凝固过程之间存在显着差异。

我们在这里给出了后者与前者不同的两个重要方面：

(i) 凝固金属的导热性可以提供相当大的热阻，如图 2.19 的区域 4 所示。因此，铸件的表面温度 (θs) 比凝固温度 θf 低得多。

(ii) 由于过冷的凝固金属，必须去除比考虑的更多的总热量。因此，凝固金属的热容量在凝固速率中也起着重要作用。

5. 铸件表面温度恒定的凝固：

如果在由金属（例如铜）制成的薄水冷铸模中生产大型板坯铸件（例如钢），该铸模的导电率比凝固铸件高得多，则热阻由凝固的金属本身很重要。在这种情况下，主要的热阻由区域 4 提供（见图 2.19）。

忽略所有其他区域的热阻，任何时刻的温度分布呈图 2.24 所示的形状。在这里，可以假设模具-金属界面（或铸件表面）温度 θS 保持恒定在其初始值 θ0，而 θf 表示金属的凝固温度，这也被视为浇注温度。

在任何时刻 t，δ(t) 表示凝固深度。该过程可以被理想化为一维的，没有太大的误差。因此，凝固时间 ts 由 δ(ts) =h/2 获得，其中 h 是铸造板坯的厚度。 0 给出

此分析仅在初始凝固阶段 (0.5-1 cm) 结束后有效。其他形状的凝固时间的类似结果可以从现有文献中找到。

6. 模具和凝固金属中电阻占优势的凝固：

铜模很厚，不是水冷的。然后，不能再假设模具金属界面温度 θS 保持在其初始值 θ0。仍然假定为常数的 θS 值由模具和凝固金属的热性能决定。

而且，在凝固的初始阶段之后，界面电阻也变得可以忽略不计。因此，唯一显着的热阻是由区域 2 和 4（图 2.19）提供的，并且任何时刻的最终温度分布如图 2.25 所示。假设模具为负x方向的半无限介质，则模具内的温度分布为

现在，方程（2.62）中的左边和 ɸ 是已知的；因此，可以通过图形或反复试验确定 ζ。在前一种方法中，ζe ^ζ2 的图 [erf (ζ) + ɸ] 与 ζ 的关系应针对给定的 ɸ 值绘制，然后可以用方程 (2.62) 左侧的已知值求解 ζ。一旦 ζ 已知，凝固深度可以从方程 (2.47) 和凝固时间从方程 (2.52) 计算出来。为了使这种铸造可行，应确保 θS 小于模具金属的熔点。