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铸铁的凝固冷却过程的变化

日期:2021-11-16    浏览次数:    

理解清楚铁液凝固期间的动态是非常重要的,特别是由于温度而产生的比容的进展。

      1.冷却曲线

     (1)体积与温度的关系(见图 1) 其中 TL、Ts和 Te可以通过化学成分计算出。

对于非合金铁:




注:TPL,VPL-浇注开始(浇包)的温度与体积; 

Tc,VC-浇注后的铸件(型内)的温度与体积; 

TL,   VL一液相线点的温度与体积;

Tu,VL1-是液态金属凝固形成凝固壳时的体积和温度;

TL2,VL2-最低体积点(是石墨开始析出时)的体积和温度;

TL3,VL3一最高膨胀点(是石墨析出终止时)的体积和温度,此时的体积等于 Ts,Vs一固相线点(金属完全凝固时)的体积和温度。


         TL=1650℃-124.5w(C)-26.7w(Si)+2.45w(P)

     Ts=1104℃+9.8w(C)-12.1w(Si)+2.45w(P)


对于低合金球铁有:

     TL-1599℃-107w(C)-26.6w(Si)-61.4w(P)-

     21.7w(Cr)+9.7w(Mn)+7.6w(S)+0.5w(Ni)


        开始浇注时,浇包中的铁液有 TpL温度和 VpL的体积。在浇注最后,温度降到 Tc,并且体积降至Vc。这种温度下降是由于(浇注流)与空气接触,在浇口盆中的亲流,以及填充冷的“浇注系统”(直浇道、横浇道和内浇口)和填充玲的型腔造成。另外温度下降还取决于铸件形状和造型材料类型。由于采用这种冷却方式,我们应通过浇注过程中铁液的填充来补充铸件体积上的减小。

      第二个阶段是温度从Tc降至TL期间铸件体积的减少是(1.5%~1.6%)/100℃ 

此现象被叫“液体收缩”。这种体积减小由浇注系统或冒口补缩。因此把温差范围(Tc-TL)保持较小是 非常重要的。

       第三个重要的阶段是温度从 TL(体积VL)到T2(体积 VL2),这个阶段材料的比容持续减小。这是“主要收缩”的阶段。 

       第四个阶段是温度从 TL2(体积VL2)到TL3(体积 VL3)。在 TL3时铸件的膨胀是较大的,并且从这时开始膨胀下降。此阶段的第一种情况是这个阶段的膨胀可以部分或全部补偿前一阶段的体积收缩(初次收缩),前提条件是这个阶段液态铁液不能溢出型壳;此阶段的第二种情况是铸型非常结实,可以抵住膨胀的压强,这个压强非常高,在图2中可以看到。

 第五个阶段是温度从 TL3(体积 VL3)到 Ts(体积 Vs),并在温度为 Ts时材料完全凝固。在此期间,铸件体积有些减少,这种现象叫“次级收缩”。冒口不能补缩这时的体积减小。但在前一个阶段强压力作用下的铁液也可以补偿这时的收缩。体积减小是非常小的,如果冶金质量高,且收缩分散在较大体积里,则结果非常好(几乎是显微缩孔)。 

       总的收缩量依赖于冶金质量和截面厚度,可以达到2%~5%。对于冶金质量高的时候即金属几乎为共晶化学成分和大的截面(壁厚>50mm)的时候, 总收缩量可以达到 0%~2%。

       (2)温度与时间的关系(见 3)

       在冷却期间,铁液与造型材料接触的表层形成第一个凝固的薄层,表层凝固层内金属属于枝晶凝固。相比于球铁,灰铸铁的表层凝固层比较厚,然后成为共晶凝固。一般希望枝晶区越小越好,因为枝晶区会减小铁液补缩的距离。根据冶金质量,会有如图 4-1~图 4-2 所示的结果。



       (3)冶金质量对冷却曲线的影响

        冶金质量对冷却的影响很大。如果核心量很低(低质量铁液及孕育不足),会冷却到很低的温度,如图 5 中的 C 线。C 金属在初次收缩阶段收缩量很大,冒口必须输送大量的铁液。初次收缩阶段之后,依据核心的量将会产生铸型难以抵挡的压力,型腔变大,型壁的移动会产生额外的收缩。铸件的模数越大,表面凝固层就越小,这种现象就越严重。

       由于低冶金质量,共晶单元较少,铁液补缩距离减少很多,尤其是平行补缩长度会减少很多。如果铁液没有足够高的静压力,冒口就很难通过枝晶网进行补缩,这种效果对于薄壁铸件是非常明显的。

       2.铸铁的凝固机理

       不同的铸铁有不同的凝固机理(见图6),球铁的枝晶生长从表面层开始。这是凝固过程中补缩的最差情况。所有枝晶间的区域变得独立,并且难以补缩它们之间的凝固收缩。片状石墨铸铁是共晶凝固,共晶凝固过程趋于逐层凝固,这是凝固过程中补缩的较好情况。蠕墨铸铁的凝固非常接近灰铸铁的凝固。

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