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鑄鐵的凝固冷卻過程的變化

日期:2021-11-16    瀏覽次數:    

理解清楚鐵液凝固期間的動態是非常重要的,特別是由于溫度而產生的比容的進展。

      1.冷卻曲線

     (1)體積與溫度的關系(見圖 1) 其中 TL、Ts和 Te可以通過化學成分計算出。

對于非合金鐵:




注:TPL,VPL-澆注開始(澆包)的溫度與體積; 

Tc,VC-澆注后的鑄件(型內)的溫度與體積; 

TL,   VL一液相線點的溫度與體積;

Tu,VL1-是液態金屬凝固形成凝固殼時的體積和溫度;

TL2,VL2-最低體積點(是石墨開始析出時)的體積和溫度;

TL3,VL3一最高膨脹點(是石墨析出終止時)的體積和溫度,此時的體積等于 Ts,Vs一固相線點(金屬完全凝固時)的體積和溫度。


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

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


對于低合金球鐵有:

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

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


        開始澆注時,澆包中的鐵液有 TpL溫度和 VpL的體積。在澆注最后,溫度降到 Tc,并且體積降至Vc。這種溫度下降是由于(澆注流)與空氣接觸,在澆口盆中的親流,以及填充冷的“澆注系統”(直澆道、橫澆道和內澆口)和填充玲的型腔造成。另外溫度下降還取決于鑄件形狀和造型材料類型。由于采用這種冷卻方式,我們應通過澆注過程中鐵液的填充來補充鑄件體積上的減小。

      第二個階段是溫度從Tc降至TL期間鑄件體積的減少是(1.5%~1.6%)/100℃ 

此現象被叫“液體收縮”。這種體積減小由澆注系統或冒口補縮。因此把溫差范圍(Tc-TL)保持較小是 非常重要的。

       第三個重要的階段是溫度從 TL(體積VL)到T2(體積 VL2),這個階段材料的比容持續減小。這是“主要收縮”的階段。 

       第四個階段是溫度從 TL2(體積VL2)到TL3(體積 VL3)。在 TL3時鑄件的膨脹是較大的,并且從這時開始膨脹下降。此階段的第一種情況是這個階段的膨脹可以部分或全部補償前一階段的體積收縮(初次收縮),前提條件是這個階段液態鐵液不能溢出型殼;此階段的第二種情況是鑄型非常結實,可以抵住膨脹的壓強,這個壓強非常高,在圖2中可以看到。

 第五個階段是溫度從 TL3(體積 VL3)到 Ts(體積 Vs),并在溫度為 Ts時材料完全凝固。在此期間,鑄件體積有些減少,這種現象叫“次級收縮”。冒口不能補縮這時的體積減小。但在前一個階段強壓力作用下的鐵液也可以補償這時的收縮。體積減小是非常小的,如果冶金質量高,且收縮分散在較大體積里,則結果非常好(幾乎是顯微縮孔)。 

       總的收縮量依賴于冶金質量和截面厚度,可以達到2%~5%。對于冶金質量高的時候即金屬幾乎為共晶化學成分和大的截面(壁厚>50mm)的時候, 總收縮量可以達到 0%~2%。

       (2)溫度與時間的關系(見 3)

       在冷卻期間,鐵液與造型材料接觸的表層形成第一個凝固的薄層,表層凝固層內金屬屬于枝晶凝固。相比于球鐵,灰鑄鐵的表層凝固層比較厚,然后成為共晶凝固。一般希望枝晶區越小越好,因為枝晶區會減小鐵液補縮的距離。根據冶金質量,會有如圖 4-1~圖 4-2 所示的結果。



       (3)冶金質量對冷卻曲線的影響

        冶金質量對冷卻的影響很大。如果核心量很低(低質量鐵液及孕育不足),會冷卻到很低的溫度,如圖 5 中的 C 線。C 金屬在初次收縮階段收縮量很大,冒口必須輸送大量的鐵液。初次收縮階段之后,依據核心的量將會產生鑄型難以抵擋的壓力,型腔變大,型壁的移動會產生額外的收縮。鑄件的模數越大,表面凝固層就越小,這種現象就越嚴重。

       由于低冶金質量,共晶單元較少,鐵液補縮距離減少很多,尤其是平行補縮長度會減少很多。如果鐵液沒有足夠高的靜壓力,冒口就很難通過枝晶網進行補縮,這種效果對于薄壁鑄件是非常明顯的。

       2.鑄鐵的凝固機理

       不同的鑄鐵有不同的凝固機理(見圖6),球鐵的枝晶生長從表面層開始。這是凝固過程中補縮的最差情況。所有枝晶間的區域變得獨立,并且難以補縮它們之間的凝固收縮。片狀石墨鑄鐵是共晶凝固,共晶凝固過程趨于逐層凝固,這是凝固過程中補縮的較好情況。蠕墨鑄鐵的凝固非常接近灰鑄鐵的凝固。

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