（一）凝固方式
铸件断面的凝固方式（有时称凝固特性）一般可分为三种类型：逐层凝固（或称层状凝固）、糊状凝固和中间凝固方式。
铸件断面的凝固方式是由凝固区域宽度和各个区域的进展情况决定的。
图7-10是逐层凝固方式示意图。图中T s是固相线温度，ΔT C是结晶温度范围。T 1、T 2和T 3是断面上不同时刻（τ1、τ2、τ3）的温度场，其中τ3是断面上液相区消失的时刻。δT是某时刻断面上的温差，δT大，一般温度梯度亦大；与τ1、τ2、τ3对应的温度差为δT 1、δT 2、δT 3。
图7-10 逐层凝固方式示意图
（a）ΔT C=0，δT＞ΔT C；（b）ΔT C窄，但δT＞ΔT C
图7-10（a）是恒温下凝固的纯金属或共晶成分的二元合金的凝固过程。可以看到，在凝固过程中不存在凝固区域，固体与液体由同一界面（称为凝固前沿）清楚地分开。随着时间的延长，温度不断下降，凝固层不断加厚，直至铸件中心。这样自表面向中心逐层地凝固称为“逐层凝固方式”。
图7-10（b）是窄结晶温度范围的合金，在δT＞ΔT C条件下的凝固过程。与纯金属的凝固过程基本相同，也是固体壳自表面向中心逐渐加厚，所不同的是有一个较窄的凝固区域。这种条件下的凝固也属于逐层凝固方式。
图7-11是糊状凝固方式示意图。图7-11（a）是窄结晶温度范围合金，在δT＜ΔТC条件下的凝固过程。图7-11（b）是宽结晶温度范围合金，在δT＜ΔT C条件下的凝固过程。这两种条件下的凝固过程有一个特殊现象：在液相区消失之前（即τ3之前），铸件表面不结壳，而凝固区域则不断增厚直至占据整个断面，自τ3之后，才在表面开始结壳，此后，壳不断增厚直至凝固终了。这种凝固方式称为“糊状凝固”。有些文献谓之“浆状凝固”、“粥状凝固”、“体积凝固”等。
在逐层凝固与糊状凝固之间并无一个明显的界限。在很多情况下，可以看到介于两者之间的中间形式，即在凝固初期类似逐层凝固，但凝固区域较宽，并迅速扩展至中心。图7-12是中间凝固方式示意图。图7-12（a）是“中等”结晶温度范围的合金，在断面温度差较大（且δT＞ΔT C）条件下的凝固过程。图7-12（b）是宽结晶温度范围的合金，在断面温度差很大（且δT＞ΔT C）条件下的凝固过程。
图7-11 糊状凝固方式示意图
（a）ΔT C窄，δT极小且δT＜ΔT C；（b）ΔT C宽，δT较大，但δT＜ΔT C
图7-12 中间凝固方式示意图
（a）ΔT C中等，δТ较大且δT＞ΔT C；
（b）ΔT C宽，δT很大且δT＞δT C
凝固方式也可以直接从凝固动态曲线上判断：凝固开始线和凝固终了线如果重合在一起则是纯金属（或共晶成分的二元合金）的逐层凝固；这两条线如果靠得很近，则是逐层凝固；这两条线如果离得很远，且满足铸件断面中心线处已开始凝固而表面尚未结壳的条件，则是糊状凝固，中间凝固方式则介于上述两者之间。
显然，逐层凝固和糊状凝固是凝固方式的两个极端情况。
铸件断面的凝固方式除按前述分法外，还可以依结晶过程中关于外生生长和内生生长的概念进行分类。
图7-13 凝固方式示意图（五种分类）
外生式：（a）平滑壁凝固；（b）粗糙壁凝固；（c）海绵状凝固；内生式：（d）糊状凝固；（e）壳状凝固
外生凝固方式的特点是：首先在型壁处开始结晶，晶体向熔液中心生长。当固—液界面（即凝固前沿）为理想的平界面条件下，称为平滑壁（光滑界面）凝固。[见图7-13（a）]。当固—液界面以树枝状生长，其界面呈锯齿状情况下，称为粗糙壁（界面）凝固[见图7-13（b）]。当树枝结晶强烈分枝，在熔液中形成网状并贯穿铸件整个断面情况下，称为海绵状（网状）凝固[见图7-13（c）]。
内生凝固方式的特点是：结晶在熔液内部进行。当几乎同时形核又以同样快的速度生长时，形成由固体和液体组成的糊状混合物，故称为糊状凝固[见图7-13（d）]。如果铸件表面层的凝固比熔液内部早开始或先结束，那么在内生凝固条件下也可能形成固体壳，故称为壳状凝固[见图7-13（e）]。在三种外生的和两种内生的凝固方式之间，甚至在内生和外生凝固方式之间，都有过渡形式。
对比上述两种分法，可以看出：平滑壁凝固和粗糙壁凝固相当于前一种分法中的逐层凝固；海绵状凝固和糊状凝固相当于前一种分法中的糊状凝固；壳状凝固则相当于前一种分法中的中间凝固方式。
（二）影响凝固方式的因素
综上所述，铸件的凝固方式是由合金的结晶温度范围ΔT C和铸件断面上的温度差δT的比值确定；ΔT C＜δT时，铸件的凝固倾向于逐层凝固；ΔT C＞δT时，倾向于糊状凝固。也可以认为：凝固区域较窄的情况下，倾向于逐层凝固；凝固区域较宽的情况下，倾向于糊状凝固。
铸件断面凝固区域的宽度是由合金结晶温度范围和断面上温度差决定的。
1.合金结晶温度范围
在铸件断面温度差相近情况下，凝固区域宽度随合金结晶温度范围增大而加大。合金结晶温度范围见表7-3。
表7-3 铸造合金的结晶温度范围分类(www.xing528.com)
注 T L——液相线温度；T S——固相线温度；ΔT C=T L-T S。
2.断面温度差（温度梯度）
在合金结晶温度范围既定情况下，凝固区域宽度随温度差（梯度）增大而减小。
凡是影响温度差（梯度）的因素都对凝固区域宽度起作用。其中主要因素为合金热扩散率、铸型蓄热系数和金属凝固温度（或合金的液相线温度）。合金热扩散率大、铸型蓄热系数小、金属凝固温度低，都使温度梯度减小（温度分布曲线平坦化），导致凝固区域加宽。
凝固区域宽度决定于合金结晶温度范围、合金热扩散率、铸型蓄热系数和合金液相线温度的综合影响。
下面举例说明上述因素的作用。
图7-14是碳的质量分数不同的三种碳钢在砂型和金属型中铸造所测得的凝固动态曲线及相应的凝固过程示意图。
铸件尺寸为178mm×178mm×533mm，立浇，顶部放置大冒口以防铸件产生缩孔。
碳钢的结晶温度范围随碳的质量分数增加而扩大，图7-14中碳（C）的质量分数不同的碳钢的结晶温度范围如下：
低碳铸钢（w C=0.05%～0.10%）ΔT C=22℃
中碳铸钢（w C=0.25%～0.30%）ΔT C=42℃
高碳铸钢（w C=0.55%～0.60%）ΔT C=70℃
碳钢的液相线温度随含碳量增加而降低，w C=0.05%、w C=0.25%和w C=0.55%碳钢的液相线温度分别为1534℃、1519℃及1493℃。
碳钢的热扩散率（α=λ/cρ）主要决定于热导率，热导率随碳的质量分数增加而减小。
可以看出，凝固方式主要决定于结晶温度范围和铸型蓄热系数。
图7-14 碳（C）的质量分数不同的碳钢的凝固动态曲线及凝固过程示意图
（a）低碳铸钢；（b）中碳铸钢；（c）高碳铸钢
注：上面为凝固动态曲线。砂型——实线；金属型——虚线
在砂型铸造条件下，由于铸型蓄热系数小，因而温度梯度很小（温度分布曲线较平坦），结晶温度范围对凝固区域宽度的影响甚为明显。因此，低碳铸钢为逐层凝固，高碳铸钢为糊状凝固，而中碳铸钢为中间凝固方式。在金属型铸造条件下，由于金属型蓄热系数远比砂型大，铸件断面温度梯度很大，以致结晶温度范围对凝固区域宽度的影响不明显，因此，碳的质量分数不同的三种碳钢都属于逐层凝固（其中高碳铸钢亦可视为偏近逐层凝固的中间凝固方式）。
图7-15是锡青铜（w Sn=10%、w Zn=2%）和黄铜（w Zn=40%）在砂型和金属型中铸造时的凝固动态曲线。
锡青铜的结晶温度范围（ΔT C=161℃）远大于黄铜（ΔT C≈12℃），锡青铜的液相线温度（T L≈1020℃）稍高于黄铜（T L≈950℃），两种铜合金的热扩散率相差不大。因此，在砂型中，锡青铜为典型的糊状凝固方式，而黄铜为接近逐层凝固的中间凝固方式；在金属型中，黄铜为典型的逐层凝固方式，而锡青铜为接近糊状的中间凝固方式。
图7-15 锡青铜和黄铜的凝固动态曲线
（a）青铜（金属型）；（b）青铜（砂型）；（c）黄铜（金属型）；（d）黄铜（砂型）
图7-16是工业纯铝（w Al=99%）在砂型和金属型中铸造的温度场和凝固动态曲线。工业纯铝的结晶温度范围虽只有6℃，但铝的热扩散率很大。因而，在砂型中铸造时，工业纯铝是典型的糊状凝固，而在金属型中则是逐层凝固（因为金属型对铸件的强烈激冷作用增大了温度梯度，加之结晶温度范围很窄，故凝固区域甚小）。
图7-16 工业纯铝的温度场和凝固动态曲线
（a）在砂型中；（b）在金属型中
如果把工业纯铝砂型铸造和低碳铸钢砂型铸造条件下的凝固方式进行比较，则可以看出，虽然工业纯铝的结晶温度范围比低碳铸钢小，但工业纯铝有较低的液相线温度（约650℃），而且更重要的是工业纯铝的热扩散率（0.52m2/s）远大于碳钢的热扩散率（约0.02m2/s），因此，纯铝为糊状凝固，而碳钢为逐层凝固。这里温度梯度是决定性的因素。
其他因素，如合金凝固潜热大，则单位体积合金在凝固时放出的潜热也多；浇注温度高，则单位体积合金带入型腔的过热热量也多；铸件壁厚增大，所含热量就多。这些都使铸型吸收更多热量，提高了型腔表面温度，从而影响铸件断面温度梯度。壁厚较大的铸件，尽管表面层可能呈逐层凝固，但中心区却往往呈糊状凝固（或者说，呈接近糊状凝固的中间凝固方式）。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
