金属液在挤压铸造中的凝固现象

挤压铸造时金属液是在高压下凝固，它的热力学特性和在大气压下是明显不同的。由于挤压的压力急剧上升，金属液受到压缩，可将金属液的挤压过程视为绝热压缩变化过程。由热力学定律可知，任何物质发生绝热压缩变化时，其温度都会发生变化。压力与温度的关系由下式确定：

式中T——金属液温度（K）；

V——金属液体积（m³）；

p——压力（Pa）；

C_p——比定压热容[J/（kg·K）]；

S——熵（J/K）。

对上式积分可求出高压下金属液体的温度变化：

同样，高压下金属的凝固点也会发生变化。对于常用合金而言，其凝固点会上升，凝固温度由Clausius-Clapeyron（克劳休斯—克拉佩伦）公式计算：

式中V_l、V_s——1mol金属液相和固相体积（m³/mol）；(www.xing528.com)

H——凝固潜热（J/mol）。

因此，当金属液达到凝固温度时，突然对金属液施予很大的压力，将会使金属液的凝固点和金属液自身的温度同时上升，二者之差就是因急剧压缩引起的金属液的过冷温度，如图6-3所示。所以在高压下金属液处于过冷状态时，金属液中会瞬时形成大量结晶核，最终获得组织细小的铸件，这也是挤压铸造铸件中晶粒细小的原因。

挤压铸造能够提高铸件力学性能的原因之一是高压力可以减少气孔缺陷。一般情况下，金属液中或多或少都会溶解一部分气体，溶解的气体在凝固过程中析出，若不能排出而成为气孔留在铸件内则会降低铸件的力学性能。图6-4所示是不同压力下铝液中氢的溶解量随温度的变化。氢的溶解量由式（6-4）决定。

式中K——平衡常数；

P_H2——氢的分压（Pa）。

即氢的溶解量与金属液中氢的分压的平方根成正比。挤压铸造时，金属液中氢的分压等于挤压压力，因此凝固时会有更多的氢溶解在金属液中而不会析出，从而抑制了气孔的形成，铸件的力学性能提高。

图6-3 绝热压缩引起的铝液过冷

图6-4 不同压力下铝液中氢的溶解量 与温度的关系示意图