鑄造鋅鋁系合金底縮現象

鋅鋁系合金因具有一些優良性能，如熔點低、強度高等特點而應用日趨廣泛。特別是作為易熔模具合金使用較多。但中大型鋅鋁系鑄件如采用一般的鑄造方法，常在鑄件底部而不是上部出現縮孔或縮松，即出現底縮現象。這種底縮孔很難用通常采用的上置式冒口進行補縮。故解決底縮問題對鋅鋁系合金的應用至關重要。

[B]1　底縮現象[/B]

液態合金凝固時，由于液態下的熱脹冷縮和液固轉變時的凝固收縮，都將在最后凝固部位——一般在鑄件的厚部的上部產生縮孔(松)，而通常在這些部位上方設置冒口進行補縮，即可解決縮孔(松)問題。

而鋅鋁系合金用常規方式鑄造 ，產生的縮孔卻出現在厚部的下部，有些縮孔深度超過厚度的40%。四川某廠在鑄造鋅鋁系合金易熔模時，底部出現蜂窩狀縮孔，有的縮孔深度超過厚度的一半。對于這種縮孔，該廠曾采用加大冒口的方式進行補縮但收效甚微。

[B]2　原因分析[/B]

2.1　底縮現象原因分析

通過對底縮現象和底縮孔進行研究分析，認為鋅鋁系合金產生底縮的主要原因是由于重力偏析導致特殊的成分過冷，又由于這種成分過冷導致異常的由上而下的逆向凝固順序，即上部液體先凝固，下部液體向上補充上部收縮，最終形成底縮。

2.1.1　重力偏析

在鋅鋁系合金中，鋅密度為7.12 g/cm3，而鋁密度為2.69 g/cm3，兩者相差甚遠，在液態下放置，由于重力作用，將產生重力偏析，即上部液體含鋁量較多而下部液體含鋁量較少。保持液態時間越長，則上下液體的成分差異越大，即重力偏析越嚴重。

2.1.2.　Zn-Al相圖分析

如圖1所示鋅鋁系合金。當w(Al)>4%的鋅鋁系合金，其先析相為β，富鋁而密度較小。常用于易熔模的合金w(Al)>4%。

在w(Al)=4%時共晶反應

L4.0　382 ℃　α1.0 + β16

其中α富鋅而β富鋁，α相密度大于β相密度。

圖1中共晶點以右的合金，隨鋁的質量分數的增加，液相線溫度升高。結晶溫度區間變寬，而在冷卻速度相同的條件下，結晶溫度區間越寬，保持液態或準液態的時間越長，合金液體中鋁原子上浮，鋅原子下沉的機會越多，則合金的液態偏析會越嚴重。造成合金液上部富鋁，下部富鋅。

圖1　鋅鋁合金相圖
Fig.1　Zn-Al Alloy phase Diagram[/ALIGN]2.2　重力偏析與成分過冷

2.2.1　液相線溫度

設有成分為A的合金，其理論液相線溫度為TA，見圖1。澆注后某時刻，由于液態重力偏析，造成上部液體富鋁，設其成分為C，對應液相線溫度為TC。而下部液體富鋅，成分為B，液相線溫度為TB，顯然TC大于TB。由此可知在整個型腔中合金的液相線溫度分布與高度有關。其分布如圖2中虛線所示。圖2中TA為該成分合金的理論液相線溫度，TN為澆注后某時刻合金液沿豎直方向的實際溫度分布，一般上部溫度略高于下部溫度。

圖2　液相線和成分過冷圖[/ALIGN]2.2.2　成分過冷

如不考慮重力偏析，則在圖2所示的條件下，在鑄型的下部TN小于TA，即圖中所示Ⅰ區，該區液體處于過冷狀態，將進入凝固階段。而鑄型上部TN尚大于TA，即圖中Ⅱ區，此時合金液尚屬過熱狀態。因而該合金液在鑄型中將自下而上地凝固結晶，最后凝固部位位于上部，可采用上置冒口方便地補縮。

由于出現重力偏析，則如圖2中該時刻下部液體的液相線溫度尚低于實際溫度TN，即圖2中所示Ⅲ區，該區液體尚屬過熱狀態。而上部液體，如圖2中Ⅳ區所示，其實際溫度TN低于液相線溫度，即上部合金液處于過冷狀態。將進入結晶過程，而造成該區過冷是由于成分差異造成的成分過冷。正是由于成分過冷的影響，盡管實際溫度分布是上部高下部低，但其結晶都是自上而下地逆向進行，當上部結晶時下部尚處于過熱態而流動性很好。在由上部凝固收縮造成的負壓和枝晶間的毛細作用下，反而向上補充上部的收縮。而最后凝固的下部得不到補縮而造成底部縮孔。顯然這類底縮是不能由上置式冒口來補縮的。

2.3　影響因素

由上述分析可知，鋅鋁系合金的底縮是由于重力偏析造成成分過冷，而成分過冷又引起至上而下的逆向凝固順序，使最后結晶部位在厚部下方，因而形成底部縮孔。

一般來說，保持液態時間越長，則液態偏析越嚴重，底縮現象越明顯。共晶成分合金由于結晶溫度區間窄而底縮現象不如過共晶成分嚴重。而薄小件由于凝固快、液態時間短，偏析甚微，因而未見底縮。

[B]3　消除或減少底縮的措施[/B]

根據上述分析，可采取如下措施消除或減輕底縮現象。

3.1　控制重力偏析

控制重力偏析，減小成分過冷，造成正常凝固順序，然后用上置冒口補縮。控制重力偏析的措施如下。

3.1.1　快速冷卻

縮短合金在型腔中呈液態的時間，從而控制重力偏析。對一般中小型鑄件，由于散熱條件好，冷卻較快，基本未見底縮現象。但對于大型鑄件，要作到快速冷卻，顯然有困難。

3.1.2　分層澆注

對厚大型鑄件，加快冷卻速度有困難，則可考慮采用分層多次澆注的措施，即第一次澆注部分合金液，當其快凝固時再澆注第二次液體。當第二次澆注的液體快凝固時再澆注第三批，直至注滿。在澆注時還應注意逐次降低澆注溫度。采用分層澆注可減輕重力偏析，從而減輕底縮現象。

3.2　增大溫度梯度

增大液體在型腔內沿高度方向分布的實際溫度梯度TN，造成從下而上的順序凝固條件，如圖3所示，鑄型中合金沿高度方向分布的實際溫梯度大于液相線沿高度方向的分布梯度，從而補償了由于重力偏析造成的逆向凝固條件。