凝固時間

鑄件的凝固時間是指從金屬液充滿鑄型後至凝固完畢所需要的時間，單位時間凝固層增長的厚度則稱為凝固速度。鑄件的凝固時間是設計冒口尺寸的依據。合理地確定冒口和冷鐵的位置，控制鑄件各部分的凝固速度，使其按一定的順序或方向進行凝固，是獲得緻密健全鑄件的重要條件。鑄件的凝固時間大體上可分為兩個階段，導出金屬液過熱熱量所需的時間（第一階段）和從液相線温度冷卻至凝固完畢的時間（第二階段）。 ^[1] 

鑄件的凝固控制，實質上是採取相應的工藝措施對鑄件各部分凝固速度的控制。在設計冒口、冷鐵時，都需要對鑄件的凝固時間進行估算；對於大型或重要鑄件，也需要估算凝固時間以掌握其打箱時間。

確定鑄件凝固時間可以採用理論計算法，即從熱傳導的相關理論出發，根據鑄件和鑄型的熱物理參數計算出鑄件凝固各階段的時間，最後得到總的凝固時間，在計算過程當中一般對實際情況進行了簡化和假設，但這在實際生產中應用較少。在生產中常用的有平方根法、傾出法等。

平方根法適用於大型平板與結晶間距較小的合金鑄件。在這類鑄件中，凝固厚度ξ與凝固時間t有如下關係：

K稱為凝固係數，其取值常用實驗的方法測得，在數值上等於單位時間內的凝固厚度。ξ-t呈拋物線關係，如下圖1所示，凝固厚度在凝固的初期增長很快，以後逐漸變慢。

鑄件凝固速度

在開始澆注時，凝固的速度很大；經過一段時間後，凝固速度急劇下降，之後則變化很小。

成立條件假設如下：

①金屬和鑄型的接觸面是無限大的，鑄件和鑄型壁厚都是半無限大的；

②澆注之後，鑄型內表面的温度立即達到與之接觸的金屬的表面温度，且以後保持不變

③除了結晶潛熱外，在凝固過程中不存在其他任何熱量的吸收或放出，如化學反應熱等；

④鑄型和金屬的熱物理性質不隨時間變化；

⑤忽略由於金屬液體對流所引起的温度場的改變；

⑥凝固在恆温條件下進行。

但是，實際鑄件和鑄型都是有限體，表面曲度、邊緣效應影響很大，不能看成是一維的傳熱過程；另外，鑄型與鑄件分界面的温度不可能恆定，並且鑄型和金屬的熱物理參數是隨温度變化的。所以，平方根定律有很大的近似性。儘管平方根法的推導作了許多假設，該方法得到的結果與大型平板及結晶間距較小的合金鑄件的凝固時間吻合得較好，説明它反映了凝固過程的一些基本規律。平方根法是計算鑄件凝固時間的基本方法，許多其他計算方法都是在它的基礎之上發展起來的。

傾出法是研究鑄件凝固過程中應用最早的一種方法。這種方法的過程如下：

①用同一個模樣（通常是形狀簡單的球形或圓柱形模樣）製造幾個鑄型；

②將同一爐液態金屬在同一澆注温度下注入所有鑄型中；

③經過不同的時間間隔，將鑄型中尚未凝固的殘餘液態金屬倒出，只留下一層固態的結晶部分；

④測量各鑄型中凝固層的厚度；

⑤繪製凝固層厚度與凝固時間的曲線，即可得到鑄件的凝固係數。

這種方法的優點是簡單易行，直觀性強，可以測定各種合金的凝固係數，研究各個時期的固相組織。但是，傾出法存在着如下缺點：

①對於具有一定結晶温度範圍的合金，即使Δt不大，實驗結果也會產生較大的誤差。因為留下的固態硬殼中還會有一定數量的液態金屬被枝晶阻擋，傾倒不出來，而傾出的液態金屬中又可能含有尚未連成骨架的晶體。所以，它不能真實地反映這類合金凝固過程的實際情況，尤其是當合金的結晶温度範圍較大時，由於液固兩相共存的區域較寬，真實的凝固層很難測量準確。這種方法只適用於純金屬和結晶温度範圍很小的合金。下圖2是用實驗方法測得的幾種合金的凝固係數值。

②這種方法只限於鑄件凝固的初期。到了凝固後期，由於一部分尚處於液態的金屬被凝固層封閉，傾倒不出來，因此得不到可靠的數據。 ^[2] 

凝固區域的寬度由合金的結晶温度範圍和温度梯度兩個因素決定。

1、合金結晶温度範圍

在鑄件斷面温度梯度相近的情況下，凝固區域的寬度隨合金結晶温度範圍增大而加大。結晶温度範圍越大，凝固區域寬度也越大。例如，對碳鋼而言，含碳量增加，結晶温度範圍擴大，鑄件斷面的凝固區域寬度隨之加寬。低碳鋼鑄件在砂型中的凝固方式為逐層凝固；中碳鋼鑄件為中間凝固方式；高碳鋼鑄件則為糊狀凝固方式。

2、鑄件斷面温度梯度

在合金結晶温度範圍一定的情況下，凝固區域寬度隨温度梯度增大而減小。凡是影響温度梯度的因素都對凝固區域寬度起作用。主要因素有：合金熱擴散率、鑄型蓄熱係數和金屬凝固温度（或合金液相線温度）。合金熱擴散率大，鑄型蓄熱係數小以及凝固温度低，都使温度梯度減小．導致凝固區域加寬。

此外，合金的凝固潛熱、澆注温度、鑄件壁厚等，對凝固方式也有一定的影響。凝固潛熱大、澆注温度高、壁厚大都將減小斷面温度梯度，使合金趨於糊狀凝固。 ^[3]