金属の凝固：メカニズム、速度およびプロセス|キャスティング|製造科学
この記事では、金属の凝固について説明します。-1。凝固のメカニズム2.凝固速度3.絶縁金型内の大きな鋳造物の凝固4.主な界面抵抗による凝固5.一定の鋳造による凝固表面温度6.金型および凝固金属で優勢な抵抗を伴う凝固。
コンテンツ：
- 凝固のメカニズム
- 凝固速度
- 絶縁型内の大型鋳物の凝固
- 主な界面抵抗を伴う凝固
- 鋳造表面温度が一定の凝固
- 金型および凝固金属における主な抵抗を伴う凝固
1。凝固のメカニズム：
純金属：
凝固が始まる前に、液体を凝固点以下に冷却する必要があります。これは、新しい結晶の表面を作成するためにエネルギーが必要なためです。必要な過冷却の程度は、結晶成長の初期核として機能する他の表面（粒子）の存在によって減少します。
液体金属が金型に注がれるとき、最初は（時間t 0 図2.14）どこでも温度はθ 0 。金型面自体が結晶成長の核となり、金型の導電率が高い場合、金型面付近にランダムに配向した小さな結晶が成長します。
続いて、t 1 について図2.14に示すように、鋳造内で温度勾配が生じます。 およびt 2 。凝固が徐々に内側に進むにつれて、軸が金型面に垂直な長い柱状結晶が成長します。結晶成長のこの配向は、鋳造物の強度の観点から望ましい。
合金：
合金は、純金属とは異なり、明確に定義された凝固温度を持っていません。合金の凝固は、ある温度範囲で起こります。このプロセスの間、異なる温度で分離する固体は、さまざまな組成を持っています。
これらの事実を明らかにするために、合金の結晶成長の方向はさまざまな要因に依存します。 例：
（i）鋳造物内の組成勾配
（ii）組成による固相線温度の変化、および
（iii）金型内の温度勾配。
相図を図2.15に示す固溶体合金の例を考えて、これらの各要素について説明します。
液体合金の組成をC 0 とします。 （AのBの）。また、θ f 純金属Aの凝固点であり、θ 0 およびθ ’ 0 それぞれ、組成C 0 の合金の液相線温度と固相線温度になります。 。
液体合金が温度0 O に冷却されると 、固形物が分離し始めます。これらの固形物中のBの濃度はC 1 のみです。 （
ここで、図2.16に示すように、液体合金内の2つの点PとQを考えてみましょう。Pは固液界面のすぐ先にあります。 PとQの組成に対応する固相線温度はθ ’ P です。 およびθ ’ Q 、それぞれ（図2.15を参照）。 θ P とします およびθ Q それぞれ点PとQでの実際の温度になります。 θ Q θ P より大きい 鋳物内の温度勾配によるものです（図2.14を参照）。両方のθ a およびθ P θ ’ P の範囲にある θ ’ Q へ 、次に、Qの液体は過冷却されますが、Pの液体は過冷却されません。これは、結晶化がPよりもQで早く始まることを意味します。この違いが非常に顕著である場合、金型表面から始まる結晶の柱状成長が妨げられます。このような状況での結晶成長は、図2.17のように見える場合があります。したがって、樹状細胞
したがって、樹枝状構造が生成されます。 Qでの結晶化がPで始まる前に完了すると（温度勾配が非常に小さく、濃度差が非常に大きく、固相線が非常にずさんなため）、鋳造物の内部にランダムに配向した結晶が現れることがあります。さらに、固液界面の前に固体結晶が存在すると、液体金属の供給がより困難になります。これはまた、通常は中心線収縮と呼ばれる、鋳造物内にボイドが発生するリスクが高いことを意味します。
植林の問題を回避するための1つの解決策は、金型の端に冷却（熱伝導率の高い冷却された金属ブロック）を提供することにより、金型内に大きな温度勾配を生成することです。 θ P の場合 が6qを大幅に下回る場合、過冷却の程度はPとQで大きな違いはなく、固液界面の段階的な進行が保証されます。液相線と固相線の間に小さな温度差がある合金の場合、この問題は明らかにそれほど重要ではありません。
冷間金型と通常金型の凍結パターンを図2.18に示します。図2.18aでは、金型の中心線から凝固が始まり、金型面でも凝固が完了します。一方、チルドモールド（図2.18b）では、急速な熱抽出により、狭い液固ゾーンが溶融金属全体をすばやく掃引します。
金型内で特定の合金を供給することの難しさは、Centre-Line Feeding Resistance（CFR）と呼ばれる量で表されます。それは次のように定義されます–
2.凝固速度：
ライザーと呼ばれる液体金属のリザーバーは、注入温度から凝固までに発生する収縮を補償するために使用されます。この点で、ねずみ鋳鉄は、凝固が2段階で発生する興味深い例外です。
第1段階に関連する収縮は、第2段階で発生する膨張によって十分に補償される可能性があるため、ライザーは必要ない場合があります。鋳造前にライザーが固化しないようにするには、鋳造にかかる固化にかかる時間を把握する必要があります。
さらに、鋳造が金型面から一定の距離まで凝固するのにかかる時間の見積もりが利用できる場合は、ライザーの配置（位置）を慎重に選択できます。
液体金属によって排除された熱は、金型壁を通して放散されます。液体金属の冷却と凝固の結果として放出される熱は、さまざまな層を通過します。これらの層の温度分布は、いつでも図2.19に概略的に示されています。
凝固プロセス全体を支配する熱抵抗は、液体、凝固した金属、金型界面、金型、および周囲空気の熱抵抗です。これらの5つの異なる領域は、図2.19の番号1から5で示されています。特に複雑な形状、合金の凍結、または熱特性の温度依存性を考慮すると、凝固プロセスは非常に複雑になります。
以下では、実際に関心のあるいくつかの場合における純金属の凝固について説明します。その際、状況に応じて、図2.19に示す1つまたは複数の領域の熱抵抗を無視するという単純化した仮定を行います。
3.絶縁型での大型鋳物の凝固：
砂やインベストメント鋳造で使用されるような絶縁型での大きな鋳造物の凝固中、ほぼすべての熱抵抗が型によって提供されます。したがって、ここで行う分析では、領域2の熱抵抗のみを考慮して凍結時間を計算します（図2.19）。
図2.20に示す金型面ABを考えてみます。大きな型、最初は温度θ 0 、はx方向に無限大まで拡張されると想定されます。
時間t =0で、温度θ p の液体金属 型に注がれます。また、金型面に接触したばかりの金属が瞬時に凝固すると仮定します。つまり、金型面の温度がθ f に上昇します。 （金属の凝固温度）t =0で、その値に維持されて凝固が完了します。このような場合の後続の時間t（x方向の一次元熱伝導を想定）でのティル内の温度分布は、
で与えられます。
前述の分析は、エンジニアリングの実践では通常遭遇しない平面の金属金型インターフェースABを想定していることに注意してください。多くの場合、複雑な輪郭の凍結時間を見つける必要があります。
このような等高線の場合、必要なのは、次の基本的な機能を（正確な計算なしで）観察して、行った分析が実際の凍結時間を過小評価しているか過大評価しているかを知ることです。これらの特徴を観察するために、3種類の金型界面（図2.21を参照）、すなわち（i）凸面、（ii）平面（分析で使用）、および（iii）凹面を検討します。
図2.21aでは、熱流がより発散しているため、速度は図2.21bよりもいくらか大きくなっています。したがって、そのような場合の凍結時間は、前述の分析によって過大評価されている。同様に、図2.21cでは、熱流がより収束しているため、速度は図2.21bよりもいくらか低くなっています。したがって、このような場合の凍結時間は、私たちが行った分析では過小評価されています。
いくつかの基本的な形状について、凍結時間に対するモールドキャスティングインターフェースの効果の定量的結果を得ることができます。これらの結果を出す前に、2つの無次元パラメータを定義します。つまり-
4.主な界面抵抗による凝固：
いくつかの一般的な鋳造プロセスでは、熱流は金型と金属の界面の熱抵抗によって大幅に制御されます。これらのプロセスには、永久鋳型鋳造とダイカストが含まれます。
接触抵抗がない状態は、金型と金属の接触が非常に密接で、完全な濡れが発生する場合、つまり鋳造物が金型面にはんだ付けされる場合にのみ存在します。この場合、過熱がないと仮定した場合の温度分布は図2.23のようになります。一次元熱流の問題を改めて考えています。
式（2.44）は、ダイまたは永久金型鋳造で使用される重金属金型で鋳造された小さな薄片部品の凝固時間を推定するのに役立ちます。
この段階で、これまでに説明した界面抵抗に加えて、砂型とチルまたは金型の凝固プロセスには大きな違いがあることに注意してください。
ここでは、後者が前者と異なる2つの重要な方法を示します。
（i）図2.19の領域4に示すように、凝固した金属の熱伝導率はかなりの熱抵抗をもたらす可能性があります。このため、鋳物の表面温度（θ s ）、ご覧のとおり、氷点下の温度θ f よりもはるかに低くなります。 。
（ii）過冷却された固化した金属のため、考えられるよりも多くの全熱を除去する必要があります。したがって、凝固金属の熱容量も凝固速度に重要な役割を果たします。
5.一定の鋳造表面温度での凝固：
固化した鋳物よりもはるかに高い導電率を持つ金属（たとえば銅）で作られた薄い水冷型で大きなスラブ型の鋳物（たとえば鋼）を製造する場合、熱抵抗は凝固金属自体が重要です。このような場合、主な熱抵抗は領域4によって提供されます（図2.19を参照）。
他のすべての領域の熱抵抗を無視すると、任意の瞬間の温度分布は図2.24に示す形状になります。ここで、金型と金属の界面（または鋳造面）の温度θ S 初期値θ 0 で一定であると見なすことができます 、およびθ f 金属の凝固温度を示し、これは注入温度としても使用されます。
任意の瞬間tで、δ（t）は凝固の深さを示します。このプロセスは、多くのエラーなしに、1次元プロセスとして理想化できます。したがって、凝固時間t s δ（t s から得られます ）=h / 2、ここでhは鋳造されるスラブの厚さです。 0
この分析は、最初の凝固段階（0.5〜1 cm）が終了した後にのみ有効です。他の形状の凝固時間に関する同様の結果は、入手可能な文献から見つけることができます。
6.金型および凝固した金属で優勢な抵抗を伴う凝固：
銅型はかなり厚く、水冷式ではありません。次に、金型と金属の界面温度θ S 初期値θ 0 のままであるとはもはや想定できません。 。 θ S の値 はまだ一定であると想定されており、金型と凝固した金属の熱特性によって決まります。
さらに、凝固の初期段階の後、界面抵抗も無視できるようになります。したがって、唯一の重要な熱抵抗は領域2と4によって提供され（図2.19）、結果として得られる任意の瞬間の温度分布は図2.25のようになります。金型が負のx方向の半無限媒体であると仮定すると、金型内の温度分布は
です。
これで、式（2.62）の左辺とɸがわかります。したがって、ζはグラフィカルに、または試行錯誤によって決定できます。前者のアプローチでは、ζe ζ2 のグラフ [erf（ζ）+ɸ]対ζは、与えられたɸの値に対して描画する必要があります。その後、方程式（2.62）の左辺の既知の値を使用してζを解くことができます。 ζがわかれば、凝固の深さは式（2.47）から計算でき、凝固時間は式（2.52）から計算できます。このような鋳造が可能であるためには、θ S 金型金属の融点よりも低いことがわかります。
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