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使表面张力降低的溶质元素，称为该金属的表面活性物质；
使表面张力增加的溶质元素，称为该金属的非表面活性物质。
二、液态金属的充型能力
铸造生产的主要特点，是直接将液态金属浇入铸型并在其中凝固和冷却而得到铸件。
液态金属充型过程，是铸件形成的第一个阶段，一些铸造缺陷，如浇不足、冷隔、卷入性气孔等都是在充型不利的情况下产生的。
为此，首先要知道液态金属能否充满铸型、得到形状完整轮廓清晰的铸件的能力；
其次要掌握充型过程中液态金属在浇注系统中和铸型型腔中的流动规律，它是设计浇注系统的重要依据之一；
最后要把握液态金属在充型过程中与铸型之间热的、机械的和物理化学的相互作用；
以及在此过程中可能产生的缺陷和防止措施。
1、液态金属充型能力的基本概念
⑴液态金属的充型能力液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称之为液态金属充填铸型的能力。
液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素影响，是各种因素的综合反映。
⑵液态金属的流动性液态金属本身的流动能力，称为“流动性”，是金属的铸造性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量，及其物理性质有关。
金属的流动性对于排出其中的气体、杂质和补缩、防裂，获得优质铸件有影响。
金属的流动性好，气体和杂质易于上浮，使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸件。
良好的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到金属的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的弥合，为此有利于缺陷的防止。
金属的流动性是用浇注“流动性试样”的方法衡量的。
对于不同种合金是将试样的结构和铸型性质固定不变，在相同的浇注条件下来判定流动性的好坏。
对于同种合金也可以用流动性试样来研究铸造因素对充型能力的影响。
流动性试样的类型很多，如螺旋形、球形、U形、契形、真空试样等等。
2、液态金属的停止流动机理⑴纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理停止流动的原因是末端之前的某个部位从型壁向中心生长的柱状晶相接触，金属的流动通道被堵塞。
⑵宽结晶温度范围合金停止流动机理液态金属的温度是沿程下降的，液流前端冷却最快，首先结晶，当晶体达到一定数量时，便结成了一个连续的网络，发生堵塞，停止流动。
3、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施
影响充型能力的因素是通过两个途径发生作用的：
影响金属与铸型之间热交换条件，而改变金属液流动时间；
影响金属液在铸型中的水力学条件，而改变金属液的流速。
但是由于液态金属与铸型之间是一个不稳定的热交换过程，有些因素不但影响流动时间，也影响流速，不能截然划分。
影响液态金属充型能力的因素很多，为便于分析将所有的因素归纳为如下四类。
第一类因素-------金属性质方面的因素
这类因素是内因，决定了金属本身的流动能力---流动性。
⑴合金的成分对于铸造铝合金来说，在亚共晶成分范围内随着硅含量的提高，金属的流动能力得到提高，同时对于那些能减小结晶温度范围的元素都能提高金属的流动性，而加宽结晶温度范围的元素则降低金属的流动性；
而在过共晶成分范围内随着硅含量的提高，金属的流动能力反而下降，而对于那些能减小结晶温度范围的元素仍能提高金属的流动性，而加宽结晶温度范围的元素仍然降低金属的流动性。
⑵结晶潜热结晶潜热约占金属含热量的85～90％，但对不同类型的合金影响是不同的。
对于纯金属和共晶成分的合金在固定温度下凝固，在一般的浇注条件下，结晶潜热的作用能够发挥，是估计流动性的一个重要因素。
凝固过程中释放的结晶潜热越多，则凝固进行的越慢，流动性越好。
铝的流动性很好。
对于结晶温度范围较宽的合金，散去一部分潜热后，晶粒就连成网络而阻塞流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥，所以对流动性影响不大。
综上所述，结晶潜热相对合金的结晶特性而言，是一个次要因素，结晶特性对流动性的作用是主导的。
⑶金属的比热容、密度、和导热系数比热容和密度较大的合金，因其本身含有较多的热量，在相同的过热度下，保持液态的时间长，流动性好。
导热系数小的合金，热量散热慢，保持流动的时间长；
导热系数小，在凝固期间凝固并存的两相区小，流动阻力小，故流动性好。
金属中加入合金元素后，一般都使导热系数明显下降。
但是有时加入合金元素后初晶组织发生变化，反而使流动性下降。
例如，在铝合金中加入少量的铁或镍，合金初晶变为发到的枝晶，并出现针状FeAl3，流动性显着下降。
在铝合金中加入铜，结晶温度范围变大，也降低流动性。
⑷液态金属的粘度液态金属的粘度与其成分、温度、夹杂物的含量和状态等有关。
⑸表面张力造型材料一般不被液态金属润湿，故在铸型细薄部分的液面是凸起的，而有表面张力产生一个指向液体内部的附加压力，阻碍对该部分的充填。
所以表面张力对薄壁铸件、铸件细薄部分和棱角的成形有影响，为克服附加压力必须在正常的充型压头上增加一个附加压头。
综上所述，为提高液态金属的充型能力，在金属方面采取以下措施：
⑴正确选择合金成分在不影响铸件使用性能的情况下，可根据铸件大小、厚薄和铸型性质等因素，将合金成分调整到实际共晶成分附近，或选用结晶温度范围小的合金。
对某些合金进行变质处理使晶粒细化，也有利于提高充型能力。
⑵合理的熔炼工艺正确选择原材料，去除金属上锈蚀、油污，熔剂烘干；
在熔炼过程中尽量使金属液或少接触有害气体；
对某些合金充分脱氧或精炼除气，减少其中的非金属夹杂物和气体。
“高温出炉，低温浇注”是一项成功的生产经验。
高温出炉能使一些难熔的固体质点熔化，未熔的质点和气体在浇包中镇静阶段有机会上浮而使金属净化，从而提高金属液的流动性。
第二类因素---------铸型性质方面的因素
铸型的阻力影响金属液的充型速度；
铸型与金属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。
所以铸型性质方面的因素对金属液的充型能力有重要影响。
⑴铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数b2表示铸型从其中的金属中吸取并储存于本身中热量的能力。
蓄热系数b2越大，铸型的激冷能力越强，金属液于其中保持液态的时间越短，充型能力下降。
⑵铸型的温度预热铸型能减少金属与铸型的温差，从而提高其充型能力。
⑶铸型中的气体铸型有一定的发气能力，能在金属液与铸型之间形成气膜，可减少流动的摩擦阻力，有利于充型。
但当型腔中的气体的压力增大到一定程度时将形成反压力，使充型能力下降。
减小铸型中气体反压力的途径有两条：
一是适当降低铸型中的含水量和发气物质的含量；
另一条途径是在铸型中设置排气孔。
第三类因素----------浇注条件方面的因素
⑴浇注温度浇注温度提高对液态金属充型能力有决定性影响。
浇注温度越高，充型能力越好。
在一定温度范围内，充型能力的提高随着浇注温度的提高而直线上升。
超过某界限后，由于金属吸气多，氧化严重，充型能力的提高幅度越来越小。
⑵充型压头液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力就越好。
在生产中用增加金属液静压头的方法来提高充型能力。
⑷浇注系统的结构浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，在静压头相同的情况下，充型能力就越差。
在设计浇注系统时，必须合理布置内浇道在铸件上的位置，选择合适的浇注系统结构和各组元（直浇道、横浇道和内浇道）的断面积，否则即使金属有较好的流动性，也会产生浇不足、冷隔等缺陷，
第四类因素-----------铸件结构方面的因素
衡量铸件结构特点的因素是铸件的折算厚度和复杂程度，它们决定了铸型型腔的结构特点。
V（铸件的体积）
⑴折算厚度R（换算厚度、当量厚度、模数）
【R=】
S（铸件的散热面积）
如果铸件的体积相同，在同样的浇注条件下，R越大的铸件，由于它与铸型的接触面积相对较小，热量散发比较缓慢，则充型能力较高。
铸件的壁越薄，R越小，就越不容易被充满。
⑵铸件的复杂程度铸件结构越复杂、厚薄部分过渡面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。
铸件形成理论
（二）
一、铸件的凝固
合金从液态转变为固态的状态变化，称为一次结晶或凝固。
一次结晶和凝固虽然指的是统同一状态变化过程，但其含义要加以区别。
一次结晶主要是从物理化学的观点出发来研究液态金属的生核、成长、结晶组织的形成规律。
凝固是从传热学的观点出发，研究铸件与铸型的传热过程，铸件断面上凝固区域的大小，凝固方式与铸件质量的关系，以及铸件凝固时间等。
1、铸件的温度场
铸件凝固过程中，许多现象都是温度的函数。
因此研究凝固过程传热所要解决的主要问题是各不同时刻，铸件和铸型中温度场变化。
根据铸件温度场随时间变化，能够预计铸件凝固过程中其断面上各时刻的凝固区域大小及变化，凝固前沿向中心推进的速度，缩孔和缩松的位置，凝固时间等重要问题，为正确设计浇注系统、设置冒口、冷铁，以及采取其它工艺措施控制凝固过程提供可靠的依据。
研究铸件温度场的方法有：
实测法、数学解析法和数值模拟法等。
实测法是用一组热电偶的热断固定在型腔中不同位置，利用多点自动记录电子电位计（或其它自动记录装置）作为温度测量和记录装置，即可记录自金属液注入型腔起至任意时刻铸件断面上各测温点的温度时间曲线。
根据该曲线可绘出铸件断面上不同时刻的温度场和铸件凝固的动态曲线。
铸件温度场的绘制方法：
以温度为纵坐标，以离开铸件表面向中心的距离为横坐标，将断面上同一时刻各测温点的温度值分别标注在图上相应的点上，连接各标注点即得到该时刻的温度场。
影响铸件温度场的因素：
⑴金属性质的影响：
金属的热扩散率、结晶潜热、金属凝固温度；
⑵铸型性质的影响：
铸型的蓄热系数、铸型的预热温度；
⑶浇注条件的影响；
⑷铸件结构的影响：
铸件的壁厚、铸件的形状。
2、铸件的凝固方式
⑴凝固区域及结构铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外，断面上一般都存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。
铸件的质量与凝固区域有密切关系。
凝固区域又可划分为两个部分：
液相占优势的液固部分和固相占优势的固液部分。
在液固部分中，晶体处于悬浮状态而未连接成一片，液相可以自由移动。
因此液固部分和固液部分的边界叫“倾出边界”。
固液部分中两个带的边界叫“补缩边界”。
⑵铸件的凝固方式（见表一）及其影响因素
表一：
铸件的凝固方式
凝固方式合金范围描述
逐层凝固方式纯金属或共晶成分合金；
合金的结晶温度范围很小或断面温度梯度很大时，铸件断面的凝固区域很窄。
在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零，断面上的固体和液体由一条界线清楚的分开，随着温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心。
体积凝固方式（或称糊状凝固方式）铸件断面温度场较平坦或合金的结晶温度范围很宽铸件凝固某一段时间内，某凝固区域在某时刻贯穿整个铸件断面时，则在凝固区域里既有已结晶的晶体也有未凝固的液体。
中间凝固方式合金的结晶温度范围较窄或者铸件断面的温度梯度较大
铸件的凝固方式取决于凝固区域的宽度；
而铸件断面凝固区域的宽度是由合金的结晶温度范围和温度梯度两个量决定的。
3、铸件的凝固方式与铸件质量的关系
铸件的致密性和健全性与合金的凝固方式密切相关，具体关系见下表二。
表二：
合金类型凝固方式铸造性
窄结晶温度范围的合金纯金属和共晶成分合金属于逐层凝固方式（无液固共存的凝固区域）补缩性好，热裂倾向性小，具有较好的充型能力
窄结晶温度范围的合金属于逐层凝固方式（不同之处是凝固前沿不平滑，而为锯齿形）
宽结晶温度范围的合金体积凝固方式补缩性差易形成缩松，热裂倾向性大，充型性能很差，需采取其它补缩措施
中等结晶温度范围的合金中间凝固方式补缩性、热裂倾向、充型能力介于前两者之间
4、铸件的凝固时间
铸件的凝固时间，是指从液态金属充满铸型后至凝固完毕所需要的时间；
单位时间凝固层增长的厚度为凝固速度。
确定铸件凝固时间的方法，有计算法和实验法。
二、液态金属结晶的基本原理
液态金属转变成晶体的过程称为液态金属的结晶或金属的一次结晶。
在这里只介绍一些基本概念：
1、均质生核：
在没有任何外来界面的均匀熔体中的生核过程。
均质生核在熔体各处的几率相同。
2、非均质生核：
在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的基底进行生核的过程。
3、生核率：
单位体积的液态金属内每秒钟产生的晶核数称为生核率。
4、生核剂：
铸造生产中最常见的一种控制生核的方法是在液态金属中加入生核剂以促进非均质生核的能力，从而达到细化晶粒、改善性能的效果。
促进非均质生核的基底物质可以是生核剂本身，也可以是和液态金属反应产物。
5、单相合金：
在结晶过程中只析出一个固相的合金，如固溶体、金属间化合物等。
6、多相合金：
在结晶过程中同时析出两个以上新相的合金，如具有共晶、包晶或偏晶转变的合金。
7、枝晶间距：
枝晶间距指的是相邻同次分枝之间的垂直距离。
枝晶间距越小，组织就越致密。
三、铸件结晶组织的形成和控制
铸件的结晶组织，仅宏观而言，指的是铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况；
铸件微观结构的概念包括晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构形态，共晶团内部的两相结构形态，以及这些结构形态的细化程度等。
1、铸件宏观结晶组织的形成、影响因素及其应用（见表三）
2、铸件结晶组织的控制
这里主要介绍等轴晶组织的获得和细化（见图一）。
表三：
铸件宏观结晶组织的形成、影响因素及其应用
晶粒区产生位置及描述形成性能应用
表面细晶粒区紧靠型壁的一个外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成型壁激冷和型壁作为形核基底由于一般比较薄，对铸件的质量和性能影响不大
柱状晶区由自外向内沿着热流方向彼此平行的柱状晶所组成由表面细晶粒和内部等轴晶所控制性能具有方向性：
纵向好，横向差；
同时铸件易热裂或在加工中产生裂纹；
改进铸件结构可减轻这种影响对一些本身塑性较好的有色金属及其合金和奥氏体不锈钢铸锭，为使其密度增加，往往在控制易熔杂质和进行除气处理的前提下，希望得到较多的柱状晶
内部等轴晶区由紊乱排列的粗大等轴晶所组成熔体内部晶核自由生长晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，性能均匀而稳定，没有方向性；
其缺点是枝晶较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密对于一般钢铁材料和塑性较差的有色金属及其合金铸锭，则希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组织
图一等轴晶组织的获得和细化措施
铸件形成理论（三）
一、铸件化学成分的不均匀性
铸件中化学成分不均匀的现象称为偏析。
偏析分为微观偏析和宏观偏析两大类。
同时偏析也可根据铸件各部位的溶质浓度Cs与合金原始浓度CO的偏离情况分类。
凡Cs＞CO者称为正偏析；
Cs＜CO者称为负偏析。
这种分类不仅适用于微观偏析也适用于宏观偏析。
微观偏析对铸件的影响是明显的，由于成分的不均匀造成组织上的差别，导致冲击韧性和塑性的下降，增加铸件的热裂倾向性，有时还是铸件难于加工。
宏观偏析使铸件各部分的机械性能和物理性能产生很大差异，影响铸件的使用寿命和工作效果。
因此偏析是铸件的主要的缺陷之一。
认识偏析的形成规律，对防止偏析的产生，寻求消除偏析的工艺措施，改善铸件组织，提高铸件性能有着重要意义。
当然偏析也有有益的一面：
利用偏析现象可以实现净化或提纯金属的目的。
1、微观偏析
微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。
它们的表现形式不同，但形成机理是相似的，都是合金在结晶过程中溶质再分配的必然结果。
⑴枝晶偏析在枝晶偏析区，各组元的分布规律是，使合金熔点升高的组元富集在分枝中心和枝干上；
使合金熔点降低的组元富集在分枝的外层或分枝间，甚至在分枝间出现不平衡第二相，其它部位的成分介于两者之间。
消除枝晶偏析是采用均匀化退火；
均匀化时间取决于枝晶间距和扩散系数；
枝晶间距越小、偏析元素扩散系数愈大，均匀化时间越短。
⑵晶界偏析在不少情况下，晶粒中心只有不甚明显的负偏析（或正偏析），而晶界区域却显示出明显的正偏析（或负偏析），这种偏析称为晶界偏析。
晶界偏析的预防和消除方法同枝晶偏析。
2、宏观偏析
铸件产生宏观偏析的途径：
⑴在铸件凝固早期，固相或液相的沉浮；
⑵在固液两相区内液体沿枝晶间流动。
液态金属沿枝晶间流动对铸件产生宏观偏析起着重要作用。
液态金属沿枝晶间流动的重要原因主要是：
熔体本身的流动驱使固液两相区内的液体流动；
由于凝固收缩的抽吸作用促使液体流动；
由于密度差而发生对流。
宏观偏析可分为：
正常偏析、逆偏析、V型和逆V型偏析、带状偏析、重力偏析等。
重力偏析可通过加快结晶速度，机械搅拌液态金属可以减轻重力偏析。
二、铸件中的气体
1、概述
⑴常见气体在铸件中存在形态气体元素在金属中主要有三种形态：
固溶体、化合物和气态。
存在于铸造合金中的气体主要是氢、氧、氮及其化合物。
⑵气体的来源①熔炼过程中，金属吸气；
②炉料的锈蚀或油污、使用潮湿的燃料等；
③合金液与铸型向火作用；
④浇注系统设计不当、铸型透气性差、无足够的排气措施、浇注速度控制不当等。
⑶气体溶解度的表示方法在一定温度和该气体分压下，金属吸收气体的饱和浓度称为该条件下的气体溶解度。
气体溶解度常用100g金属所能溶解的气体在标准状态下的体积表示，即㎝3/（100g）。
有时也用质量分数表示。
它们之间的换算关系是：
氢：
1.0㎝3/（100g）＝0.9ppm
氧：
1.0㎝3/（100g）＝12.5ppm
氮：
1.0㎝3/（100g）＝14.3ppm
⑷气体对铸件的影响气孔是铸件中最常见的一种缺陷。
它不但减小铸件的有效工作断面，还产生应力集中，成为零件断裂的裂纹源，显着降低铸件的强度和塑性。
尤其是形状不规则的气孔不仅增加缺口敏感使金属强度下降，而且还降低铸件的疲劳强度。
弥散性气孔使铸件组织疏松，降低铸件的气密性。
2、气体在金属中的溶解与析出
⑴金属的吸气过程气体分子撞击金属表面，某些气体分子离解为原子，并吸附在金属表面上，经扩散进入金属内部，最后已溶解的金属内均匀化。
⑵单质气体在金属中溶解影响单质气体在金属中溶解度的主要因素有：
与金属接触的气体中该气体的分压、温度和合金的化学成分。
⑶复合气体在金属中的溶解复合气体均不能直接溶解在金属液中，它们首先要分解成原子，才能为金属所吸收。
⑷气体的析出气体在金属中的溶解和析出是可逆过程。
气体析出有三种形式：
①扩散析出；
②与金属内的某些元素形成化合物；
③以气泡形式从金属液中逸出，气体以气泡形式析出的过程是：
气泡生核、长大和上浮。
3、析出性气孔
⑴特征金属在凝固过程中，因气体溶解度下降析出气体、形成气泡未能排除而形成的气孔。
称为析出性气孔。
这类气孔在铸件断面上大面积均匀分布，而在铸件最后凝固部位、冒口附近、热节中心部位最为密集。
析出性气孔呈团球状、多角状和连续裂纹状或呈混合型。
析出性气孔主要是氢气孔和氮气孔。
⑵析出性气孔形成机理合金凝固时，气体溶解度急剧下降，由于溶质的再分配，在固液界面前的液相中气体溶质富集，当其浓度过饱和时，产生很大的析出动力，在现成的基底上气体析出，形成气泡，保留在铸件中成为析出性气孔。
⑶影响析出性气孔的主要因素①合金液原始含气量，含气量越大，越易形成析出性气孔；
②合金成分，收缩量大和结晶温度宽的合金易产生析出性气孔；
③气体的性质；
④外界压力，压力越小越易产生析出性气孔；
⑤铸件的凝方式。
⑷防止析出性气孔的途径①减少金属液的原始含气量，为此减少各种气体来源；
控制熔炼温度；
采用真空熔炼。
②对金属液除气处理。
③阻止气体析出：
提高铸件的冷却速度；
提高金属凝固时的外压。
4、反应性气孔
⑴特征金属液与铸型之间、金属与熔渣之间或金属液内部某些元素、化合物之间发生化学反应所产生的气孔，称为反应性气孔。
金属与铸型间反应生成的气孔通常分布在铸件皮下1～3㎜处，经加工或清理暴露出来，故又称皮下气孔。
其有球状、梨状；
表面光滑，呈银白色或金属亮色。
另一种反应性气孔，是金属内部组元之间或组元与非金属夹杂物发生化学反应产生的蜂窝状气孔，呈梨状或团球状，分布均匀。
⑵反应性气孔的防止①合金方向：
尽量降低合金液含气量，严格控制合金中氧化性较强的元素的含量；
适当提高浇注温度。
②铸型方面：
要严格控制铸型水分；
良好的透气性；
冷铁必须严格清理、除锈。
三、铸件中非金属夹杂物
⑴非金属夹杂物的分类简单氧化物，如Al2O3；
复杂氧化物，如MnO.Al2O3；
硅酸盐；
硫化物；
氮化物。
⑵非金属夹杂物的来源脱氧、脱硫产物；
硫、氧、氮以低熔点共晶或化合物的形式残留在金属中；
金属与外界物质相互作用生成非金属夹杂物；
金属被大气氧化生成的氧化物。
⑶非金属夹杂物对铸件质量的影响降低机械性能中的冲击韧性和疲劳极限；
金属液中含有固体夹杂物时，其流动性显着降低。
2、非金属夹杂物的形成
⑴非金属夹杂物生成的热力学条件（略）
⑵浇注前形成的非金属夹杂物金属在熔炼和炉前处理时，产生的非金属夹杂物可能是脱硫、脱氧产物，也可能是金属液与炉壁相互作用的产物。
浇注前大尺寸的夹杂物可通过多次排渣，把大部分清除；
但仍有部分大的和小尺寸的留下来。
⑶浇注时形成的非金属夹杂物在浇注及
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