鑄件形成理論3(第二章)

1、第二章 液態(tài)金屬的充型能力2-1 液態(tài)金屬充型能力的基本概念2-2 液態(tài)金屬停止流動(dòng)的機(jī)理 和充型能力的計(jì)算2-3 影響充型能力的因素 及提高充型能力的措施2-1液態(tài)金屬充型能力的基本概念n液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，稱為液態(tài)金屬充填鑄型的能力，簡(jiǎn)稱液態(tài)金屬的充型能力。n液態(tài)金屬充填鑄型一般是在純液態(tài)下充滿型腔，也有邊充型邊結(jié)晶的情況。如果停止流動(dòng)出現(xiàn)在型腔被充滿之前，則將造成鑄件“澆不足”的缺陷。2-1液態(tài)金屬充型能力的基本概念n同一種金屬用不同的鑄造方法所能鑄造的鑄件最小壁厚不同。同樣的鑄造方法由于金屬不同，所能得到的最小壁厚也不同，如表所示。 鑄造方法金屬種

2、類砂型金屬型熔模殼型壓鑄灰鑄鐵鑄鋼鋁合金3434810340.40.80.510.81.52.50.60.8不同金屬和鑄造方法鑄造的鑄件的最小壁厚（mm）2-1液態(tài)金屬充型能力的基本概念n液態(tài)金屬的充型能力首先取決于金屬本身的流動(dòng)能力，同時(shí)又受外界條件，如鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響，是各種因素的綜合反映。n液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力，稱為“流動(dòng)性”。是金屬的鑄造性能之一；與金屬的成分、溫度、雜質(zhì)含量及其物理性質(zhì)有關(guān)。n流動(dòng)性好的鑄造合金充型能力強(qiáng)；流動(dòng)性差的合金充型能力也就較差，但是，可以通過(guò)改善外界條件提高其充型能力。在不利的情況下，由于液態(tài)金屬的充型能力不好，則可能在鑄件上產(chǎn)生“

3、澆不足”、“冷隔”等缺陷。 提高澆注溫度 預(yù)熱鑄型等2-1液態(tài)金屬充型能力的基本概念n液態(tài)金屬的流動(dòng)性是用澆注“流動(dòng)性”試樣的方法衡量的。在實(shí)際中，是將試樣的結(jié)構(gòu)和鑄型性質(zhì)固定不變，在相同的澆注條下，澆注各種合金的流動(dòng)性試樣，以試樣的長(zhǎng)度或以試樣某處的厚薄程度表示該合金的流動(dòng)性。n由于影響液態(tài)金屬充型能力的因素很多，很難對(duì)各種合金在不同的鑄造條件下的充型能力進(jìn)行比較。所以，常常用上述固定條件下所測(cè)得的合金流動(dòng)性表示合金的充型能力。因此，可以認(rèn)為合金的流動(dòng)性是在確定條件下的充型能力。n用螺旋試樣測(cè)試流動(dòng)性1澆口杯2低壩3直澆道4螺旋5高壩6溢流道7全壓井2-3 影響充型能力的因素 及提高充型能力

4、的措施主要從四個(gè)方面進(jìn)行分析：一、金屬性質(zhì)方面的因素二、鑄型性質(zhì)方面的因素三、澆注條件方面的因素四、鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素一、金屬性質(zhì)方面的因素1 合金成分 這類因素是內(nèi)因，決定了金屬本身的流動(dòng)能力流動(dòng)性。n合金的流動(dòng)性與其成分之間存在著一定的規(guī)律性。在流動(dòng)性曲線上，對(duì)應(yīng)著純金屬、共晶成分和金屬間化合物的地方出現(xiàn)最大值，而有結(jié)晶溫度范圍的地方流動(dòng)性下降，且在最大結(jié)晶溫度范圍附近出現(xiàn)最小值。 SbCd合金流動(dòng)性與狀態(tài)團(tuán)的關(guān)系金屬間化合物CdSb在過(guò)熱度相同時(shí)：純鐵的流動(dòng)性好，隨碳量的增加，結(jié)晶溫度范圍擴(kuò)大，流動(dòng)性下降。在Wc2.1%附近，結(jié)晶溫度范圍最大，在液相線以上過(guò)熱度相同的情況下，流動(dòng)性最差。

5、在亞共晶鑄鐵中，越接近共晶成分，流動(dòng)性越好，共晶成分鑄鐵的流動(dòng)性最好。這是因?yàn)楹剂吭降停Y(jié)晶溫度范圍越寬，初生奧氏體枝晶就越發(fā)達(dá)，數(shù)量不多的奧氏休枝晶，即足以阻塞液流的流動(dòng)。共晶鑄鐵的結(jié)晶組織比較細(xì)小，凝固層的走向平整，流動(dòng)阻力小，而且共晶成分鐵液澆注溫度低，向鑄型散熱慢，流動(dòng)時(shí)間也較長(zhǎng)，所以流動(dòng)性最好。碳量增加時(shí)，亞共晶鑄鐵的液相線溫度下降，在相同的澆注溫度下，鐵液的流動(dòng)性隨碳量增加而迅速提高。鑄鐵的結(jié)晶溫度范圍一般都比鑄鋼的寬，但鑄鐵的流動(dòng)性卻比鑄鋼的好。這是由于鑄鋼的熔點(diǎn)高，鋼液的過(guò)熱度一般都比鑄鐵的小，維持液態(tài)的流動(dòng)時(shí)間就要短；另外，由于鋼液的溫度高，在鑄型中散熱速度大，很快就析出一

6、定數(shù)量的枝晶，使鋼液失去流動(dòng)能力。高碳鋼的結(jié)晶溫度范圍雖然比低碳鋼的寬，但是，由于液相線溫度低，容易過(guò)熱，所以實(shí)際流動(dòng)性并不比低碳鋼差。一、金屬性質(zhì)方面的因素其它元素對(duì)鑄鐵流動(dòng)性的影響鑄鐵中磷量增加，液相線溫度下降，鐵液粘度下降；由于磷共晶增加，固相線溫度也下降，因此，可以提高流動(dòng)性。但是，磷量增加使鑄鐵變脆。通常不用增加磷量提高鑄鐵的流動(dòng)性。 藝術(shù)品鑄件一、金屬性質(zhì)方面的因素其它元素對(duì)鑄鐵流動(dòng)性的影響鑄鐵中硅的作用和碳相似，硅量增加，液相線溫度下降。因此，在同一過(guò)熱度下，鑄鐵的流動(dòng)性隨硅量增加而提高一、金屬性質(zhì)方面的因素其它元素對(duì)鑄鐵流動(dòng)性的影響錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.25時(shí)，錳本身對(duì)鑄鐵的流動(dòng)

7、性沒(méi)有影響。但是，當(dāng)含硫量增加時(shí)，一方面會(huì)產(chǎn)生較多的MnS夾雜物，懸浮在鐵液中，增加鐵液的粘度，另一方面，含S量越高，越易形成氧化膜，致使鐵液流動(dòng)性降低。 鎳和銅降低鑄鐵的液相線溫度，而稍許提高其流動(dòng)性，鉻提高液相線溫度而使流動(dòng)性下降。但是，這些元素在一般含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1）情況下，對(duì)流動(dòng)性的影響不明顯。一、金屬性質(zhì)方面的因素其它元素對(duì)鑄鐵流動(dòng)性的影響在化學(xué)成分和澆注溫度相同的情況下，稀土鎂球墨鑄鐵的流動(dòng)性比灰鑄鐵好。這是由于稀土鎂有脫硫、去氣和排除非金屬夾雜物使鐵液凈化的作用，但是原鐵液經(jīng)球化處理后，溫度下降很多，若原鐵液溫度較低，含硫高，則其流動(dòng)性比普通鑄鐵要差。一、金屬性質(zhì)方面的因素對(duì)

8、鑄鋼來(lái)說(shuō)：硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.6時(shí)，提高硅量，鋼液的流動(dòng)性增加。錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2時(shí)，對(duì)鋼液流動(dòng)性的影響不明顯，在214之間，使流動(dòng)性提高。鋼液中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.05時(shí)，提高其流動(dòng)性，但使鑄鋼變脆。隨碳量的增加，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。硫能形成難熔的MnS、Al2S3等夾雜物，使流動(dòng)性下降。鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.5%時(shí)，降低鋼液的流動(dòng)性。鋼的所有元素中，銅最有利于提高其流動(dòng)性。一、金屬性質(zhì)方面的因素2 結(jié)晶潛熱 這類因素是內(nèi)因，決定了金屬本身的流動(dòng)能力流動(dòng)性。結(jié)晶潛熱約占液態(tài)金屬熱含量的8590，但是，它對(duì)不同類型合金的流動(dòng)性影響是不同的。純金屬和共晶成分的合金在固定溫度下凝固，在一般的澆注條件下

9、，結(jié)晶潛熱的作用能夠發(fā)揮，是估計(jì)流動(dòng)性的一個(gè)重要因素。凝固過(guò)程中釋放的潛熱越多，則凝固進(jìn)行得越緩慢，流動(dòng)性就越好。將具有相同過(guò)熱度的純金屬澆入冷的金屬型試樣中，其流動(dòng)性與結(jié)晶潛熱相對(duì)應(yīng)：Pb的流動(dòng)性最差，Al的流動(dòng)性最好，Zn、Sb、Cd、Sn依次居于中間。一、金屬性質(zhì)方面的因素2 結(jié)晶潛熱 這類因素是內(nèi)因，決定了金屬本身的流動(dòng)能力流動(dòng)性。對(duì)于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金，散失一部分(約20)潛熱后，晶粒就連成網(wǎng)絡(luò)而阻塞流動(dòng)，大部分結(jié)晶潛熱的作用不能發(fā)揮，所以對(duì)流動(dòng)性影響不大。但是，也有例外的情況：例如在相同的過(guò)熱度下AlSi合金的流動(dòng)性，在共晶成分處并非最大值，而在過(guò)共晶區(qū)里繼續(xù)增加：一、金屬性質(zhì)

10、方面的因素2 結(jié)晶潛熱因?yàn)槌跎嗍潜容^規(guī)整的塊狀晶體，且具有較小的機(jī)械強(qiáng)度，不形成堅(jiān)強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，能夠以液固混合狀態(tài)在液相線溫度以下流動(dòng)，結(jié)晶潛熱得以發(fā)揮。 相的潛熱為141x104Jkg，比 相約大三倍。LL L一、金屬性質(zhì)方面的因素2 結(jié)晶潛熱此外，和亞共晶合金對(duì)比，析出相同數(shù)量的固相量時(shí)，過(guò)共晶合金具有較高的實(shí)際過(guò)熱度。一、金屬性質(zhì)方面的因素2 結(jié)晶潛熱由于較大的結(jié)晶潛熱而使流動(dòng)性在過(guò)共晶區(qū)繼續(xù)增長(zhǎng)的情況，據(jù)目前的資料，只有鑄鐵(石墨的潛熱為383x104Jkg，比鐵大14倍)、PbSb、AlSi合金。一、金屬性質(zhì)方面的因素3 金屬的比熱容、密度和導(dǎo)熱系數(shù)比熱容和密度較大的合金，因其本身含有

11、較多的熱量，在相同的過(guò)熱度下，保持液態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，流動(dòng)性好。導(dǎo)熱系數(shù)小的合金，熱量散失慢，保持流動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)；導(dǎo)熱系數(shù)小，在凝固期間液固并存的兩相區(qū)小，流動(dòng)阻力小，故流動(dòng)性好。一、金屬性質(zhì)方面的因素4 液態(tài)金屬的粘度根據(jù)水力學(xué)分析，粘度對(duì)層流運(yùn)動(dòng)的流速影響較大，對(duì)紊流運(yùn)動(dòng)的流速影響較小。實(shí)際測(cè)得，金屬液在澆注系統(tǒng)中或在試樣中的流速，除停止流動(dòng)前的階段外都大于臨界速度，是紊流運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，粘度對(duì)流動(dòng)性的影響不明顯。在充型的最后很短的時(shí)間內(nèi)，由于通道截面積縮小，或由于液流中出現(xiàn)液固混合物時(shí)，特別是在此時(shí)因溫度下降而使粘度顯著增加時(shí)，粘度對(duì)流動(dòng)性才表現(xiàn)出較大的影響。一、金屬性質(zhì)方面的因素5 表面張

12、力造型材料一般不被液態(tài)金屬潤(rùn)濕，即潤(rùn)濕角90。故液態(tài)金屬在鑄型細(xì)簿部分的液面是凸起的，而由表面張力產(chǎn)生一個(gè)指向液體內(nèi)部的附加壓力，阻礙對(duì)該部分的充填。所以，表面張力對(duì)薄壁鑄件、鑄件的細(xì)簿部分和棱角的成形有影響。附加壓頭h在激冷作用較大的鑄型中，可在合金中加入表面活性元素或采用特殊涂料，降低或潤(rùn)濕角 。如果液態(tài)金屬表面上有能溶解的氧化物，如鑄鐵和鑄鋼中的氧化亞鐵，則潤(rùn)濕鑄型。這時(shí)附加壓力是負(fù)值，有助于金屬液向細(xì)薄部分充填，同時(shí)也有利于金屬液向鑄型砂粒之間的孔隙中滲透，促進(jìn)鑄件表面粘砂的形成。一、金屬性質(zhì)方面的因素為提高液態(tài)金屬的充型能力，在金屬方面可采取以下措施：1正確選擇合金的成分在不影響鑄件

13、使用性能的情況下，可根據(jù)鑄件大小、厚簿和鑄型性質(zhì)等因素，將合金成分調(diào)整到實(shí)際共晶成分附近，或選用結(jié)晶溫度范圍小的合金。對(duì)某些合金進(jìn)行變質(zhì)處理使晶粒細(xì)化，也有利于提高其充型能力。 2合理的熔煉工藝保持原材料和熔煉設(shè)備的潔凈多次熔煉的鑄鐵和廢鋼，應(yīng)盡量減少用量“高溫出爐，低溫澆注”二、鑄型性質(zhì)方面的因素 1鑄型的蓄熱系數(shù)鑄型的蓄熱系數(shù)b2表示鑄型從其中的金屬中吸取并儲(chǔ)存于本身中熱量的能力。蓄熱系數(shù)b2越大，鑄型的激冷能力就越強(qiáng)，金屬液于其中保持液態(tài)的時(shí)間就越短，充型能力下降。在金屬型鑄造中，經(jīng)常采用涂料調(diào)整其蓄熱系數(shù)b2 。為使金屬型澆口和冒口中的金屬液緩慢冷卻，常在一般的涂料中加入b2很小的石棉

14、粉。在砂型鑄造中，利用煙黑涂料解決大型薄壁鋁鎂合金鑄件的成型問(wèn)題，已在生產(chǎn)中收到效果。砂型的b2與造型材料的性質(zhì)、型砂成分的配比、砂型的緊實(shí)度等因素有關(guān)。二、鑄型性質(zhì)方面的因素 2鑄型的溫度預(yù)熱鑄型能減小金屬與鑄型的溫差，從而提高其充型能力。例如，在金屬型中澆注鋁合金鑄件鑄型溫度由340提高到520，在相同的澆注溫度（760）下，螺旋線的長(zhǎng)度由525mm增加到950mm。用金屬型澆注灰鑄鐵時(shí)，鑄型的溫度不但影響充型能力，而且影響影響鑄件是否出現(xiàn)白口組織。在熔模鑄造中，為得到清晰的輪廓，殼將型殼加熱到800以上進(jìn)行澆注。二、鑄型性質(zhì)方面的因素 3鑄型中的氣體鑄型有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型

15、之間形成氣膜，殼減小流動(dòng)的阻力，利于充型。濕砂型中的流動(dòng)性比干砂型好。但是當(dāng)濕型中的水大于6和煤粉大于7時(shí)，由于發(fā)氣量過(guò)大，在型腔中產(chǎn)生反壓力，充型能力下降。BACK三、澆注條件方面的因素1 澆注溫度澆注溫度對(duì)液態(tài)金屬的充型能力有決定性的影響，如圖所示。在一定溫度范圍內(nèi)，充型能力隨澆注溫度的提高而直線上升，超過(guò)某界限后，由于金屬吸氣多，氧化嚴(yán)重，充型能力的提高幅度越來(lái)越小。三、澆注條件方面的因素1 澆注溫度對(duì)于薄壁鑄件或流動(dòng)性差的合金，利用提高澆注溫度改善充型能力的措施，在生產(chǎn)中經(jīng)常采用，也比較方便。但是，隨著澆注溫度的提高，鑄件一次結(jié)晶組織粗大，容易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、裂紋等缺陷，必須綜合

16、考慮。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，一般鑄鋼的澆注溫度為15201620，鋁合金為680780。薄壁復(fù)雜鑄件取上限，厚大鑄件取下限?；诣T鐵件的澆注溫度可參考下表的數(shù)據(jù)。三、澆注條件方面的因素2 充型壓頭液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力越大，充型能力就越好。在生產(chǎn)中，用增加金屬液的靜壓頭的方法提高充型能力，是經(jīng)常采用的工藝措施。其他方式外加壓力，例如壓鑄、低壓鑄造、真空吸鑄等，也都能提高金屬液的充型能力。金屬液的充型速度過(guò)高時(shí)，不僅要發(fā)生噴射和飛濺現(xiàn)象，使金屬氧化和產(chǎn)生“鐵豆”缺陷，而且型腔中的氣體來(lái)不及排出，產(chǎn)生反壓力，還造成“澆不足”、“冷隔”缺陷。三、澆注條件方面的因素3 澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜

17、，流動(dòng)阻力越大，在靜壓頭相同的情況下，充型能力九越差。在鋁鎂合金鑄造中，為使金屬流動(dòng)平穩(wěn)，常采用蛇形、片狀直澆道，流動(dòng)阻力大，充型能力顯著下降。在鑄鐵件上常采用的阻流式、緩流式澆注系統(tǒng)也影響金屬液的充型能力。澆口杯對(duì)金屬液有凈化作用，但散熱快，使充型能力降低。BACK四、鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素1 折算厚度(換算厚度、當(dāng)量厚度、模數(shù))衡量鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的因素是鑄件的折算厚度和復(fù)雜程度，它們決定了鑄型型腔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。如果鑄件的體積相同，在同樣的澆注條件下，折算厚度大的鑄件，由于它與鑄型的接觸表面積相對(duì)較小，熱量散失比較緩慢，則充型能力較高。鑄件的壁越薄，折算厚度就越小，就越不容易被充滿。n鑄件壁厚相同時(shí)，若對(duì)鑄型中水平壁和垂直壁進(jìn)行比較，則垂直壁容易充滿，如圖所示。因此，對(duì)薄壁鑄件應(yīng)正確選擇澆注位置。鑄鋼，澆注溫度1550四、鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素2 鑄件的復(fù)雜程度鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚薄部分過(guò)渡面較多。則型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)阻力大，鑄型的