流動性與充型能力

1、流動性與充型能力第1頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四液態(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，叫做液態(tài)金屬充填鑄型的能力，簡稱液態(tài)金屬的充型能力。液態(tài)金屬的充型能力首先決定于其本身的流動能力，同時又受到外界條件如鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄型結(jié)構(gòu)等因素的影響，是各種因素的綜合反映。液態(tài)金屬本身的流動能力稱為流動性，它由液態(tài)金屬的成分、溫度、雜質(zhì)的含量等決定，與外界因素無關(guān)。流動性是確定條件下的充型能力。液態(tài)合金的流動性好，其充型能力強；反之其充型能力差。但這可通過外界條件來提高充型能力。在不利的情況下，由于液態(tài)金屬充性能力不好，則可能在鑄件上產(chǎn)生澆不足、冷隔等

2、缺陷。 、液態(tài)金屬的流動性與充型能力第2頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四流動性對于排除液體金屬中的氣體和雜質(zhì)，凝固過程中的補縮，防止開裂，獲得優(yōu)質(zhì)的液態(tài)成形產(chǎn)品，有著重要的影響。液態(tài)金屬的流動性越好，氣體和雜質(zhì)越易于上浮，使金屬液得以凈化。良好的流動性有利于防止縮松、熱裂等缺陷的出現(xiàn)。液態(tài)金屬的流動性越好，其充型能力就越強，反之其充型能力就差。一般來說，液態(tài)金屬的粘度越小，其流動性就越好，充型能力越強。 第3頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四螺旋型試樣液態(tài)金屬的流動性可用試驗的方法進行測定，最常用的是用澆注“流動性試樣”的方法衡量的。在實際中，是將

3、試樣的結(jié)構(gòu)和鑄型性質(zhì)固定不變，在相同的澆注條件下，例如在液相線以上相同的過熱度或在同一的澆注溫度下，澆注各種合金的流動性試樣，以試樣的長度來表示該合金的流動性。由于影響液態(tài)金屬充型能力的因素很多，很難對各種合金在不同的鑄造條件下的充型能力進行比較，所以，常常用上述固定條件下所測得的合金流動性來表示合金的充型能力。第4頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四常用合金的流動性(試樣截面8mm8mm)第5頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍很窄的合金停止流動機理 在金屬的過熱量未散失盡以前為純液態(tài)流動，圖a)，為區(qū)。金屬液繼續(xù)流動

4、，冷的前端在型壁上凝固結(jié)殼，圖b)，而后的金屬液是在被加熱了的溝道中流動，冷卻強度下降。由于液流通過區(qū)終點時，尚具有一定的過熱度，將已凝固的殼重新熔化，為第區(qū)。所以，該區(qū)是先形成凝固殼，又被完全熔。第區(qū)是未被完全熔化而保留下來的一部分固相區(qū)，在該區(qū)的終點金屬液耗盡了過熱熱量。在第區(qū)里，液相和固相具有相同的溫度： 結(jié)晶溫度。由于在該區(qū)的起點處結(jié)晶開始較早，斷面上結(jié)晶完畢也較早，往往在它附近發(fā)生堵塞，圖c)。二、液態(tài)金屬停止流動機理第6頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四對于寬結(jié)晶溫度范圍的合金，在液態(tài)金屬的過熱熱量完全散失之前也是純液態(tài)流動。隨流動繼續(xù)向前，液態(tài)金屬的溫度降至

5、合金的液相線以下，液流中開始析出晶體，順流前進并不斷長大。液流前端由于不斷與型壁接觸，冷卻最快，析出晶粒的數(shù)量最多，使金屬液的粘度增大，流速減慢。當晶粒數(shù)量達到某一臨界值時，便結(jié)成一個連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。若造成金屬液流流動的壓力不能克服此網(wǎng)絡(luò)的阻力，就發(fā)生阻塞而停止流動。 合金的結(jié)晶范圍越寬，枝晶就越發(fā)達，液流前端析出相對較少的固相量，亦即在相對較短的時間內(nèi)，液態(tài)金屬便停止流動。試驗表明，在液態(tài)金屬的前端析出1520%的固相量時，流動就停止。 結(jié)晶溫度范圍很窄寬的合金的停止流動機理 第7頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四三、液態(tài)金屬充型能力的計算液態(tài)金屬是在過熱情況下充填鑄型的，

6、與鑄型之間發(fā)生著強烈的熱交換，是一個不穩(wěn)定傳熱過程，因此，液態(tài)金屬對鑄型的充填也是一個不穩(wěn)定的流動過程。 l = v t 主要是計算流動時間t假設(shè)以某成分合金澆注一水平棒形試樣，合金的充型能力以l表示。 V: 在靜壓頭H作用下液態(tài)金屬在型腔中的平均流速t: 液態(tài)金屬自進入型腔到停止流動的時間 由流體力學原理可知 H :液態(tài)金屬的靜壓頭， :流速系數(shù) 第8頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四假設(shè)： 鑄型與液態(tài)金屬接觸表面的溫度在澆注過程中不變； 液態(tài)金屬在型腔中以等速流動； 液流斷面上各點溫度是均勻的； 熱量按垂直于型壁的方向傳導，不考慮對流與輻射。以寬凝固范圍的合金為例，時

7、間t分為兩個階段第一階段：從澆注溫度到液相線溫度液態(tài)金屬流動的時間t1第二階段：由液相線溫度到停止流動的時間t2流動時間tt1+t2第9頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四第一階段(t1)距液流端部x的dx元段，在dt時間內(nèi)通過表面積dA散出的熱量，等于該時間內(nèi)金屬溫度下降dT放出的熱量，熱平衡方程式為 T： dx元段的金屬溫度，T型： 鑄型的初始溫度，dA： dx元段與鑄型相接觸的表面積，m2t： 時間，sdV： 元段的體積，m31： 液態(tài)金屬的密度，kg/m3c1： 液態(tài)金屬的比熱，J/kg： 換熱系數(shù)，W/m2第10頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星

8、期四式中 F-試樣的斷面積，m2 P-斷面積F的周長，m當t=x/v時，T=T澆；T=TL時，t=t1；上式積分后得： 式中 TL -合金的液相線溫度， T澆-合金的澆注溫度，第11頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四 第二階段（t2） 金屬液繼續(xù)向前流動時開始析出固相，此時熱平衡方程式為式中 -合金在TL到Tk（停止流動溫度）溫度范圍內(nèi)的密度，近似地取*=1 -合金在TL到Tk溫度范圍內(nèi)的當量比熱，近似地取 k -停止流動時液流前端的固相數(shù)量 L -合金的結(jié)晶潛熱，J/kg第12頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四當t=t1時，T=TL; t=t2時,

9、T=Tk, 上式積分后得 液態(tài)金屬總的流動時間t=t1+t2 第13頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四 液態(tài)金屬的充型能力l 將對數(shù)項展開取第一項： 并近似地以()代替 第14頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四略去x項 第15頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四四、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施第一類因素金屬性質(zhì)方面：1，c1, 1, L, , , T(結(jié)晶特點)第二類因素鑄型性質(zhì)方面：2，c2, 2, T型，涂料層，透氣性第三類因素澆注條件方面： T澆，H(壓頭)，外力場第四類因素鑄件結(jié)構(gòu)方面： 鑄件厚度，結(jié)構(gòu)復雜程度(

10、型腔)第16頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四1金屬性質(zhì)方面的因素1） 合金成分 合金的流動性與其成分之間存在著一定的規(guī)律性。在流動性曲線上，對應著純金屬、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性下降，且在最大結(jié)晶溫度范圍附近出現(xiàn)最小值。合金成分對流動性的影響，主要是成分不同時，合金的結(jié)晶特點不同造成的。 這是鑄造合金多選用共晶合金或凝固溫度范圍小的合金的根本原因。第17頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四第18頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四圖 Fe-C合金狀態(tài)圖與流動性的關(guān)系第19頁，共32頁，2

11、022年，5月20日，11點9分，星期四鑄鐵的結(jié)晶溫度范圍一般都比鑄鋼的寬，可是鑄鐵的流動性比鑄鋼的好。這是由于鑄鋼的熔點高，鋼液的過熱度一般都比鑄鐵的小，維持液態(tài)的流動時間就要短，另外，由于鋼液的溫度高，散熱快，很快就析出一定數(shù)量的枝晶使鋼液失去流動能力。初生晶的形態(tài)影響流動性，如果初生晶為樹枝晶，對液體金屬流動的阻礙就大，如果初生晶強度不高，就不易形成網(wǎng)絡(luò)而阻礙流動，如果初生晶為園形、方形等形態(tài)，對流動的阻礙就小。 第20頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四2）結(jié)晶潛熱 結(jié)晶潛熱約占液態(tài)金屬熱含量的85%90，但是，它對不同類型合金流動性的影響是不同的。純金屬和共晶成分

12、合金在固定溫度下凝固，在一般的澆注條件下，結(jié)晶潛熱的作用能夠發(fā)揮，是影響流動性的一個重要因素。凝固過程中釋放的潛熱越多，則凝固進行得越緩慢，流動性就越好。對于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金，散失約20潛熱后，晶粒就連成網(wǎng)絡(luò)而阻塞流動，大部分結(jié)晶潛熱的作用不能發(fā)揮,所以對流動性的影響不大。 A1-Si合金的流動性，在共晶成分處并非最大值，而在過共晶區(qū)里繼續(xù)增加，是因為初生硅相塊狀晶體，有較小的機械強度，不形成堅強的網(wǎng)絡(luò)，結(jié)晶潛熱得以發(fā)揮。硅相的結(jié)晶潛熱比 相大三倍。 第21頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四第22頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四3）金屬的比熱

13、、密度和導熱系數(shù) 比熱和密度較大的合金，因其本身含有較多的熱量，流動性好。導熱系數(shù)小的合金，熱量散失慢，保持流動的時間長；導熱系數(shù)小，在凝固期間液固并存的兩相區(qū)小，流動阻力小，故流動性好。4）液態(tài)金屬的粘度 粘度對層流運動的流速影響較大；對紊流運動的流速影響較小。金屬液在澆注系統(tǒng)或試樣中的流速，一般都是紊流運動。粘度的影響是不明顯的。在充型的最后很短的時間內(nèi)，由于通道面積縮小,或由于液流中出現(xiàn)液固混合物時，而此時因溫度下降粘度顯著增加，粘度對流動性才表現(xiàn)出較大的影響。 第23頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四5）表面張力 造型材料一般不被液態(tài)金屬潤濕，即潤濕角90o。故液

14、態(tài)金屬在鑄型細薄部分的液面是凸起的，而由表面張力產(chǎn)生一個指向液體內(nèi)部的附加壓力，阻礙對該部分的充填。所以，表面張力對薄壁鑄件、鑄件的細薄部分和棱角的成形有影響。型腔越細薄，棱角的曲率半徑超小，表面張力的影響則越大。第24頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四2鑄型性質(zhì)方面的因素 鑄型的阻力影響金屬液的充型速度；鑄型與金屬的熱交換強度影響金屬液保持流動的時間?？赏ㄟ^調(diào)整鑄型性質(zhì)來改善金屬的充型能力。 1）鑄型的蓄熱系數(shù) 鑄型的蓄熱系數(shù)表示鑄型從金屬吸取并儲存熱量在本身中的能力。鑄型吸取較多的熱量而本身的溫升較小，使金屬與鑄型之間在較長時間內(nèi)保持較大的溫差。 經(jīng)常采用涂料調(diào)整鑄型

15、的蓄熱系數(shù)和導熱系數(shù)。鑄型的蓄熱系數(shù) 第25頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四 2）鑄型的溫度 預熱鑄型能減小金屬與鑄型的溫差，從而提高其充型能力。 3）鑄型中的氣體 鑄型具有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型之間形成氣膜，可減小流動摩擦阻力，有利于充型3澆注條件方面的因素 1）澆注溫度 澆注溫度對液態(tài)金屬的充型能力有決定性的影響，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。第26頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四 2）充型壓頭 液態(tài)金屬在流動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，也是經(jīng)常采取的工藝措施。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。 3）澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復雜，流動阻力越大，在靜壓頭相同的情況下，充型能力就越降低。 第27頁，共32頁，2022年，5月20日，11點9分，星期四4.