金屬熱加工原理8-1課件

第八章鑄件形成技術(shù)基礎(chǔ)鑄造—將液態(tài)金屬澆注到鑄型內(nèi)，，凝固，并獲得具有型腔形狀的鑄件。★液態(tài)金屬充型過(guò)程及與它相關(guān)的問(wèn)題★實(shí)際鑄件的凝固

掌握實(shí)際凝固過(guò)程中的熱交換問(wèn)題，認(rèn)識(shí)鑄件的凝固規(guī)律，研究凝固過(guò)程的控制途徑，對(duì)于鑄造缺陷的防治，改善鑄件質(zhì)量，提高鑄件的性能從而獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件，有著十分重要的意義！1§8-1液態(tài)金屬的充型--鑄件形成的第一階段一、液態(tài)金屬的充型能力基本概念：液態(tài)金屬充滿(mǎn)鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰

的鑄件的能力，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力，簡(jiǎn)稱(chēng)液態(tài)金屬的充型能力實(shí)驗(yàn)證明，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。種類(lèi)鑄件最小壁厚（mm）砂型金屬型熔模鑄造殼型壓鑄灰鑄鐵3>40.4-0.80.8-1.5--鑄鋼48-100.5-1.02.5--鋁合金33-4----0.6-0.82結(jié)論：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，是各因素的綜合反映。流動(dòng)性：金屬本身的流動(dòng)能力，稱(chēng)為“流動(dòng)性”，是金屬鑄造性能之一。影響因素（1）金屬的成分。（2）液體的溫度。（3）雜質(zhì)的含量及物理特性。其它條件相同時(shí)，金屬的流動(dòng)性越好，合金的充型能力越強(qiáng)。注意：流動(dòng)性和充型能力的聯(lián)系和區(qū)別！30.45%C鑄鋼：200mm出氣口澆口杯4.3%C鑄鐵：1800mm合金的螺旋形流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)與模擬均證明鑄鐵的流動(dòng)性好，鑄鋼的流動(dòng)性差。5一些合金的流動(dòng)性（螺旋試樣）合金造型材料澆注溫度/℃螺旋線長(zhǎng)度/mm鑄鐵C+Si=6.2%（wt）=5.9=5.2=4.2砂型1300180013001000600鑄鋼C=0.4%（wt）砂型16001640100200鋁硅合金金屬型（300℃）680-720700-800鎂合金砂型700400-600錫青銅（Sn=9-11%）硅黃銅（Si=1.5-4.5%）砂型砂型1040110042010006二、液態(tài)金屬的充型特點(diǎn)和對(duì)鑄件質(zhì)量的影響①粘性液體流動(dòng)粘性與合金的成分和溫度有關(guān)。溫度越低，粘性越大。水：無(wú)粘性，勻質(zhì)的單相體液體金屬：粘性，非勻質(zhì)的多相體（S、L、G）②不穩(wěn)定流動(dòng)充型過(guò)程是液態(tài)金屬與鑄型之間一種不穩(wěn)定的熱交換過(guò)程。液體金屬：粘性、流速、流態(tài)隨溫度變化而變化，使金屬流動(dòng)不穩(wěn)定。高溫金屬液與氣體和型壁作用使金屬氧化，增加氧化夾雜，容易形成夾雜、冷隔和澆不足等缺陷。鑄型：鑄型中水分蒸發(fā)，有機(jī)物燃燒，鑄型材料組成物的分解和氣化，使型腔內(nèi)氣壓增加。氣壓過(guò)大，會(huì)阻礙金屬液的流動(dòng)，或侵入金屬液內(nèi)，產(chǎn)生澆不足、冷隔和氣孔。7三、液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理—取決于結(jié)晶溫度范圍1）純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度范圍很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理a）Ⅰ區(qū)：純液態(tài)流動(dòng)b）Ⅱ區(qū)：先形成凝固殼，又被完全熔化c）Ⅲ區(qū)：未被完全熔化而保留下來(lái)的一部分固相區(qū)。（熔液無(wú)過(guò)熱熱量）

Ⅳ區(qū)：兩相溫度相同—結(jié)晶溫度。斷面附近易堵塞，熔液停流。這類(lèi)金屬的流動(dòng)性與固體層內(nèi)表面的粗糙度、毛細(xì)管阻力及在結(jié)晶溫度下的流動(dòng)能力有關(guān)。92）結(jié)晶溫度范圍很寬的合金停止流動(dòng)機(jī)理a）純液態(tài)流動(dòng)b）T<TL，析出晶體，順流前進(jìn)，并長(zhǎng)大。前端冷卻最快，使粘度增加，流速減慢c）晶粒數(shù)量達(dá)到某一臨界數(shù)量時(shí)，便結(jié)成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)液流壓力不能克服此網(wǎng)絡(luò)的阻力時(shí)，即發(fā)生堵塞而停止流動(dòng)前端析出15~20％的固相量時(shí)，流動(dòng)就停止。

純金屬等第一種合金充型能力強(qiáng)！??！10四、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施影響充型能力的因素大致可以歸納為四類(lèi)：第一類(lèi)因素----金屬性質(zhì)方面的因素（1）金屬的密度ρ1；（2）金屬的比熱容c1；（3）金屬的導(dǎo)熱系數(shù)λ1；（4）金屬的結(jié)晶潛熱L;（5）金屬的粘度η;（6）金屬的表面張力σ;（7）金屬的結(jié)晶特點(diǎn)。第二類(lèi)因素------鑄型性質(zhì)方面的因素（1）鑄型的蓄熱系數(shù)b2；（2）鑄型的密度ρ2；（3）鑄型的比熱容C2；（4）鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)λ2；（5）鑄型的溫度；（6）鑄型的涂料層；（7）鑄型的發(fā)氣性和透氣性。

111、金屬性質(zhì)方面的因素—內(nèi)因，決定了流動(dòng)性的高低①

合金的成分合金的流動(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。

13Ｆｅ-Ｃ合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系合金成分對(duì)流動(dòng)性的影響14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Wc＝2.1%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。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?，結(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。

15其它元素對(duì)鑄鐵流動(dòng)性的影響

（1）磷鑄鐵中磷量增加，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。17（2）硅（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。（3）錳和硫錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.25％時(shí)，錳本身對(duì)鑄鐵的流動(dòng)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。18②結(jié)晶潛熱—T不變時(shí)，單位質(zhì)量的物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時(shí)

所釋放的熱量。結(jié)晶潛熱約占液態(tài)金屬熱含量的85-90％，但是，它對(duì)不同類(lèi)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，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。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。19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。型腔越細(xì)薄，棱角的曲率半徑越小，表面張力的影響則越大。為克服附加壓力的阻礙，必須在正常的充型壓頭上增加一個(gè)附加壓頭h。③表面張力21

④液態(tài)金屬的粘度

—與其成分、T、夾雜物含量、狀態(tài)有關(guān)

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，即在充型過(guò)程前期是紊流運(yùn)動(dòng)，粘度對(duì)流動(dòng)性的影響不明顯；而在充型過(guò)程后期凝固中，是層流運(yùn)動(dòng)，粘度對(duì)流動(dòng)性影響較大。22

⑤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。

⑥合金的熔煉過(guò)程控制氣體和夾雜物的含量，降低其含量，使粘度降低。23幾種鑄型材料的蓄熱系數(shù)材料銅鑄鐵鑄鋼粘土型砂濕砂鋸末煙黑溫度℃202020202020500蓄熱系數(shù)(104)3.671.341.30.110.230.02960.0076在金屬型鑄造中，經(jīng)常采用涂料調(diào)整其蓄熱系數(shù)b型。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b型很小的石棉粉。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。25預(yù)熱鑄型能減小金屬與鑄型的溫差，從而提高充型能力。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。在熔模鑄造中，為得到清晰的輪廓，將型殼加