流動性與充型能力

流動性與充型能力第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一液態(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。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"等缺陷。

、液態(tài)金屬的流動性與充型能力第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一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，2023年，2月20日，星期一螺旋型試樣液態(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，2023年，2月20日，星期一常用合金的流動性(試樣截面8mm×8mm)第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一純金屬、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Ⅰ區(qū)。金屬液繼續(xù)流動，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Ⅰ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Ⅱ區(qū)。所以，該區(qū)是先形成凝固殼，又被完全熔。第Ⅲ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Ⅳ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，2023年，2月20日，星期一對于寬結(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。若造成金屬液流流動的壓力不能克服此網(wǎng)絡的阻力，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15~20%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，2023年，2月20日，星期一三、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，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=vt主要是計算流動時間t假設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，2023年，2月20日，星期一假設：①鑄型與液態(tài)金屬接觸表面的溫度在澆注過程中不變；②液態(tài)金屬在型腔中以等速流動；③液流斷面上各點溫度是均勻的；④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t＝t1+t2第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第一階段(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，2023年，2月20日，星期一式中F--試樣的斷面積，m2P--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，2023年，2月20日，星期一第二階段（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ρ*=ρ1

--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，2023年，2月20日，星期一當t=t1時，T=TL;t=t2時,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，2023年，2月20日，星期一液態(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，2023年，2月20日，星期一略去x項第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一四、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(型腔)第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1．

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，2023年，2月20日，星期一第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一圖Fe-C合金狀態(tài)圖與流動性的關系第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一鑄鐵的結(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，2023年，2月20日，星期一2）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，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，2023年，2月20日，星期一第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一3）金屬的比熱、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，2023年，2月20日，星期一5）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，2023年，2月20日，星期一2．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。可通過調(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，2023年，2月20日，星期一2）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，2023年，2月20日，星期一2）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