材料成形原理-第一章(2)液態(tài)金屬的充型能力

1、12/12/202111.4 液態(tài)金屬的流動(dòng)性與充型能力 1、充型能力的基本概念、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施12/12/202121.4.1 流動(dòng)性與充型能力的基本概念種類種類鑄鑄 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm）砂砂 型型金金 屬屬 型型熔模鑄造熔模鑄造殼殼 型型壓壓 鑄鑄灰鑄鐵灰鑄鐵3 34 40.4-0.80.4-0.80.8-1.50.8-1.5-鑄鋼鑄鋼4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5-鋁合金鋁合金3 33-43-4-0.6-0.80.6-0.8不同金屬和不同鑄造方法鑄造的鑄件的最小壁厚12/12/20213結(jié)論：液態(tài)金屬的充型能力

2、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，使各種因素的綜合反映。重點(diǎn)：區(qū)別流動(dòng)性和充型能力是兩個(gè)不同的概念12/12/20214 金屬的流動(dòng)性對(duì)于排出其中的氣體、雜質(zhì)和補(bǔ)縮、防裂,獲得優(yōu)質(zhì)鑄件有影響。金屬的流動(dòng)性好，氣體和雜質(zhì)易于上浮，使金屬凈化，有利于得到?jīng)]有氣孔和雜質(zhì)的鑄件。良好的流動(dòng)性，能使鑄件在凝固期間產(chǎn)生的縮孔得到金屬液的補(bǔ)縮，以及鑄件在凝固末期受阻而出現(xiàn)的熱裂得到液態(tài)金屬的彌合，因此，有利于這些曲線的防止。 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

3、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。 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。12/12/20215對(duì)于同一種合金，也可以用流動(dòng)性試樣研究各鑄造因素對(duì)其充型能力的影響。例如，采用某一種結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性試樣，改變型砂的水分、煤粉含量、澆注溫度、直澆道高度等等因素中的一個(gè)因素，以判斷該變動(dòng)因素對(duì)充型能力的影響。 流動(dòng)性試樣的類型很多，如螺旋形、球形等。 在生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用最多的是螺旋試樣，如圖所示。其優(yōu)點(diǎn)

4、：靈敏度高、對(duì)比形象、可供金屬液流動(dòng)相當(dāng)?shù)木嚯x，而鑄型的輪廓尺寸并不太大。缺點(diǎn)：金屬流線彎曲，沿途阻力損失較大，流程越長(zhǎng)散熱越多，故金屬的流動(dòng)條件和溫度條件都在隨時(shí)間改變，這必然影響到所測(cè)流動(dòng)性的準(zhǔn)確度；各次試驗(yàn)所用鑄型條件也很難精確控制；每做一次試驗(yàn)要造一次鑄型。12/12/202161.4.2 1.4.2 影響充型能力的因素及影響充型能力的因素及 提高充型能力的措施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： 第一類因素-金屬性質(zhì)方面的因素（1）金屬的密度1； （2）金屬的比熱容c1；（3）金屬的導(dǎo)熱系數(shù)1； （4）金屬的結(jié)晶潛熱L;（5）金屬的粘度; （6）金屬的表面張力;

5、（7）金屬的結(jié)晶特點(diǎn)。 第二類因素-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2 ；（3）鑄型的比熱容C2； （4）鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)2； 12/12/20217（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。第三類因素-澆注條件方面的因素（1）液態(tài)金屬的澆注溫度;（2）液態(tài)金屬的靜壓頭H;（3）澆注系統(tǒng)中壓頭損失總合;（4）外力場(chǎng)（壓力、真空、離心、振動(dòng)等）。第四類因素-鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素（1）鑄件的折算厚度R R=V（鑄件的體積）/S（鑄件的散熱表面積）或R=F（鑄件的斷面積）/P（斷面的周長(zhǎng)）（2）由鑄件結(jié)構(gòu)所規(guī)定的型腔的復(fù)雜程度引起的壓頭損失h.12

6、/12/20218合金的流動(dòng)性與其成分之間存在著一定的規(guī)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。12/12/2021912/12/202110 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。 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

7、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。12/12/202111出氣口出氣口澆口杯澆口杯Pb

8、Sb20406080204060800流動(dòng)性（流動(dòng)性（cm）100200300溫度（溫度（）012/12/202112 純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度 寬結(jié)晶溫度合金停止寬結(jié)晶溫度合金停止 很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖 流動(dòng)機(jī)理示意圖流動(dòng)機(jī)理示意圖 12/12/202113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。12/12/202114 （2）硅 鑄鐵中硅的作用和碳相似，硅量增加，液

9、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 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。12/12/2021152、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(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，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

10、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。12/12/2021163、Al-Si合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系12/12/202117 原因 初生相是比較規(guī)整的塊狀晶體，且具有較小的強(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)晶潛熱的一發(fā)揮。相的結(jié)晶潛熱為141kg,比相約大三倍。此外，如圖 表明，和亞共晶合金對(duì)比，析出相同數(shù)量的固相時(shí)，過(guò)共晶合金具有較高的實(shí)際過(guò)熱度。

11、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383 kg,，比鐵達(dá)14倍），Pb-Sb和Al-Si 合金。12/12/202118 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。 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

12、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。12/12/2021195表面張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。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，其值可從下面的例中得到一個(gè)概念。 鑄鐵件某細(xì)薄部部分的曲率半徑r=1mm，鑄鐵的含碳量為3.3%，表面張力=1.2N/m，當(dāng)澆注溫度為1380時(shí)，鐵水的密度=7000Kg/m2，并假設(shè)對(duì)鑄型

13、完全不潤(rùn)濕，即潤(rùn)濕角為180 ，求附加壓頭h。 2coshgr h=0.035mm，可見(jiàn)附加壓頭的數(shù)值很小，在一般情況下可不予考慮。12/12/202120 液態(tài)金屬充填鑄型尖角處的能力除與表面張力有關(guān)外，還與鑄型的激冷能力有關(guān)。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 。在激冷能力作用較小或預(yù)熱的鑄型中，如果澆注終了在尖角處合金仍為液態(tài)，直澆道中的壓頭則能克服附加壓力，而獲得足夠清晰的鑄件輪廓。 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

14、中滲透，促進(jìn)鑄件表面粘砂的形成。12/12/202121 綜上所述，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”12/12/202122二、鑄型性質(zhì)方面的因素二、鑄型性質(zhì)方面的因素 C22-單位體積的鑄型在溫度升高1時(shí)所吸取的熱量。 此值大，鑄型吸取較多的熱量而本身的溫升較小

15、，使金屬與鑄型之際那在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較大的溫差。 2鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)大，表示從金屬吸取的熱量能很快地由溫度較高的型內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)到溫度較低的“后方”，使鑄型參加蓄熱的部分增多，從而能夠儲(chǔ)存更多的熱量，并且鑄型內(nèi)表面的熱量能迅速傳走，溫升速度也就比較緩慢，而保持繼續(xù)吸取熱量的能力。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。2222cb12/12/202123表2-6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)3.671.341.30.

16、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)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。12/12/202124鑄型溫度鑄型溫度 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，將型殼

17、加熱到800以上進(jìn)行澆注12/12/202125 鑄型有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型之間形成氣膜，可減小流動(dòng)的摩擦阻力，利于充型。澆注溫度螺旋線長(zhǎng)度L/mm1570160016251650干砂型515575600665濕砂型580700750775表2-7 濕砂型和干砂型中鋼液流動(dòng)性的比較12/12/202126根據(jù)實(shí)驗(yàn)，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。型腔中氣體反壓力較大的情況下，金屬液可能較不進(jìn)去，或者澆口杯、頂冒口中出現(xiàn)翻騰現(xiàn)象，甚至飛濺出來(lái)傷人。所以，鑄型中的氣體對(duì)充型能力影響很大。 減小鑄型中氣體反壓力的途徑：（1）適當(dāng)降低型砂中

18、的含水量和發(fā)氣物質(zhì)的含量，亦即減小砂型的發(fā)氣性；（2）提高砂型的透氣性。12/12/202127（3）澆注系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu) 澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動(dòng)阻力越大，充型能力越差。 （2）充型壓力 液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力越大，充型能力越強(qiáng)。12/12/202128鑄件復(fù)雜程度3 3、鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素、鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素12/12/2021整理課件29本章結(jié)束12/12/202130合金的螺旋形流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)合金的螺旋形流動(dòng)性實(shí)驗(yàn) 在相同的條件下澆注各在相同的條件下澆注各種合金的流動(dòng)性試樣，種合金的流動(dòng)性試樣，以試樣的長(zhǎng)度表示該合以試樣的長(zhǎng)度表示該合金的流動(dòng)性，并以所測(cè)金的流動(dòng)性，并以所測(cè)得的合金流動(dòng)性表示合得的合金流動(dòng)性表示合金的充型能力。金的充型能力。 1.澆口杯澆口杯, 2.低壩低壩, 3.直直澆道澆道, 4. 螺旋螺旋 5. 高壩高壩, 6.溢流道溢流道,7.全壓井全壓井 下頁(yè)我們提供了對(duì)鑄鋼下頁(yè)我們提供了對(duì)鑄鋼和鑄鐵件流動(dòng)性的模擬和鑄鐵件流動(dòng)性的模擬結(jié)果結(jié)果12/12/202131