第1章 液態(tài)金屬充型能力9.3

1、1.4 1.4 液態(tài)金屬的流動(dòng)性與充型能力液態(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1.4.1 流動(dòng)性與充型能力的基本概念 液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄液態(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，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力，簡(jiǎn)稱液態(tài)金屬件的能力，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力，簡(jiǎn)稱液態(tài)金屬的充型能力。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，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

2、也不同，如表所示所能得到的最小壁厚也不同，如表所示不同金屬和不同鑄造方法鑄造的鑄件的最小壁厚結(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，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1.4 1.4 液態(tài)金屬的流動(dòng)性與充型能力液態(tài)金屬的流動(dòng)性與充型能力1.4.1 1.4.1 流動(dòng)性與充型能力的基本概念流動(dòng)性與充型能力的基本概念 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

3、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. 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。 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。 對(duì)于同一種合金，也可以用流動(dòng)性試樣研究各鑄造對(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

4、。例如，采用某一種結(jié)構(gòu)的流因素對(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)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。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)：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

5、；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。 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;（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；（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。 1.4.2 1.4.2 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及提高充型能力的措施第

6、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.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。在過熱度相同時(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

7、下降。在Wc2.1%附近，結(jié)晶溫度范圍最大，在液相線以上過熱度相同的情況下，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。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，鋼液的過熱度一般都比鑄鐵

8、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，容易過熱，所以實(shí)際流動(dòng)性并不比低碳鋼差。出氣口出氣口澆口杯澆口杯PbSb20406080204060800流動(dòng)性（流動(dòng)性（cm）100200300溫度溫度（）0 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 其它元素對(duì)鑄鐵流動(dòng)性的影響其它元素對(duì)鑄鐵流動(dòng)性的影響（1）磷 鑄鐵

9、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。 （2）硅 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。2 2、結(jié)晶潛熱、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

10、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。素。凝固過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。3 3、Al-SiAl-Si合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系 原因 如圖，和亞共晶合金對(duì)比，析出相同數(shù)量的固相時(shí)，過共晶合金具有較高的實(shí)際過熱度。 由于較大的結(jié)晶

11、潛熱而使流動(dòng)性在過共晶區(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。 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，是紊流運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，粘度對(duì)流動(dòng)性的

12、影響不明顯。 5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)鑄型完全不潤(rùn)濕，即潤(rùn)濕角為180 ，求附加壓頭h。 2 cos

13、hgrh=0.035mm，可見附加壓頭的數(shù)值很小，在一般情況下可不予考慮。 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，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)。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，降低表面活性元素或采用特殊涂料，降低 或潤(rùn)濕角或潤(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)濕鑄型的氧化

14、亞鐵，則潤(rùn)濕鑄型。這時(shí)附加壓力是負(fù)值，有助于金屬有助于金屬液向細(xì)薄部分充填，同時(shí)也會(huì)促使金屬液向鑄型砂粒之間的孔液向細(xì)薄部分充填，同時(shí)也會(huì)促使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隙中滲透，促進(jìn)鑄件表面粘砂的形成。 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 1正確選擇合金的成分正確選擇合金的成分 在不影響鑄件使用性能的情況下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 2合理的熔煉工藝合理的熔煉工藝 保持原

15、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，低溫澆注高溫出爐，低溫澆注” 二、鑄型性質(zhì)方面的因素二、鑄型性質(zhì)方面的因素 C C2 22 2-單位體積的鑄型在溫度升高單位體積的鑄型在溫度升高11時(shí)所吸取的熱量。時(shí)所吸取的熱量。 此值大，使金屬與鑄型之間在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較大的溫差。 2 2鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)大，鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)大，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。 蓄熱系數(shù)蓄熱系數(shù)b b2 2越大，鑄型的激冷能力就越強(qiáng)，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，

16、充型能力下降。金屬液于其中保持液態(tài)的時(shí)間就越短，充型能力下降。2222cb 在金屬型鑄造中，經(jīng)常采用涂料調(diào)整其蓄熱系數(shù)在金屬型鑄造中，經(jīng)常采用涂料調(diào)整其蓄熱系數(shù)b b2 2 。為使金屬型。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 b2 2很小的石很小的石棉粉。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題，已在生產(chǎn)中收到效果題，已在生產(chǎn)中收到效果。表2-6 幾種鑄型材料的蓄熱系數(shù)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

17、力。例如，在預(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金屬型中澆注鋁合金鑄件鑄型溫度由340340提高提高520520，在相同的澆注溫，在相同的澆注溫度（度（760760）下，螺旋線的長(zhǎng)度由）下，螺旋線的長(zhǎng)度由525mm525mm增加到增加到950mm950mm。 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。響鑄件是否出現(xiàn)白口組織。 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

18、小流動(dòng)的摩擦阻力，利于充型。流動(dòng)的摩擦阻力，利于充型。表2-7 濕砂型和干砂型中鋼液流動(dòng)性的比較 根據(jù)實(shí)驗(yàn)，濕型中的水大于根據(jù)實(shí)驗(yàn)，濕型中的水大于6 6和煤粉大于和煤粉大于7 7時(shí)，由于發(fā)氣量過時(shí)，由于發(fā)氣量過大，在型腔中產(chǎn)生反壓力，充型能大，在型腔中產(chǎn)生反壓力，充型能力下降。力下降。 型腔中氣體反壓力較大的情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，澆口杯、頂冒口中出現(xiàn)翻騰現(xiàn)象，甚至飛濺出來傷人。所以，鑄型中甚至飛濺出來傷人。所以，鑄型中的氣體對(duì)充型能力影響很大。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：減小鑄型中氣體反壓力的途徑：（1 1）適當(dāng)降低型砂中含水量和發(fā)氣物質(zhì)的含量，亦即減小砂型的發(fā)氣性；）適當(dāng)降低型砂中含水量和發(fā)氣物質(zhì)的含量，亦即減小砂型的發(fā)氣性；（2 2）提高砂型的透氣性）提高砂型的透氣性。圖 鑄型中水分和煤粉含量對(duì)低硅鑄鐵充型能力的影響（3 3）澆注系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)）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 2）充型壓