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1、第八章 铸件形成技术基础铸造 将液态金属浇注到铸型内，充满型腔，凝固，并获得具有型腔形状的铸件。液态金属充型过程及与它相关的问题 实际铸件的凝固掌握实际凝固过程中的热交换问题，认识铸件的凝固规律，研究凝固掌握实际凝固过程中的热交换问题，认识铸件的凝固规律，研究凝固过程的控制途径，对于铸造缺陷的防治，改善铸件质量，提高铸件的性能过程的控制途径，对于铸造缺陷的防治，改善铸件质量，提高铸件的性能从而获得优质的铸件，有着十分重要的意义！从而获得优质的铸件，有着十分重要的意义！18-1 液态金属的充型-铸件形成的第一阶段一、液态金属的充型能力基本概念：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰 的铸件
2、的能力，即液态金属充填铸型的能力，简称 液态金属的充型能力实验证明，同一种金属用不同的铸造方法，所能铸造的铸件最小壁厚不同。同样的铸造方法，由于金属不同，所能得到的最小壁厚也不同，如表所示。种种类类铸铸 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm）砂砂 型型金金 属属 型型熔模熔模铸铸造造壳壳 型型压压 铸铸灰灰铸铁铸铁3 34 40.4-0.80.4-0.80.8-1.50.8-1.5-铸钢铸钢4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5-铝铝合金合金3 33-43-4-0.6-0.80.6-0.82结论：液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流 动能力，同时又受外界条件，如
3、铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各因素的综合反映。流动性：金属本身的流动能力，称为：金属本身的流动能力，称为“流动性流动性”，是，是金金 属铸造性能之一。属铸造性能之一。影响因素（1）金属的成分。（2）液体的温度。（3）杂质的含量及物理特性。其它条件相同时，金属的流动性越好，合金的充型能力越强。注意：流动性和充型能力的联系和区别！3如何判定流动性的好坏？利用浇注“螺旋形试样”的方法来衡量。按合金充填型腔的长度或充填缝隙的厚薄程度表示该合金的流动性。在相同的条件下浇注各种合在相同的条件下浇注各种合金的流动性试样，以试样的金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流动性，长度表示该合金的
4、流动性，并以所测得的合金流动性表并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。示合金的充型能力。1.浇口杯浇口杯,2.低坝低坝,3.直浇道直浇道,4.螺旋螺旋 5.高坝高坝,6.溢流溢流道道,7.全压井全压井下页我们提供了对铸钢和铸下页我们提供了对铸钢和铸铁件流动性的模拟结果铁件流动性的模拟结果40.45%C 0.45%C 0.45%C 0.45%C 铸钢：铸钢：铸钢：铸钢：200mm200mm200mm200mm出气口浇口杯4.3%C 4.3%C 4.3%C 4.3%C 铸铁：铸铁：铸铁：铸铁：1800mm1800mm1800mm1800mm合金的螺旋形流动性实验合金的螺旋形流动性实验实验与模拟
5、均证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。实验与模拟均证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。5一些合金的流动性（螺旋试样）合金造型材料浇注温度/螺旋线长度/mm铸铁C+Si=6.2%（wt）=5.9 =5.2 =4.2砂型1300180013001000600铸钢 C=0.4%（wt）砂型16001640100200 铝硅合金金属型（300）680-720700-800 镁合金砂型700400-600锡青铜（Sn=9-11%）硅黄铜（Si=1.5-4.5%）砂型砂型1040110042010006二、液态金属的充型特点和对铸件质量的影响 粘性液体流动粘性与合金的成分和温度有关。温度越低，粘性越大。粘
6、性与合金的成分和温度有关。温度越低，粘性越大。水：无粘性，匀质的单相体液体金属：粘性，非匀质的多相体（S、L、G）不稳定流动充型过程是液态金属与铸型之间一种不稳定的热交换过程。液体金属液体金属：粘性、流速、流态随温度变化而变化，使金属流动不稳定。高温金属液与气体和型壁作用使金属氧化，增加氧化夹杂，容易形成夹杂、冷隔和浇不足等缺陷。铸型铸型：铸型中水分蒸发，有机物燃烧，铸型材料组成物的分解和气化，使型腔内气压增加。气压过大，会阻碍金属液的流动，或侵入金属液内，产生浇不足、冷隔和气孔。7 在“多孔管”中流动砂型具有透气性，其浇注系统和型腔可看作“多孔”的管道和容器。缺陷：a）铸件表面粘砂：压力过大
7、，金属液被压入型壁砂粒间的间隙内；b）卷入性气孔：液流与浇道壁不贴附，外界气体被带入型腔 紊流流动紊流：指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。流动时惯性力占主要地位。层流：流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。流动时粘性力占主要地位。8三、液态金属停止流动机理取决于结晶温度范围1）纯金属、共晶成分合金及结晶温度范围很窄的合金停止流动机理a）区：纯液态流动b）区：先形成凝固壳，又被完全熔化c）区：未被完全熔化而保留下来的 一部分固相区。（熔液无过热热量）区：两相温度相同结晶温度。断面附近易堵塞，熔液停流。这类金属的流动性与固体层内表面的粗糙度、毛细管
8、阻力及在结晶温度下的流动能力有关。92）结晶温度范围很宽的合金停止流动机理a）纯液态流动b）TTL，析出晶体，顺流前进，并长大。前端冷却最快，使粘度增加，流速减慢c）晶粒数量达到某一临界数量时，便结成 一个连续的网络。当液流压力不能克服 此网络的阻力时，即发生堵塞而停止流动前端析出前端析出前端析出前端析出15201520的固相量的固相量的固相量的固相量时，流动就停止。时，流动就停止。时，流动就停止。时，流动就停止。纯金属等第一种合金充型能力强！10四、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施影响充型能力的因素大致可以归纳为四类：第一类因素-金属性质方面的因素（1）金属的密度1；（2）金属的比热容
9、c1；（3）金属的导热系数1；（4）金属的结晶潜热L;（5）金属的粘度;（6）金属的表面张力;（7）金属的结晶特点。第二类因素-铸型性质方面的因素（1）铸型的蓄热系数b2；（2）铸型的密度2；（3）铸型的比热容C2；（4）铸型的导热系数2；（5）铸型的温度；（6）铸型的涂料层；（7）铸型的发气性和透气性。11第三类因素-浇注条件方面的因素（1）液态金属的浇注温度;（2）液态金属的静压头H;（3）浇注系统中压头损失总合;（4）外力场（压力、真空、离心、振动等）。第四类因素-铸件结构方面的因素（1）铸件的折算厚度R R=V（铸件的体积）/S（铸件的散热表面积）或R=F（铸件的断面积）/P（断面的周
10、长）（2）由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失h.121、金属性质方面的因素内因，决定了流动性的高低 合金的成分合金的流动性与其成分之间存在着一定的规律性。在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分的地方出现最大值，而有结晶温度范围的地方流动性下降，且在最大结晶温度范围附近出现最小值。13-合金流动性与成分的关系合金流动性与成分的关系合金流动性与成分的关系合金流动性与成分的关系合金成分对流动性的影响14 在过热度相同时：纯铁的流动性好，随碳量的增加，结晶温度范围扩大，流动性下降。在Wc2.1%附近，结晶温度范围最大，在液相线以上过热度相同的情况下，流动性最差。在亚共晶铸铁中，越接近共晶成
11、分，流动性越好，共晶成分铸铁的流动性最好。这是因为含碳量越低，结晶温度范围越宽，初生奥氏体枝晶就越发达，数量不多的奥氏休枝晶，即足以阻塞液流的流动。共晶铸铁的结晶组织比较细小，凝固层的走向平整，流动阻力小，而且共晶成分铁液浇注温度低，向铸型散热慢，流动时间也较长，所以流动性最好。碳量增加时，亚共晶铸铁的液相线温度下降，在相同的浇注温度下，铁液的流动性随碳量增加而迅速提高。15 铸铁的结晶温度范围一般都比铸钢的宽，但铸铁的流动性却比铸钢的好。这是由于铸钢的熔点高，钢液的过热度一般都比铸铁的小，维持液态的流动时间就要短；另外，由于钢液的温度高，在铸型中散热速度大，很快就析出一定数量的枝晶，使钢液失
12、去流动能力。高碳钢的结晶温度范围虽然比低碳钢的宽，但是，由于液相线温度低，容易过热，所以实际流动性并不比低碳钢差。16其它元素对铸铁流动性的影响（1）磷铸铁中磷量增加，液相线温度下降，铁液粘度下降；由于磷共晶增加，固相线温度也下降，因此，可以提高流动性。但是，磷量增加使铸铁变脆。通常不用增加磷量提高铸铁的流动性。17（2）硅（作用和碳相似）硅量增加，液相线温度下降。因此，在同一过热度下，铸铁的流动性随硅量增加而提高。（3）锰和硫 锰的质量分数低于0.25时，锰本身对铸铁的流动性没有影响。但是，当含硫量增加时，一方面会产生较多的MnS夹杂物，悬浮在铁液中，增加铁液的粘度，另一方面，含S量越高，越
13、易形成氧化膜，致使铁液流动性降低。18 结晶潜热T不变时，单位质量的物质从液态转变成固态时 所释放的热量。结晶潜热约占液态金属热含量的85-90，但是，它对不同类型合金的流动性影响是不同的。纯金属和共晶成分的合金在固定温度下凝固，在一般的浇注条件下，结晶潜热的作用能够发挥，是估计流动性的一个重要因素。凝固过程中释放的潜热越多，则凝固进行得越缓慢，流动性就越好。将具有相同过热度的纯金属浇入冷的金属型试样中，其流动性与结晶潜热相对应：Pb的流动性最差，Al的流动性最好，Zn、Sb、Cd、Sn依次居于中间。对于结晶温度范围较宽的合金，散失一部分(约20)潜热后，晶粒就连成网络而阻塞流动，大部分结晶潜
14、热的作用不能发挥，所以对流动性影响不大。19Al-Si合金流动性与成分的关系 原因：原因：初生Si相强度低，不容易形成坚固的枝晶网络，能够以液固混合状态在液相线温度以下流动，结晶潜热得以发挥。据目前的资料，只有铸铁、Pb-Sb和Al-Si合金由于较大的结晶潜热而使流动性在过共晶区继续增长。20 造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角90。故液态金属在铸型细簿部分的液面是凸起的，而由表面张力产生一个指向液体内部的附加压力，阻碍对该部分的充填。所以，表面张力对薄壁铸件、铸件的细簿部分和棱角的成形有影响。型腔越细薄，棱角的曲率半径越小，表面张力的影响则越大。为克服附加压力的阻碍，必须在正常的充型压头
15、上增加一个附加压头h。表面张力21 液态金属的粘度 与其成分、T、夹杂物含量、状态有关 根据水力学分析，粘度对层流运动的流速影响较大，对紊流运动的流速影响较小。实际测得，金属液在浇注系统中或在试样中的流速，除停止流动前的阶段外都大于临界速度，即在充型过程前期是紊流运动，粘度对流动性的影响不明显；而在充型过程后期凝固中，是层流运动，粘度对流动性影响较大。22 金属的比热容、密度和导热系数 比热容和密度较大的合金，因其本身含有较多的热量，在相同的过热度下，保持液态的时间长，流动性好。导热系数小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长；导热系数小，在凝固期间液固并存的两相区小，流动阻力小，故流动性好。合
16、金的熔炼过程 控制气体和夹杂物的含量，降低其含量，使粘度降低。23 C型型-单位体积的铸型在温度升高1时所吸取的热量。此值大，铸型吸取较多的热量而本身的温升较小，使金属与 铸型在较长时间内保持较大的温差。型铸型的导热系数大，表示从金属吸取的热量能很快地由温度较高的型内表面传导到温度较低的“后方”，使铸型参加蓄热的部分增多，从而能够储存更多的热量，并且铸型内表面的热量能迅速传走，温升速度也就比较缓慢，而保持继续吸取热量的能力。铸型的蓄热系数b型表示铸型从其中的金属中吸取并储存于本身中热量的能力。蓄热系数b型越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。2、铸型方面的
17、因素 铸型的蓄热系数表示铸型从液态金属中吸取并储存 在本身中热量的能力24几种铸型材料的蓄热系数材料铜铸铁铸钢粘土型砂湿砂锯末烟黑温度202020202020500蓄热系数(104)3.671.341.30.110.230.02960.0076 在金属型铸造中，经常采用涂料调整其蓄热系数b型。为使金属型浇口和冒口中的金属液缓慢冷却，常在一般的涂料中加入b型很小的石棉粉。在砂型铸造中，利用烟黑涂料解决大型薄壁铝镁合金铸件的成型问题，已在生产中收到效果。25预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高充型能力。例如，在金属型中浇注铝合金铸件铸型温度由340提高到520，在相同的浇注温度（760）下，螺
18、旋线的长度由525mm增加到950mm。在熔模铸造中，为得到清晰的轮廓，将型壳加热到800以上进行浇注。铸型温度 铸型中的气体 铸型有一定的发气能力，能在金属液与铸型之间形成气膜，可减小流动的摩擦阻力，利于充型。26 浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。浇注温度 一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。过高氧化严重。充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。3、浇注条件方面的因素27 铸件复杂程度 铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。4、铸件结构方面的因素 铸件的模数（折算厚度R）R=V(铸件的体积)/S(铸件的散热表面积)或R=F(铸件的断面积)/P(断面的周长)28