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1、流动性与充型能力第1页，本讲稿共32页液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，叫做液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。液态金属的充型能力首先决定于其本身的流动能力，同时又受到外界条件如铸型性质、浇注条件、铸型结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。液态金属本身的流动能力称为流动性，它由液态金属的成分、温度、杂质的含量等决定，与外界因素无关。流动性是确定条件下的充型能力。液态合金的流动性好，其充型能力强；反之其充型能力差。但这可通过外界条件来提高充型能力。在不利的情况下，由于液态金属充性能力不好，则可能在铸件上产生浇不足、冷隔等缺陷。1、液态金属的流动性与充型能力第
2、2页，本讲稿共32页流动性对于排除液体金属中的气体和杂质，凝固过程中的补缩，防止开裂，获得优质的液态成形产品，有着重要的影响。液态金属的流动性越好，气体和杂质越易于上浮，使金属液得以净化。良好的流动性有利于防止缩松、热裂等缺陷的出现。液态金属的流动性越好，其充型能力就越强，反之其充型能力就差。一般来说，液态金属的粘度越小，其流动性就越好，充型能力越强。第3页，本讲稿共32页螺旋型试样螺旋型试样液态金属的流动性可用试验的方法进液态金属的流动性可用试验的方法进行测定，最常用的是用浇注行测定，最常用的是用浇注“流动性流动性试样试样”的方法衡量的。的方法衡量的。在实际中，是将试样的结构和铸型性在实际中
3、，是将试样的结构和铸型性质固定不变，在相同的浇注条件下，质固定不变，在相同的浇注条件下，例如在液相线以上相同的过热度或在例如在液相线以上相同的过热度或在同一的浇注温度下，浇注各种合金的同一的浇注温度下，浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度来表示该流动性试样，以试样的长度来表示该合金的流动性。合金的流动性。由于影响液态金属充型能力的因素很由于影响液态金属充型能力的因素很多，很难对各种合金在不同的铸造条多，很难对各种合金在不同的铸造条件下的充型能力进行比较，所以，常件下的充型能力进行比较，所以，常常用上述固定条件下所测得的合金流常用上述固定条件下所测得的合金流动性来表示合金的充型能力。动性来表示
4、合金的充型能力。第4页，本讲稿共32页常用合金的流动性常用合金的流动性(试样截面试样截面8mm8mm)第5页，本讲稿共32页纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理 在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动，图在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动，图a)，为，为区。区。金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，图图b)，而后的金属液是在被加热了的沟道中流动，而后的金属液是在被加热了的沟道中流动，冷却强度下降。由于液流通过冷却强度下降。由于液流通过区终点时，尚具有区终点时，尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，为第一定的过热度，将已凝
5、固的壳重新熔化，为第区。所以，该区是先形成凝固壳，又被完全熔。区。所以，该区是先形成凝固壳，又被完全熔。第第区是未被完全熔化而保留下来的一部分固相区，区是未被完全熔化而保留下来的一部分固相区，在该区的终点金属液耗尽了过热热量。在该区的终点金属液耗尽了过热热量。在第在第区里，液相和固相具有相同的温度：区里，液相和固相具有相同的温度：结晶结晶温度。由于在该区的起点处结晶开始较早，断面温度。由于在该区的起点处结晶开始较早，断面上结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞，图上结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞，图c)。二、液态金属停止流动机理第6页，本讲稿共32页对于宽结晶温度范围的合金，在液态金属的过
6、热热量完全散失之前也是纯液态流动。随流动继续向前，液态金属的温度降至合金的液相线以下，液流中开始析出晶体，顺流前进并不断长大。液流前端由于不断与型壁接触，冷却最快，析出晶粒的数量最多，使金属液的粘度增大，流速减慢。当晶粒数量达到某一临界值时，便结成一个连续的网络。若造成金属液流流动的压力不能克服此网络的阻力，就发生阻塞而停止流动。合金的结晶范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出相对较少的固相量，亦即在相对较短的时间内，液态金属便停止流动。试验表明，在液态金属的前端析出1520%的固相量时，流动就停止。结晶温度范围很窄宽的合金的停止流动机理 第7页，本讲稿共32页三、液态金属充型能力的计算液态金属
7、是在过热情况下充填铸型的，与铸型之间发生着强烈的热交换，是一个不稳定传热过程，因此，液态金属对铸型的充填也是一个不稳定的流动过程。l=v t 主要是计算流动时间主要是计算流动时间t假设以某成分合金浇注一水平棒形试样，合金的充型能力以l表示。V:在静压头H作用下液态金属在型腔中的平均流速t:液态金属自进入型腔到停止流动的时间 由流体力学原理可知 H:液态金属的静压头，:流速系数 第8页，本讲稿共32页假设：假设：铸型与液态金属接触表面的温度在浇注过程中不变；铸型与液态金属接触表面的温度在浇注过程中不变；液态金属在型腔中以等速流动；液态金属在型腔中以等速流动；液流断面上各点温度是均匀的；液流断面上
8、各点温度是均匀的；热量按垂直于型壁的方向传导，不考虑对流与辐射。热量按垂直于型壁的方向传导，不考虑对流与辐射。以宽凝固范围的合金为例，时间t分为两个阶段第一阶段：从浇注温度到液相线温度液态金属流动的时间t1第二阶段：由液相线温度到停止流动的时间t2流动时间流动时间tt1+t2第9页，本讲稿共32页第一阶段(t1)距液流端部x的dx元段，在dt时间内通过表面积dA散出的热量，等于该时间内金属温度下降dT放出的热量，热平衡方程式为 T：dx元段的金属温度，元段的金属温度，T型型：铸型的初始温度，铸型的初始温度，dA：dx元段与铸型相接触的表面积，元段与铸型相接触的表面积，m2t：时间，时间，sdV
9、：元段的体积，元段的体积，m3 1：液态金属的密度，液态金属的密度，kg/m3c1：液态金属的比热，液态金属的比热，J/kg：换热系数，换热系数，W/m2第10页，本讲稿共32页式中 F-试样的断面积，m2 P-断面积F的周长，m当t=x/v时，T=T浇；T=TL时，t=t1；上式积分后得：式中式中TL-合金的液相线温度，合金的液相线温度，T浇浇-合金的浇注温度，合金的浇注温度，第11页，本讲稿共32页 第二阶段（t2）金属液继续向前流动时开始析出固相，此时热平衡方程式为式中 -合金在合金在TL到到Tk（停止流动温度）温度范围内的密度，近似地取（停止流动温度）温度范围内的密度，近似地取*=1
10、-合金在TL到Tk温度范围内的当量比热，近似地取 k-停止流动时液流前端的固相数量 L-合金的结晶潜热，J/kg第12页，本讲稿共32页当t=t1时，T=TL;t=t2时,T=Tk,上式积分后得 液态金属总的流动时间t=t1+t2 第13页，本讲稿共32页 液态金属的充型能力l 将对数项展开取第一项：并近似地以()代替 第14页，本讲稿共32页略去x项 第15页，本讲稿共32页四、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施四、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施第一类因素第一类因素金属性质方面：金属性质方面：1，c1,1,L,T(结晶特点结晶特点)第二类因素第二类因素铸型性质方面：铸型性质方面：
11、2，c2,2,T型型，涂料层，透气性，涂料层，透气性第三类因素第三类因素浇注条件方面：浇注条件方面：T浇浇，H(压头压头)，外力场，外力场第四类因素第四类因素铸件结构方面：铸件结构方面：铸件厚度，结构复杂程度铸件厚度，结构复杂程度(型腔型腔)第16页，本讲稿共32页1金属性质方面的因素金属性质方面的因素1）合金成分合金成分合合金金的的流流动动性性与与其其成成分分之之间间存存在在着着一一定定的的规规律律性性。在在流流动动性性曲曲线线上上，对对应应着着纯纯金金属属、共共晶晶成成分分和和金金属属间间化化合合物物的的地地方方出出现现最最大大值值，而而有有结结晶晶温温度度范范围围的的地地方方流流动动性性
12、下下降降，且且在在最最大大结结晶晶温温度度范范围围附附近近出出现现最最小小值值。合合金金成成分分对对流流动动性性的的影影响响，主主要要是是成成分分不不同同时时，合合金金的的结结晶晶特特点不同造成的。点不同造成的。这这是是铸铸造造合合金金多多选选用用共共晶晶合合金金或或凝凝固固温温度度范范围围小小的的合合金金的的根根本原因。本原因。第17页，本讲稿共32页第18页，本讲稿共32页图图Fe-C合金状态图与流动性的关系合金状态图与流动性的关系第19页，本讲稿共32页铸铁的结晶温度范围一般都比铸钢的宽，可是铸铁的流铸铁的结晶温度范围一般都比铸钢的宽，可是铸铁的流动性比铸钢的好。这是由于铸钢的熔点高，钢
13、液的过热动性比铸钢的好。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，散热快，很快就析出一定数量外，由于钢液的温度高，散热快，很快就析出一定数量的枝晶使钢液失去流动能力。的枝晶使钢液失去流动能力。初生晶的形态影响流动性，如果初生晶为树枝晶，对液初生晶的形态影响流动性，如果初生晶为树枝晶，对液体金属流动的阻碍就大，如果初生晶强度不高，就不易体金属流动的阻碍就大，如果初生晶强度不高，就不易形成网络而阻碍流动，如果初生晶为园形、方形等形态，形成网络而阻碍流动，如果初生晶为园形、方形等形态，对流动的
14、阻碍就小。对流动的阻碍就小。第20页，本讲稿共32页2）结晶潜热）结晶潜热结结晶晶潜潜热热约约占占液液态态金金属属热热含含量量的的85%90，但但是是，它它对对不不同同类型合金流动性的影响是不同的。类型合金流动性的影响是不同的。纯纯金金属属和和共共晶晶成成分分合合金金在在固固定定温温度度下下凝凝固固，在在一一般般的的浇浇注注条条件件下下，结结晶晶潜潜热热的的作作用用能能够够发发挥挥，是是影影响响流流动动性性的的一一个个重重要要因因素素。凝凝固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。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。对于结晶温度范围较宽的合金，散失约对于结
15、晶温度范围较宽的合金，散失约20潜热后，晶粒就潜热后，晶粒就连成网络而阻塞流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥连成网络而阻塞流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥,所所以对流动性的影响不大。以对流动性的影响不大。A1-Si合金的流动性，在共晶成分处并非最大值，而在过合金的流动性，在共晶成分处并非最大值，而在过共晶区里继续增加，是因为初生硅相块状晶体，有较小的共晶区里继续增加，是因为初生硅相块状晶体，有较小的机械强度，不形成坚强的网络，结晶潜热得以发挥。硅相机械强度，不形成坚强的网络，结晶潜热得以发挥。硅相的结晶潜热比的结晶潜热比 相大三倍。相大三倍。第21页，本讲稿共32页第22页，本讲稿共32页3
16、）金属的比热、密度和导热系数）金属的比热、密度和导热系数比比热热和和密密度度较较大大的的合合金金，因因其其本本身身含含有有较较多多的的热热量量，流流动动性性好好。导导热热系系数数小小的的合合金金，热热量量散散失失慢慢，保保持持流流动动的的时时间间长长；导导热热系系数数小小，在在凝凝固固期期间间液液固固并并存存的的两两相相区区小小，流流动动阻阻力力小小，故流动性好。故流动性好。4）液态金属的粘度）液态金属的粘度粘粘度度对对层层流流运运动动的的流流速速影影响响较较大大；对对紊紊流流运运动动的的流流速速影影响响较较小小。金金属属液液在在浇浇注注系系统统或或试试样样中中的的流流速速，一一般般都都是是紊
17、紊流流运运动动。粘粘度度的的影影响响是是不不明明显显的的。在在充充型型的的最最后后很很短短的的时时间间内内，由由于于通通道道面面积积缩缩小小,或或由由于于液液流流中中出出现现液液固固混混合合物物时时，而而此此时时因因温温度度下降粘度显著增加，粘度对流动性才表现出较大的影响。下降粘度显著增加，粘度对流动性才表现出较大的影响。第23页，本讲稿共32页5）表面张力）表面张力造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角 90o。故液态金属在铸型细薄部分的液面是凸起的，而由表面故液态金属在铸型细薄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
18、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、铸件的细薄部分的充填。所以，表面张力对薄壁铸件、铸件的细薄部分和棱角的成形有影响。型腔越细薄，棱角的曲率半径超和棱角的成形有影响。型腔越细薄，棱角的曲率半径超小，表面张力的影响则越大。小，表面张力的影响则越大。第24页，本讲稿共32页2铸型性质方面的因素铸型性质方面的因素铸铸型型的的阻阻力力影影响响金金属属液液的的充充型型速速度度；铸铸型型与与金金属属的的热热交交换换强强度度影影响响金金属属液液保保持持流流动动的的时时间间。可可通通过过调调整整铸铸型型性性质质来改善金属的充型能力。来改善金属的充型能力。1）铸型的
19、蓄热系数）铸型的蓄热系数铸铸型型的的蓄蓄热热系系数数表表示示铸铸型型从从金金属属吸吸取取并并储储存存热热量量在在本本身身中中的的能能力力。铸铸型型吸吸取取较较多多的的热热量量而而本本身身的的温温升升较较小小，使使金金属属与与铸铸型之间在较长时间内保持较大的温差。型之间在较长时间内保持较大的温差。经常采用涂料调整铸型的蓄热系数和导热系数。经常采用涂料调整铸型的蓄热系数和导热系数。铸型的蓄热系数 第25页，本讲稿共32页2）铸型的温度）铸型的温度预预热热铸铸型型能能减减小小金金属属与与铸铸型型的的温温差差，从从而而提提高高其其充型能力。充型能力。3）铸型中的气体）铸型中的气体铸铸型型具具有有一一定
20、定的的发发气气能能力力，能能在在金金属属液液与与铸铸型型之之间间形形成气膜，可减小流动摩擦阻力，有利于充型成气膜，可减小流动摩擦阻力，有利于充型3浇注条件方面的因素浇注条件方面的因素1）浇注温度）浇注温度浇浇注注温温度度对对液液态态金金属属的的充充型型能能力力有有决决定定性性的的影影响响，在在一一定温度范围内，充型能力随浇注温度的提高而直线上升。定温度范围内，充型能力随浇注温度的提高而直线上升。第26页，本讲稿共32页2）充型压头）充型压头液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力就越好。在生产中，用增加金属液的静压头的方法力就越好。在生产中，用增加
21、金属液的静压头的方法提高充型能力，也是经常采取的工艺措施。其他方式提高充型能力，也是经常采取的工艺措施。其他方式外加压力，例如压铸、低压铸造、真空吸铸等，也都外加压力，例如压铸、低压铸造、真空吸铸等，也都能提高金属液的充型能力。能提高金属液的充型能力。3）浇注系统的结构）浇注系统的结构浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，在静压浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，在静压头相同的情况下，充型能力就越降低。头相同的情况下，充型能力就越降低。第27页，本讲稿共32页4.铸件结构方面的因素（1）铸件的折算厚度R铸件的壁越薄，R就越小，不易被充满。（2）铸件的复杂程度铸件越复杂，厚薄部分过度面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，铸型充填困难。第28页，本讲稿共32页作业第29页，本讲稿共32页第30页，本讲稿共32页第31页，本讲稿共32页第32页，本讲稿共32页