液態(tài)金屬的流動(dòng)性及充型能力

1、液態(tài)金屬的流動(dòng)性及充型能力液態(tài)金屬充填過(guò)程是鑄件形成的第一階段，鑄件的許多缺陷是 在這個(gè)過(guò)程中形成的。為了獲得優(yōu)質(zhì)健全的鑄件，必須掌握和控制 這個(gè)過(guò)程。為此，研究液態(tài)金屬充滿鑄型的能力，以便得到形狀完 整、輪廓清晰的鑄件，防止在充型階段產(chǎn)生缺陷一、充型的概念液態(tài)合金充滿型腔，形成輪廓清晰、形狀完整的優(yōu)質(zhì)鑄件的能 力，稱(chēng)為液態(tài)合金的流動(dòng)性又叫做充型能力。液態(tài)合金的流動(dòng)性愈 好，不僅易于鑄造出輪廓清晰，薄而形狀復(fù)雜的鑄件，而且有助于 液態(tài)合金在鑄型中收縮時(shí)得到補(bǔ)充，有利于液態(tài)合金中的氣體及非 金屬夾雜物上浮與排除。若流動(dòng)性不好，則易使鑄件產(chǎn)生澆不足、 冷隔、氣孔、夾渣和縮松等缺陷液態(tài)金屬充填鑄型是

2、一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和流體力學(xué)問(wèn)題， 涉及到金屬液的各種性質(zhì)，如密度、黏度、表面張力、氧化性、氧 化物的性質(zhì)及潤(rùn)濕性等。充型能力的大小影響鑄件的成型，充型能 力較差的合金難以獲得大型、薄壁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的健全鑄件而良好的流動(dòng)性能使鑄件在凝固期間產(chǎn)生的縮孔得到液態(tài)金屬 的補(bǔ)充，鑄件在凝固末期受阻出現(xiàn)的熱裂可以得到液態(tài)金屬的充填 而彌合，有利于防止缺陷產(chǎn)生液態(tài)合金流動(dòng)性的好壞，通常以螺旋 形流動(dòng)性試樣的長(zhǎng)度來(lái) 衡量。如圖2-3所示，將液態(tài)合金注入螺旋形試樣鑄型中，冷凝 后，測(cè)出其螺旋線長(zhǎng)度。 為便于測(cè)量，在標(biāo)準(zhǔn)試樣上每隔 50mm作出凸點(diǎn)標(biāo)記，在相同的澆 注工藝條件下，測(cè)得的螺旋線長(zhǎng)度越 長(zhǎng)，合金的流

3、動(dòng)性越好。常用 合金的流動(dòng)性如表 2-1 所示。其中， 灰鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性最好， 鋁合金次之，鑄鋼最差通常，流動(dòng)性好的合金，充型能力強(qiáng) ; 流動(dòng)性差的合金，充型能 力差，在實(shí)際的鑄造生產(chǎn)中，可以通過(guò)改善外界條件來(lái)提 高其充型 能力，根據(jù)鑄件的要求及合金的充型能力 采取相應(yīng)的工藝措施以獲 得健全的優(yōu)質(zhì)鑄件。二、影響充型能力的因素 影響充型的因素是通過(guò)兩個(gè)途徑發(fā)生作用的 : 一是影響金屬與鑄 型之間的熱交換條件，從而改變金屬液的流動(dòng)時(shí)間；二是影響液態(tài) 金屬在鑄型中的水力學(xué)條件，從而改變金屬液的流速。影響液態(tài)金 屬充型的因素很多，可以歸納為四類(lèi) : 第一類(lèi)因素，屬于金屬性質(zhì)方面的，主要有金屬的密

4、度、比 熱、導(dǎo)熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱、動(dòng)力黏度、表面張力及結(jié)晶特點(diǎn)等。不同的合金，其流動(dòng)性有很大差異，對(duì)同種合金而言，化學(xué)成 分不同，其流動(dòng)性也不同。當(dāng)熔化至液相線以上相同溫度時(shí)，純金 屬、共晶成分和化合物具有最大的充型能力，而位于結(jié)晶溫度間 隔 最大處的合金其充型能力最小。合金成分對(duì)流動(dòng)性的影響，主要是成分不同時(shí)，合金的結(jié)晶 特 點(diǎn)不同造成的。純金屬、共晶成分和化合物是在固定溫度下凝 固的， 已凝固的固體層從鑄件表面逐層向中心推進(jìn)，與尚未凝固 的液體之 間界面分明，且固體層內(nèi)表面比較平滑，對(duì)液體的流動(dòng) 阻力小，即 流動(dòng)速度大。另外，這幾類(lèi)合金在析出較多的固相時(shí)， 才停止流動(dòng)， 流動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng)，所以

5、它們的流動(dòng)性好。具有寬結(jié)晶溫度范圍的合金在型腔中流動(dòng)時(shí)，由于在鑄件斷 面 上既存在著發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶，又有未凝固的液體與固相混雜的兩 相區(qū)， 而且越靠近液流前端枝晶數(shù)量越多，所以當(dāng)液流前端枝晶 數(shù)量達(dá)到 臨界值時(shí)，金屬液就停止流動(dòng) ; 合金的結(jié)晶溫度間隔越 寬，兩相區(qū) 就越寬，枝晶也就越發(fā)達(dá)，金屬液就越早地停止流動(dòng)， 所以流動(dòng)性 差。主要是由于樹(shù)枝晶使固體層內(nèi)表面粗糙，增加了 對(duì)液態(tài)合金流 動(dòng)的阻力。合金的結(jié)晶溫度范圍愈寬，則液固兩相 共存的區(qū)域愈寬， 液態(tài)合金的流動(dòng)阻力愈大，故流動(dòng)性愈差。顯 然，合金成分愈接近共晶成分，流動(dòng)性愈 好。圖2 -4所示為Fe-C合金的流動(dòng)性與 含 C量的關(guān)系。由圖圖

6、2-4可見(jiàn)，400300200100d溫度CK(jnni)CKFe 123456 C(j (%)-y亞共晶鑄鐵隨 含C量的增加，結(jié)晶 溫度范圍減小,鑄鐵流動(dòng)性(jmn 2000* 1500* 1000r Sooo流動(dòng)性提高 第二類(lèi)因素 屬于鑄型性質(zhì)方面的主要有鑄型的蓄熱系數(shù)、密 度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、溫度、涂料層 和發(fā)氣性、透氣性等。鑄型的 阻力影響金屬液的充填速度，鑄型 與液態(tài)金屬的熱交換強(qiáng)度影響其 流動(dòng)時(shí)間。因此，通過(guò)調(diào)整鑄型 的熱物理性質(zhì)來(lái)改善金屬的充型能 力往往能收到良好的效果。比 女口，預(yù)熱鑄型能減少金屬液與鑄型的 溫度差，減少兩者的熱交換，從而提高其充型能力鑄型材料的導(dǎo)熱速度愈大，液

7、態(tài)合金的冷卻速度愈快，從而 使 其流動(dòng)性變差。如液態(tài)合金在金屬型中的流動(dòng)性比在砂型中差 ；鑄 件壁厚過(guò)小，形狀復(fù)雜，會(huì)增加液態(tài)合金的流動(dòng)阻力，也會(huì)降 低合 金的流動(dòng)性。因此，設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，鑄件的壁厚必須大于規(guī)定 的最小 允許壁厚值，并力求形狀簡(jiǎn)單型砂含水分多或鑄型透氣性差，會(huì)使?jié)沧r(shí)產(chǎn)生大量氣體且又不能及時(shí)排出，造成型腔內(nèi)氣體壓力增大，使液態(tài)合金流動(dòng)的阻力增加，從而降低合金的流動(dòng)性。因此，提高鑄型的透氣性， 減少型 砂的水分，多設(shè)出氣口等，有利于提高液態(tài)合金的流動(dòng)性當(dāng)鑄型具有一定的發(fā)氣能力時(shí)，在液態(tài)金屬和鑄型之間形成一 層氣膜，減少流動(dòng)的摩擦力，有利于充型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，濕砂型 中加入小于 6%

8、的水和小于 7%的煤粉時(shí)，液態(tài)金屬的充型能力提 高， 但水和煤粉含量過(guò)高時(shí)，充型能力則下降。水、煤粉和其他 有機(jī)物 含量過(guò)高時(shí)，液態(tài)金屬的冷卻速度加大，在金屬液的熱作 用下，型 腔中的氣體膨脹，鑄型中的水分大量蒸發(fā)，煤粉及有機(jī) 物燃燒產(chǎn)生 大量氣體，如果不能及時(shí)排出，則會(huì)阻礙金屬液流動(dòng) 第三類(lèi)因素，屬于澆注條件方面的，主要有液態(tài)金屬的澆注溫度、靜壓頭，澆注系統(tǒng)中壓頭的損失及外力場(chǎng)拯力、真 空、離心、 振動(dòng)勘的影響等澆注溫度對(duì)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)，澆注溫度提高，增加了合金的過(guò)熱熱量，合金單位體 積的 熱含量增加，充型能力隨澆注溫度的提高而直線上升 ; 超過(guò) 一定

9、溫 度后，由于金屬吸氣增多，氧化嚴(yán)重，充型能力則下降充型壓頭越大，液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力越大，液 態(tài) 金屬流動(dòng)速度越大，充型能力越好。生產(chǎn)中常用增加液態(tài)金屬 靜壓 頭的方法提高充型能力，但是，液態(tài)金屬充型速度過(guò)高時(shí)， 會(huì)發(fā)生 噴射和飛濺現(xiàn)象，增加金屬液的氧化，產(chǎn)生“鐵豆”缺陷， 而且型 腔中氣體來(lái)不及排出，反壓增加，造成澆不足或冷隔缺陷澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動(dòng)阻力越大，靜壓頭相同時(shí)，充型 能 力越差。在鋁合金、鎂合金鑄造中，為使金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，常 采用 蛇形及扁平狀直澆道，流動(dòng)阻力越大，充型能力顯著下降中減少薄壁鑄件的澆不足、冷隔等缺陷的重要措施。但澆注溫 度過(guò)高，鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松

10、、黏砂、氣孔、粗晶等缺陷，在保 證鑄件薄壁部分能充滿的前提下，澆注溫度不宜過(guò)高。各種合金 的 澆注溫度范圍是 :鑄鐵為 1230-.14500C; 鑄鋼為 1520-16200C; 鋁合 金為680-780gC。薄壁復(fù)雜件取上限，厚大件取下限 第四類(lèi)因素，屬于鑄件結(jié)構(gòu)方面的，主要有鑄件的折算厚度,及由鑄件結(jié)構(gòu)所規(guī)定的型腔的復(fù)雜程度引起的壓頭損失在鑄件體積相同、澆注條件一致時(shí)，折算厚度大的鑄件，由于其 與 鑄型接觸的表面積小，散熱慢，則充型能力好。鑄件壁越薄， 折算 厚度越小，則不易被充滿。鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，薄壁部分過(guò)渡面 多，型 腔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加，流動(dòng)阻力大，充型能力也會(huì)下降三、常用提高充型能

11、力的措施 針對(duì)影響充型能力的因素提出改善充 型能力的措施，仍然可 以從上述四類(lèi)因素入手 合金設(shè)計(jì)方面，在不影響鑄件使用性能的情況下，可根據(jù)鑄件大小、厚薄和鑄型性質(zhì)等因素，將合金成分調(diào)整到共晶成分附近 ;采取某些工藝措施，使合金晶粒細(xì)化，也有利于提高充 型能力由于夾雜物影響充型能力，故在熔煉時(shí)應(yīng)使原材料清潔，并 采 取措施減少液態(tài)金屬中的氣體和非金屬夾雜物 鑄型方面，對(duì)金屬鑄型、熔模型殼等提高鑄型溫度，利 用涂 料增加鑄型的熱阻，提高鑄型的排氣能力，減小鑄型在金屬 填充期 間的發(fā)氣速度，均有利于提高充型能力 澆注條件方面，適當(dāng)提高澆注溫度，提高充型壓頭，簡(jiǎn)化澆注系統(tǒng)均有利于提高充型能力 鑄件結(jié)構(gòu)方面能提供的措施則有限應(yīng)該指出的是 :在采取上述措施時(shí)，往往會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題， 這 時(shí)要抓