鑄造合金凝固過程補縮機理的探討

1、討海思琪泰(討海思琪泰(, 陽110015)摘要建立了描述鑄造合金凝固過程補縮機理的數(shù)學(xué)模, 并應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對一些鑄造方法的補縮效果進行了比較, 表明金屬型差壓鑄造是 補縮能力最強的一種鑄件成型方.關(guān)鍵詞補縮, 數(shù)學(xué)模, 鑄造合.分類號TG245言0液態(tài)金屬在凝固過程中的體積收縮是造成鑄件內(nèi)出現(xiàn)縮縮松的根本原.對縮孔進行補縮的動力: 液態(tài)金屬的表面張, 液態(tài)金屬的壓力包括液態(tài)金屬的靜壓力 和外界的附加壓. 阻礙液態(tài)金屬補縮的力: 補縮液體流向縮孔時的粘性摩擦, 晶間通道 的局部阻力, 低壓和差壓鑄造中的金屬液自重. 在固定的生產(chǎn)條件下, 液態(tài)金屬的體收縮率及結(jié)晶潛熱無法改, 而其余各因素是制約

2、還是促進補縮, 將是本文要探討的內(nèi).析1以低壓和差壓鑄造為例, 探討由上至下順序凝固的補縮問. 這涉及到固相骨架基本形成時的狀, 如圖1 所. 在固相骨架形成初, 晶間通道可相互連成一片, 且認為凝固過程無偏 析存, 即液態(tài)金屬的表面張力密度及結(jié)晶溫度間隔T 均不. 此時, 可將補縮過程簡 化為縫隙層流運, 如圖2 所. 推動液態(tài)金屬進行補縮的力F1 為F1 =B P + B (1)其中B分別為補縮通道的寬度和厚. 阻礙補縮的力F2 為12L B+ B L g(2)F2 =u液態(tài)金屬補縮速度1 ;g 重力加速;液態(tài)金屬的動力粘.式中: 1996- 01- 22第2 期李玉海:鑄造合金凝固過程補

3、縮機理的探討37圖1 圖圖2 圖式(2)中加號前的部分為縫隙間層流運動的粘性阻. 由于所流經(jīng)的并非是平板間的平行通道, 而是彎曲的晶粒間隙, 第2 期李玉海:鑄造合金凝固過程補縮機理的探討37圖1 圖圖2 圖式(2)中加號前的部分為縫隙間層流運動的粘性阻. 由于所流經(jīng)的并非是平板間的平行通道, 而是彎曲的晶粒間隙, 因而阻力要比按平板間平行縫隙進行計算時大很多倍2 . 令該倍 數(shù)為, 則式(2)可寫成12L B +(3)F2 =B L g與形成固相骨架的液固共存區(qū)厚晶粒大小和數(shù)量及晶粒在空間的排列狀取向有, 一般可近似表示為關(guān)2T =(4)GD式中T 合金的結(jié)晶溫度范, T ;G合金在液固共存

4、區(qū)的溫度梯,G ;補縮通道的實際長度與液固共存區(qū)的厚度之比, 一般 ;D 晶粒的平均直;系.由于在補縮通道的曲折路徑, 越伸向已凝固的固體層, 液相體積分數(shù)越, 溫度亦越低,路徑亦越窄小, 加之液態(tài)金屬粘度迅速增, 因而每出現(xiàn)一次曲折, 其阻力增加的值足以同假 設(shè)的間隙不變時的整個沿程阻力相當, 故系數(shù)是一個接近1的. 式(3)中加號后部分 由于低壓及差壓鑄造時的重力將阻礙補, 因而將其放在阻礙補縮式. 式(1)與式(3)的差值將造成液態(tài)金屬薄層向上運動的. 由牛頓第二運動定律知du + 122+(5)2 u =P L - gdt上式的解析解難以求出, 須進行近似處理, 即認為液態(tài)金屬是以均速

5、進行補縮, 亦即du =dt0, 則式(5) 可寫成21 2+u =P - g(6)12 L沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報1997 年38由于L = (T G) L 0), 因而要求G 0, 將L , 代入式(6), 得2DGG2+P - g(7)u =12T T 將速度u 的單位取為液態(tài)金屬單位時間內(nèi)流過的晶粒個數(shù), 則式(7)可寫成2GG2沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報1997 年38由于L = (T G) L 0), 因而要求G 0, 將L , 代入式(6), 得2DGG2+P - g(7)u =12T T 將速度u 的單位取為液態(tài)金屬單位時間內(nèi)流過的晶粒個數(shù), 則式(7)可寫成2GG2+u=P - g(8)D12

6、 T T 隨著溫度的降, 原來連成片的補縮通道將縮小成類似孔隙的通道, 這時可用毛細管的模型來計算其補縮情, 則式(8)可寫成2G4+ud G(9)=P - gD32 T d 毛細管內(nèi).T d式中比較式(8)與式(9)可知, 其機理完全一致, 只是毛細管模型的補縮速度比平板模型的補縮速度更小一. 所以動力粘度可表示為3k1ek2T(10)=式中k1與金屬原子間作用有關(guān)的常;k2與原子移動的激活能有關(guān)的常;T 液態(tài)金屬在凝固點的溫.液態(tài)金屬層厚度可表示為= 0 - k30當時間t = 0 時液態(tài)金屬層的厚;k3與鑄型性質(zhì)有關(guān)的常.(11)t式中將代入式(8), 有 (0 - k3 t ) G 2

7、 2 u = G + P- g(12)12k1 ek2T T T D0- kt3t ) 0, 而ek2T 將由于T 的降低而劇增, 因而uD由式(12) 可知, 隨著t增加, (0 - 2k3將很快趨于零, 亦即停止補.對于重力鑄造, 金屬液自重力為補縮動. 因而對于平板層流模型, 補縮速度u的表達式為t )G 2 u(0 - k3 G + P+ ()=g1312k1 ek2T T T D -0k3t對于毛細管模型, 表達式為udG G 4=+P + g(14)D32 T T d較2首先對各種鑄造方法的壓力P 做如下說.重力鑄造P= P0 + gh(15)第2 期李玉海: 鑄造合金凝固過程補縮

8、機理的探討39差壓鑄造低壓鑄造 真空低壓鑄造 以上各式中P0大氣;ghP -P -(16)(17) (18)P =P =P=P1 -P0 +P0 -ghghh冒口上沿(或坩堝液面) 到液固界面的高;P1同步進氣壓;P 保壓時的壓力(或真空第2 期李玉海: 鑄造合金凝固過程補縮機理的探討39差壓鑄造低壓鑄造 真空低壓鑄造 以上各式中P0大氣;ghP -P -(16)(17) (18)P =P =P=P1 -P0 +P0 -ghghh冒口上沿(或坩堝液面) 到液固界面的高;P1同步進氣壓;P 保壓時的壓力(或真空.1) 差壓鑄造與重力鑄造相比較令n 為差壓鑄造與重力鑄造補縮能力之比, 則由式(9)

9、式(14) 有4+GP1 -gh-1 T gd(19)n =4dGgh+P0 +1 T g將101 鋁合金數(shù)據(jù)4 代入上: T 30; P0105P; 520 10- N m; 255103kgm; g 981ms2 并令d10- m, P1 =7 105Pa, 則有17 G-75(20)n = 1 G75 +1砂型差壓鑄造底注法生產(chǎn)薄壁殼體件時, 其下面溫度可達700左右, 而上面溫度經(jīng)?？蛇_凝固, 即500左. 若件高為1m, 則G = 200m. 令= 10, 代入式(20) 可得n=這說明差壓鑄造的補縮能力比砂型鑄造約強4 5 .2) 低壓鑄造與真空低壓鑄造相比較 同理得4.4+GP0

10、 + P -gh-1 T gdn =(21) G 4P0 - P-+gh-1 T gd一般, P 005M Pa, P 008M Pa, 將數(shù)據(jù)代入式(21) 得(其它數(shù)據(jù)同前)1 G-15(22)n = 1G38 -1令G = 200m, = 10, 則有n = 3(- 0474. 由此可, 真空低壓鑄造的補縮能力與低壓鑄造相差甚, 這正是真空低壓鑄造不能得到廣泛應(yīng)用的原.3) 差壓金屬型鑄造與重力砂型鑄造相比較根據(jù)文獻5可知, 金屬型溫度梯度可比砂型大近百倍, 因而式(20) 又可寫成77 G金 - 1100 -7575G砂 510n =(23) 1 1 G砂75 +175 +G砂沈陽工業(yè)

11、學(xué)院學(xué)報1997 年40由式(23)可知, 金屬型差壓鑄造的補縮能沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報1997 年40由式(23)可知, 金屬型差壓鑄造的補縮能力遠大于砂型重力鑄造, 是一種很有前途的鑄造方.3型. 1驗證公式的合理性. 溫度梯度G: 當G 增大, u 亦增, 即補縮能力增; 當G 為零, u = 0, 即同時凝固,無補縮可能, 合. 合金結(jié)晶溫度區(qū)間T: 當T 增大, u 急劇變, 即補縮能力劇, 此時為粥狀凝,不易補, 合. 金屬液的動力粘度: 增大, u 變小, 合. 液態(tài)金屬的表面張力: 大, u 亦. 但由于值較, 故影響不明. 真空鑄造時的作 用才較大些, 這也是正確. 外界壓力P:

12、P 大, u 則大, 它是整個數(shù)學(xué)模型的主值. 由式(16) 知差壓鑄造的P 很大,因而補縮能力大為增. 而由式(18) 知, 真空低壓鑄造的補縮能力劇減, 故高真空度低壓鑄造 在生產(chǎn)中應(yīng)用并不. 液態(tài)金屬的密度: 大時在重力鑄造中將強化補, 而在反重力鑄造時會削弱補縮, 合 . 液態(tài)金屬的補縮速度u: 設(shè)二種金屬凝固時的體收縮率分別為2, 其形狀相同, 體積 均為V 0, 凝固后要得到?jīng)]有縮孔的組. 所需補縮金屬液體積分別為V V 0, 這些液體都要通過收縮縫隙進入被補縮部. 但收縮縫隙的體積總和也分別為V V . 因此這些通道V 0V 0的過流面積也應(yīng)對應(yīng)為1 L 2 L . 如果這兩種金

13、屬是在相同的時間內(nèi)完成凝, 則補縮通道 V 0 V 0 L L 內(nèi)的液態(tài)金屬流速應(yīng)為u1 =, 即u =因此,=; u2 =u1 = u.tttt1 V 0 2 V 0 LL無論液態(tài)金屬凝固時的體收縮率多大, 其補縮時的液流速度均不. 因而對于體收縮大的金屬不必增加補縮壓, 只要提供足夠的補縮液體即. 2分析公式探討影響補縮的重要因素及提高補縮效果的途徑由式(9)可知, u 與G2 成正, 與T 2 成反, 故決定補縮能力的關(guān)鍵是G 與T. d 是鑄件凝固時從大到小都要必經(jīng), 沒有研究價. 從數(shù)量級分析可: P 4d; GP T ) g, 因而決定u 的主導(dǎo)量是. 事實上式(9) 中T在現(xiàn)有生

14、產(chǎn)條件下無法改. 而d 又是不能控制的從大到小必經(jīng)的, 比較方便且可以變化的量只有P. 因而為了使補縮能 力增, 只能增加P 和G, 這說明使用金屬型差壓鑄造是最佳選.由(9) 式可, 表面張力及壓力P 都是表面力, 若要參與補縮, 則必須克服液態(tài)金屬在晶 間通道中的流動阻. 因此, 與P 都必須與GT 相. 而 g 是質(zhì)量, 它可直接參與 補縮而不受晶間通道的制約, 因而其補縮效率要比與P . 但由于 g 的數(shù)量級比P 小很第2 期李玉海: 鑄造合金凝固過程補縮機理的探討41多, 因而在實踐中才沒有引起人們的重. 但在離心鑄造第2 期李玉海: 鑄造合金凝固過程補縮機理的探討41多, 因而在實

15、踐中才沒有引起人們的重. 但在離心鑄造, 它的數(shù)量級猛增到106 (RW 2) 左右, 此時質(zhì)量力就成為補縮作用的主導(dǎo). 由此可: 離心鑄造特別適合于密度大, 結(jié)晶溫度范 圍寬而溫度梯度又較小的這類金.由以上分析可知, 通過下列途徑可以提高補縮效. 對結(jié)晶溫度范圍寬的合, 為減少縮孔, 最好的辦法是增加溫度梯度G, 或增大凝固時 的外界壓力. 由式(9) 可算: 當G 增大一倍時, 則相當于減小T 一; 而凝固時每增大外界壓力n 倍, 就相當于使結(jié)晶溫度間隔變?yōu)門 /n , 即減小1/ n . 正如文獻6所指:用差壓鑄造法生產(chǎn)鑄件時, 用A 9合金(相當于我國的101鋁合), 其密度增大000

16、7gm;在韌性方面, A 9增大30 ; 而A 19增大43 . 這說明寬結(jié)晶溫度間隔的合金用增大P 的 差壓鑄造方法更能提高其性. 由式(9) 可: 真空條件下凝固的鑄, 其致密性遠不如高壓條件下凝固的鑄. 鈦合金鑄件最好的成型方式是在充滿惰性氣體的高壓爐內(nèi)澆注成. 真空低壓鑄造不僅不利于補 縮, 而且由于外界壓力劇減, 溶解于金屬液內(nèi)的氣體更易析, 形成較多的氣孔, 這種鑄造方法是沒有前途. 由式(9) 的數(shù)量級分析可: 由于gh P0, 且gh P1, 因而在補縮動力中因冒口高度h 所造成的分量是很小的, 而補縮動力主值項是壓力. 差壓鑄造時P =gh; 重力鑄P1 -造時P = P0

17、+ g. 由此看, 完全沒有必要在鑄件的補縮工藝中去增大冒口高度, 而只要保證有足夠的貯備液即. 保溫發(fā)熱冒口由于可大大延長冒口的凝固時間, 可大大減小冒口的體 積和高, 這并未影響冒口的補縮效. 無論何種鑄, 其冒口形狀都應(yīng)以模數(shù)最大為. 此 外, 從式(9) 亦可: 對于T 較大, 而G 較小的情況, 增大補縮冒口高度的意義不, 砂型鑄造灰鐵時一般冒口都不.4語1) 本文建立的數(shù)學(xué)模型能夠很好地解釋傳統(tǒng)工, 說明了該數(shù)學(xué)模型在理論上的正確.2) 通過對數(shù)學(xué)模型中各項參數(shù)進行分, 認為壓力P溫度梯度G 是影響補縮效果的重要因.3) 運用數(shù)學(xué)模型對各種鑄造方法進行比較表: 高真空狀態(tài)下鑄造成型

18、的鑄件難以獲得 高致密, 差壓鑄造的補縮效果遠高于重力鑄造, 而金屬型差壓鑄造是目前補縮能力最強的鑄件成型方.參考文獻1 . . : , 199. 101032 . . . : , 198. 242473 . . : , 198. 1174 . 冊(3. : , 198. 4475 . . , 1995(2): 119沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報1997 年42沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報1997 年42Study on FeedngM echanim n oldfcatonPocess of Castng A loyL i YuhaiGo Guangsi W angL anqiDp. ofM ateral Engneerng, Shenyang nsttute of Techoogy, Shenyang 110015)The mathmatcalmodel