液态成形中的流动性与充型性.ppt

第二章液态成形中的流动与传热 第一节液体金属的流动性与充型能力第二节凝固过程中的液体流动第三节凝固过程中的热量传输第四节铸件的凝固时间 液态成形是指将液态 或熔融态 浆状 材料注入一定形状和尺寸的铸型 Mold 或模具 型腔 MoldCavity 中 凝固后获得固态毛坯或零件的方法 如重力铸造 压力铸造 离心铸造等 在这一过程中 液体金属要进行流动 并充满型腔 在充型完成后的冷却过程中 液体金属都将与铸型进行热量的交换 并产生凝固 故液体金属在充型中的流动场 以及凝固过程中的温度场是液态成形中的两个基本问题 对铸件的质量及缺陷产生重要的影响 一 液体金属的流动性与充型能力 1 液态金属的充型能力充型是指液态金属充填铸型型腔的过程 液态金属的充型能力 MoldFillingCapacity 是指液态金属充满铸型型腔 获得形状完整 轮廓清晰铸件的能力 否则会产生 浇不足 的缺陷 金属液的流动性 液态金属的流动性是指金属液的流动能力 流动性好的液态金属 充型能力强 易于充满薄而复杂的型腔 有利于金属液中气体 杂质的上浮并排除 有利于对铸件凝固时的收缩进行补缩 流动性不好的液态金属 充型能力弱 铸件易产生浇不足 冷隔 气孔 夹杂 缩孔 热裂等缺陷 合金流动性的好坏 通常以 螺旋形流动性试样 的长度来衡量 将金属液体浇入螺旋形试样铸型中 在相同的浇注条件下 合金的流动性愈好 所浇出的试样愈长 液态金属的充型能力取决于 内因 金属本身的流动性 流动能力 外因 铸型性质 浇注条件 铸件结构等因素 先来了解几个概念 合金的凝固特性合金从液态到固态的状态转变称为凝固或一次结晶 1 逐层凝固纯金属 二元共晶成分合金在恒温下结晶时 凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度为零 截面上固液两相界面分明 随着温度的下降 固相区由表层不断向里扩展 逐渐到达铸件中心 这种凝固方式称为 逐层凝固 如图a 2 体积凝固当合金的结晶温度范围很宽 或因铸件截面温度梯度很小 铸件凝固的某段时间内 其液固共存的凝固区域很宽 甚至贯穿整个铸件截面 这种凝固方式称为 体积凝固 或称糊状凝固 如图c 3 中间凝固金属的结晶范围较窄 或结晶温度范围虽宽 但铸件截面温度梯度大 铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间 称为 中间凝固 方法 如图b 合金的结晶温度范围愈小 凝固区域愈窄 愈倾向于逐层凝固 对于一定成分的合金 结晶温度范围已定 凝固方式取决于铸件截面的温度梯度 温度梯度越大 对应的凝固区域越窄 越趋向于逐层凝固 1 铸铁 1 灰口铸铁 碳主要以片状石墨形式出现的铸铁 断口呈灰色 2 球墨铸铁 通过球化和孕育处理得到球状石墨 有效地提高了铸铁的机械性能 特别是提高了塑性和韧性 从而得到比碳钢还高的强度 3 可锻铸铁 用白口铸铁经过热处理后制成的有韧性的铸铁 2 铸钢铸钢的铸造性能差 铸钢的流动性比铸铁差 熔点高 易产生浇不足 冷隔和粘砂等缺陷 铸钢的收缩性大 产生缩孔 缩松 裂纹等缺陷的倾向大 3 铸造有色金属常用的有铸造铝合金 铸造铜合金等 它们大都具有流动性好 收缩性大 容易吸气和氧化等特点 特别容易产生气孔 夹渣缺陷 常用铸造合金的性能特点 影响充型能力的因素是通过2个途径起作用的 影响金属与铸型之间的热交换作用 从而改变金属液的流动时间 影响金属液在铸型中的水力学条件 从而改变金属液的流速 第一类因素 金属性质 金属的密度 比热容 热导率 结晶潜热 粘度 表面张力 结晶特点等 第二类因素 铸型性质 铸型的蓄热系数 密度 比热容 热导率 温度 涂料层 发气性和透气性等 第三类因素 浇注条件 液态金属的浇注温度 静压头 外力场等 第四类因素 铸件结构 铸件的折算厚度及由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失等 影响液态金属充型性的最主要的因素金属性质浇注条件铸型条件 金属性质包括金属的种类 成分 结晶特性及其热性质等 决定了液态金属本身的流动能力及充型过程的变化特征 合金种类不同的合金 充型性差异很大 例如 灰铸铁充型能力最好 铸钢的充型性最差 合金的成分同种合金中 成分不同 结晶特征不同 充型性差异很大 纯金属和共晶成分的合金 在整个凝固结晶过程中 结晶温度都是恒定不变的 属于逐层凝固方式 从表面向中心逐层凝固结晶 凝固层的表面比较光滑 对尚未凝固的金属的流动阻力小 故充型性好 当液态凝固成为固体而发生体积收缩时 可以不断地得到液体的补充 所以产生分散性缩松的倾向性很小 而是在铸件最后凝固的部位留下集中缩孔 由于集中缩孔容易消除 一般认为这类合金的补缩性良好 在板状或棒状铸件会出现中心线缩孔 这类铸件在凝固过程中 当收缩受阻而产生晶间裂纹时 也容易得到金属液的填充 使裂纹愈合 铸件在凝固过程中 由于金属液态收缩和凝固收缩造成的体积减小得不到液态金属的补充 在铸件最后凝固的部位形成孔洞 其中容积较大而集中的称缩孔 细小而分散的称缩松 非共晶成分的合金 在一定温度范围内结晶的 属于糊状凝固或中间凝固 结晶区域内存在液相和固相并存的两相区 在该区域内 合金粘稠 树枝状晶发达 使凝固层内表面参差不齐 合金液在其间的流动阻力很大 因而充型性差 合金的结晶温度范围越宽 充型性越差 宽结晶温度范围的合金 凝固区域宽 散热条件差 容易发展成为树枝晶发达的粗大等轴枝晶组织 当粗大的等轴枝晶相互连接以后 固相约为70 将使凝固的液态金属分割为一个个互不沟通的溶池 最后在铸件中形成分散性的缩孔 即缩松 如图 纯金属 共晶成分合金及结晶温度很窄的合金流动机理示意图 液态金属流动机理与充型能力 区 纯液态流动 区 先形成凝固壳再被完全熔化 区 未被完全熔化而保留下来的一部分固相区 区 结晶区 充型能力强 前端析出15 20 的固相量时 流动就停止 宽结晶温度合金流动机理示意图 a 在过热量未散失尽前是以纯液态流动 温度降到液相线以下 液流中析出晶体 顺流前进 并不断长大 b 液流前断不断与冷的型壁接触 冷却最快 晶粒数量最多 使金属液的粘度增加 流速减慢 c 当晶粒达到某一临界数量时 便结成一个连续的网络 液流的压力不能克服此网络的阻力时 发生堵塞而停止流动 同时 金属合金中的各合金元素对流动性有不同的影响 例 铁碳合金碳 硅 磷含量高的铸铁 充型能力强 硫含量高的铸铁 充型能力弱 金属的物理性质比热 密度 导热系数 结晶潜热等 液态合金的比热容和密度越大 导热系数越小 凝固时结晶潜热释放得越多 合金处于液态的时间越长 因而充型性越好 此外 液态金属中的不溶杂质和气体对流动充型性也有很大影响 浇注条件浇注温度充型压力 浇注温度 浇注温度对金属的充型能力有着决定性的影响 浇注温度越高 金属的流动性越好 且在铸型中保持液态的时间长 充型能力强 但浇注温度过高 铸件凝固过程的体积收缩大 金属液的吸气量增多 氧化严重 容易产生缩孔 缩松 粘砂 气孔 粗晶等缺陷 故在保证充型能力足够的前提下 应选择相对较低的浇注温度 充型压力 浇注时 液态金属所受的静压力越大 其充型能力越好 在砂型铸造中 常用加高直浇道 即提高充型压头 等工艺措施来提高金属的静压力 在压力铸造和低压铸造等特种铸造中 液态金属在压力下充型 充型能力提高 铸型条件铸型性质铸型温度铸件结构 铸型性质 铸型的蓄热能力越大 即铸型从液态合金吸收并储存热量的能力越强 铸型对液体金属的冷却能力越强 使合金保持在液态的时间就越短 充型能力下降 若铸型的排气能力差 型腔内气体的压力增大 则液态金属的充型能力差 例 液态合金在金属型中的充型能力 在砂型中的充型能力 铸型温度 铸型温度越高 铸型对液态金属的冷却能力越小 可使液态金属较长时间保持液态 因而其充型能力提高 铸件结构 铸件型腔结构越复杂 铸件壁厚越薄 液态金属充型能力差 特别是浇注系统越复杂 液态金属流动的阻力越大 其充型能力下降 在设计浇注系统时 必须合理布置内浇道在铸件上的位置 选择恰当的浇注系统结构及各组元的尺寸 总结 在实际生产中 必须根据具体情况找出其中的主要因素并采取相应的措施 才能有效地提高液态金属的充型能力 金属铸造成形时 一般应尽量选用共晶成分合金 或结晶温度范围小的合金 并尽量提高金属液的品质 金属液越纯净 含气体 夹杂物越少 流动性越好 对于特定的金属 可采取提高浇注温度和充型压头 合理设置浇注系统和改进铸件结构等措施来提高液态金属的充型能力 35 定义 指利用传热过程 使处于熔点或粘流温度以上的熔体温度冷却降至熔点或玻璃化温度以下 从而使成形物失去流动性 获得稳定形状的制品的过程 实质 成形物料从熔融状态向固态转变的过程 特征 传热过程 同时伴随发生结晶 传质和流动等过程 二 凝固过程中的热量传输 36 凝固中的传热问题 温度场与传热模型成形温度场焊接温度场 37 温度场热传导的基本方程传热类型 温度场与传热 材料凝固过程中的传热方式 热传导 成形物内部及其与模具之间的传热方式辐射和对流 模具外表面向周围环境散热的方式 38 1 温度场 在某一时刻 某一特定空间区域或某一特定物体内部各点温度的分布情况 温度是无向量 温度场也是无向量 39 等温面 在同一时刻 温度场中温度相同的点所构成的空间面 可能是平面 也可能是曲面 等温线 当以某一截面为考察对象时 将温度相图的点连接起来所组成的线 温度梯度 对于一定温度场 沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率 温度梯度越大 图形上反映为等温面 或等温线 越密集 40 不稳定温度场 温度场不仅在空间上变化 并且也随时间变化的温度场 稳定温度场 不随时间而变的温度场 即温度只是坐标的函数 在熔体成形过程中少见 熔体成形的过程中的重要特征 不稳定温度场和不稳定传热 41 二 热传导过程的偏微分方程 服从傅里叶定律 即在与等温面法线n方向垂直的单位面积截面内 单位时间所传递的热量 称为比热流量或传热速度 与温度梯度成正比 即 揭示了物体中某点温度梯度与其传热热流量间的关系 根据该定律和能量守恒定律 可以导出该点温度随时间变化的关系 即傅里叶热传导的基本方程 42 三 传热类型 熔体成形物凝固过程中的传热 是将熔体的显热和凝固潜热通过一系列热阻 传热系统中某组元的厚度与该组元的导热系数之比称为该组元的热阻 传至模型 并经模型再传热至环境 热阻组成 成形件液相的热阻已凝固相的热阻中间层的热阻模型热阻 43 模型热阻起决定作用时的传热如液态金属砂型铸造铸件内金属传热速度快 温度梯度小 而铸型内传热速度慢 温度梯度大 因此铸件 中间层 铸型断面体系温度场 原因 砂型铸型的导热率远远小于金属铸件的导热系数 44 中间层起决定作用时的传热如使用型腔内表面涂有隔热涂料的金属型铸型中间层温度梯度大 温度降很大 而铸件断面和铸型断面的温度梯度和温度降比较小 因此铸件 中间层 铸型断面体系温度场 原因 型腔内表面涂有较厚的涂料 同时在铸件和铸型间还可能形成间隙 故涂料与间隙构成的中间层热阻很大 45 成形件热阻起决定作用时的传热情形1 液态金属在水冷型金属铸型中的凝固 此时金属铸型导热能力远大于金属凝固层的导热能力 情形2 熔融聚合物冷却凝固成形 由于聚合物成形模具一般为金属 聚合物的导热系数远小于金属模具 中间层和模型断面的温度梯度和温降较小 而成形件内部的温度梯度和温降较大 因此铸件 中间层 铸型断面体系温度场 46 成形件热阻与模型热阻起作用时的传热如液态金属在非水冷的后壁金属型铸型中铸造时的凝固铸件和铸型断面上的温度梯度均较大 都有很大的温降 中间层的温度梯度较小 因此铸件 中间层 铸型断面体系温度场 原因 砂型铸型的导热率远远小于金属铸件的导热系数 47 2 模型成形温度场 凝固过程及传热特点凝固温度场的研究方法凝固状态与方式 48 研究意义 旨在获得成形件内部的温度分布情况和随时间变化的特征 由此预期凝固过程中成形件断面上不同时刻的凝固区域大小及特征 凝固前沿向中心推进的速度 成形件上各部位的凝固先后次序等重要问题 为正确设计模型浇注系统 设置浇口 冷铁以及采取其它工艺措施控制凝固过程提供重要的依据 49 凝固过程及传热特点 聚合物 粘度高 充模时的流动在大多数情况下仍是非湍流状态 液态金属 粘度低 充型或浇注时在型腔中的流动呈湍流状态 凝固过程 成形温度降低 成形物开始凝固 最先在冷却表面形成凝固壳层 热量从最热的中心流经凝固壳层再传导给低温的模型 随成形物继续冷却 已凝固的壳层温度进一步降低 并且凝固壳层不断增厚 直到某一时刻成形物中心达到凝固温度而凝固 50 凝固温度场的研究方法 数学解析法数值计算法实验测定法 51 一 解析法 解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程 或模型 得到用函数形式表示的解 也就是解析解 优点 是物理概念及逻辑推理清楚 解的函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素 有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响 缺点 通常需要采用多种简化假设 而这些假设往往并不适合实际情况 这就使解的精确程度受到不同程度的影响 目前 只有简单的一维温度场 半无限大 平板 圆柱体 球体 才可能获得解析解 52 数学解析法 铸型 已凝固铸件 剩余液相 53 假设 1 凝固过程的初始状态为 铸件与铸型内部分别为均温 铸件起始温度为浇铸温度 铸型的起始温度为环境温度或铸型预热温度 2 铸件金属的凝固温度区间很小 可忽略不计 3 不考虑凝固过程中结晶潜热的释放 4 铸件的热物理参数与铸型的热物理参数不随温度变化 5 铸件与铸型紧密接触 无界面热阻 即铸件与铸型在界面处等温Ti 54 求解一维热传导方程 通解为 erf x 为高斯误差函数 其计算式为 55 代入铸件 型 的边界条件得 由在界面处热流的连续性条件可得铸件 铸型界面温度 铸件侧最终温度场方程 铸型侧最终温度场方程 56 二 数值方法 数值方法又叫数值分析法 是用计算机程序来求解数学模型的近似解 数值解 又称为数值模拟或计算机模拟 差分法 差分法是把原来求解物体内随空间 时间连续分布的温度问题 转化为求在时间领域和空间领域内有限个离散点的温度值问题 再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布 差分法的解题基础是用差商来代替微商 这样就将热传导微分方程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组 得到各节点的数值解 有限元法 有限元法是根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法 有限元法的解题步骤是先将连续求解域分割为有限个单元组成的离散化模型 再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组 最后求解全域内的总体合成矩阵 57 58 三 实验测定方法 测温法 采取在铸型中安放热电偶来直接测出凝固过程中铸件的温度变化情况 其主要技术包括热电偶布放位置的选择及测温结果的处理 要求采用尽可能少的热电偶获得尽可能多的有效信息 59 凝固状态与方式 铸件凝固方式分类铸件动态凝固曲线铸件凝固方式及作用铸件凝固方式的影响因素凝固时间的计算 60 一 铸件凝固方式分类 61 根据固液两相区的宽度 可将凝固过程分为逐层凝固方式与体积凝固方式 或糊状凝固方式 当固液两相区很窄时称为逐层凝固方式 反之为糊状凝固方式 固液两相区宽度介于两者之间的称为 中间凝固方式 62 铸件凝固方式对凝固液相的补缩能力影响很大 从而影响最终铸件的致密性和热裂纹产生几率 63 二 铸件动态凝固曲线 铸型型腔内各个部位的凝固状况的动态变化 可通过在浇注前在铸型型腔内预置测温热电偶 来记录凝固过程中各点的温度变化 从而可以绘制出各个瞬间铸型内的凝固状况 所得图形称为铸件动态凝固曲线 64 可以根据 液相边界 与 固相边界 之间的横向距离直观地得出铸件内各部位的开始凝固时刻与凝固结束时刻 也可以根据 液相边界 与 固相边界 之间的纵向距离得出凝固过程中的任一时刻铸件断面上已凝固固相区 固液两相区和尚未凝固的液相区的宽度 65 66 三 铸件凝固方式及作用 合金凝固温度区间温度梯度 67 合金凝固温度区间的影响 68 G大 两相区窄G小 两相区宽 温度梯度G的影响 69 实际铸件凝固中的温度梯度受很多因素影响 包括铸型的导热性能 预热温度 合金的浇注温度等 70 铝合金的动态凝固曲线 71 结论 以逐层方式凝固时 在凝固过程中容易补缩 组织致密 成形件性能好 以体积方式凝固时 不易补缩 易产生凝固缺陷 如缩松 夹杂 开裂等 成形件性能差 72 四 凝固温度场的影响因素 凝固材料的性质模型的性质浇铸条件制件结构 73 凝固材料的性质 导温系数 材料的导温系数大 则成形件内部的温度均匀化倾向大 温度梯度小 断面上的温度分布曲线平坦 凝固结晶潜热 在其它条件相同的情况下 材料的凝固结晶潜热大 成形件断面的温度梯度分布越小 成形件的冷却速度降低 温度场比较平坦 凝固温度 材料的凝固温度越高 则在凝固成形件表面和模型内表面温度越高 致使成形件断面的温度梯度较大 温度分布曲线较陡 74 模型性质 液态金属在铸型中的凝固是依靠模型将热量传递并向环境散失而进行的 故其铸型的吸热速度越大 铸件断面上的温度梯度越大 即温度场越陡 例 砂型铸造 吸热速度慢 故铸件截面的温度分布曲线始终都很平坦 温度梯度小 水冷金属铸型 吸热速度最大 故温度梯度最大 预热模型 预热温度越高 外冷却作用越小 制件断面上的温度梯度越小 温度场也越平坦 75 浇铸条件 对于金属的砂型铸造 因铸型的吸收速度慢 散热能力低 故浇铸温度对温度场也有影响 原因 浇铸温度高 则放出的过热显热增大 相当于提高了铸型的温度 冷却速度降低 故铸件断面上的温度梯度减小 76 制件结构 成形件越厚 断面的温度梯度越小 成形件的凸面和外角部分的冷却速度比平面快 温度梯度较大 原因 厚壁成形件比薄壁成形件需传递更多的热量 故凝固过程势必将模型加热到更高温度 77 五 铸件凝固时间计算 铸件的凝固时间 是指从液态金属充满型腔后至凝固完毕所需要的时间 铸件凝固时间是制订生产工艺 获得稳定铸件质量的重要依据 无限大平板铸件的凝固时间 理论计算法 大平板铸件凝固时间计算 凝固系数法 一般铸件凝固时间计算的近似公式 模数法 7