铸造-1 液态成型基础

1,第一章 液态成形基础,2,教学大纲,教学内容：1. 液态金属的结构与性质。2. 液态金属的充型能力及其影响因素。3. 金属凝固过程中的传热。4. 液体金属的流动。教学目的与要求:1.了解液态金属的结构和性质。2.了解液态成形的特点、分类，掌握液态合金的充型能力、收缩性、吸气性等基本概念、影响因素及其对加工质量的影响。3.了解金属凝固过程中的传热。4. 了解液体金属的流动。,3,第一节 液态金属的结构和性质,一、液态金属的结构研究金属的液态结构的方法：一种是间接方法，即通过固液态、固气态转变后一些物理性质的变化判断液态的原子结合状况；另一种是较为直接的方法，即通过液态金属的X射线或中子线的结构分析研究液态的原子排列情况。,4,1金属晶体中的原子结合、加热膨胀、熔化,（1） 原子的结合晶体的结构和性能主要决定于组成晶体的原子结构和它们之间的相互作用力与热运动。各种不同的晶体其结合力的类型和大小是不同的。但是在任何晶体中，两个原子间的相互作用力或相互作用势能与它们之间距离的关系在性质上是相同的，如图所示。,5,A、B原子作用力F和势能W与原子间距R的关系,6,加热时原子间距的变化,（2）加热膨胀晶体中每个原子皆在平衡位置附近振动（即所谓热振动），温度升高时振动能量增加，振动频率和振幅加大。,随温度的升高，原子间距离增加 产生热膨胀 。,7,空穴的产生物体膨胀的原因之一,空穴形成示意图,8,（3）熔化温度升高至金属的熔点时发生的现象：,体积突然膨胀35 ；电阻、黏性等发生突变，具有良好导电、导热和流动性。熔化潜热金属在此时吸收大量热量，温度却不升高。,分析原因：,金属已熔化，已由固态变为液态，发生状态改变造成的。外界供给足够的能量熔化潜热，使原子结合键突然破坏，金属则从固态进入熔化状态。熔化潜热使晶粒瓦解，液体原子具有更高的能量，而金属的温度并不升高。,9,从热力学角度分析熔化过程：,恒压下，外界所供给的潜热，除使体积膨胀做功外，还增加系统的内能 。,10,等温等压下，熵值的增量 为：,系统熵值增加表示原子排列发生紊乱。因此，熔化过程就是金属从规则的原子排列突变为紊乱的非晶态结构的过程。,11,2液态金属的结构,金属物质熔化时的体积一般仅增加35，即原子平均间距仅增加115。液体的原子间距接近固体，在熔点附近其系统的混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。,(1) 从物质熔化(汽化)过程对液态金属结构的认识,12,熔化潜热只有汽化潜热的37，即固液时，原子的结合键只破坏了百分之几 。,因此，可以认为液态和固态的结构是相似的，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子仍然具有一定的规律性，只不过熔化熵相对于固体时的熵值有较多的增加，表明液体中的原子热运动的混乱程度与固态相比有所增加。特别是在金属过热度不太高(一般高于熔点100300)的条件下更是如此。,13,固体可以是非晶体也可以是晶体而液态金属则几乎总是非晶体液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间仍具有很高的结合能。,14,(2) 从X射线衍射分析对液态金属结构的认识,可以用衍射结构参数(偶分布函数) 特征来描述液态物质的结构，如图所示。,15,700液态铝中原子密度分布线,可见，液态原子分布曲线是介于 曲线与固态时的分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接近，其配位数与固态时相当。,16,700液态铝中原子密度分布线,其第二峰值虽仍比较明显，但与固态时的峰值偏离增大，而且随着r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。当它与所选原子相距较远的距离时，原子排列进入无序状态。,17,(3)实际液态金属的结构特征,液态金属内存在近程有序的原子集团，如图所示。这种原子集团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消失。,18,液态金属结构特征如下：,1）液态金属是由游动的原子团构成。2）液态金属中原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均性，称为能量起伏。3）由于原子处于能量起伏之中，原子团时聚时散，时大时小，此起彼伏，称为结构起伏。4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏/浓度起伏。,19,液态固态转变实质：,金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从一种固态过渡为另一种固态晶态的转变成为二次结晶。,20,二、黏滞性及其对成型过程的影响,1黏滞性的本质液态金属是有粘性的流体。流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运动时，会产生摩擦阻力。当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，在界面1cm2面积上产生的摩擦力。称为粘滞系数或粘度。粘度的单位是PaS粘度的倒数叫流体的流动性。,21,二、黏滞性及其对成型过程的影响,1黏滞性的本质,液体各层的流速,22,根据弗伦克尔关于液态结构的理论，黏滞系数可用下式表示：,黏滞性的本质是质点间(原子间)结合力的大小。（即：原子间作相对运动时产生的阻力。 ）,23,2影响黏度的因素,(1) 温度,24,(2) 熔点,图 黏度与Mn-Sn合金相的关系示意图,(3) 夹杂,25,3. 黏度对液态形成过程的影响,(1) 对液态金属流态的影响 流体的流态决定于雷诺数Re。据流体力学，临界雷诺数Re临等于2300， Re 2300为紊流， Re 90 (为润湿角)。如图所示：,46,第二节 液态金属的充型能力及其影响因素,一、充型能力的概念及与流动性的测定1充型能力的概念液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。,47,2流动性的测定,图1-16 螺旋形流动性试样结构示意图 1一浇口杯；2一低坝；3一直浇道；4螺旋； 5一高坝；6溢流道；7全压井,图1-17 真空流动性测试装1石英玻璃管；2阀；3真空压力计；4一抽真空系统；5真空室,48,二、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是通过两个途径发生作用的：影响金属与铸型之间热交换条件，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，而改变金属液的流速。,49,影响液态金属充型能力的四类因素：,1金属性质方面的因素（1）合金的化学成分,图1-18 Pb-Sn（铅-锡）合金流动性与状态图的关系 图1-19 Sb-Cd（锑-镉）合金流动性与状态图的关系,50,(2) 结晶潜热,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。 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，大部分结晶潜热的作用不能发挥，所以对流动性影响不大。,51,例外情况：,图1-21 Al-Si合金流动性与成分的关系,52,(3) 金属的热物理性能(比热容、密度和热导率),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。热导率小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长，故流动性好。,53,(4) 黏度,液态金属的黏度与其成分、温度、夹杂物的含量和状态等有关。黏度对充型过程前期(紊流)的流动性影响不明显，在充型的最后很短的时间内(层流)，对流动性才表现出较大的影响。,54,(5) 表面张力,表面张力对薄壁铸件、铸件的细薄部分和棱角 的成型有影响。型腔越细薄，棱角的曲率半径越小，表面张力的影响越大。为克服附加压力的阻碍，必须在正常的充型压头上增加一个附加压头。,55,为提高液态金属的充型能力，在金属方面可采取以下措施：,(1) 正确选择合金的成分 (2) 合理的熔炼工艺,56,2铸型性质方面的因素,铸型的阻力影响金属液的充型速度；铸型与金属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。 (1) 铸型的蓄热系数 (2) 铸型的温度 (3) 铸型中的气体,57,3浇注条件方面的因素,(1) 浇注温度 (2) 充型压头 (3) 浇注系统的结构,58,4铸件结构方面的因素,衡量铸件结构特点的因素是铸件的折算厚度(换算厚度，当量厚度、模数)和复杂程度，它们决定了铸型型腔的结构特点。如果铸件的体积相同，在同样的浇注条件下，折算厚度大的铸件，由于它与铸型的接触表面积相对较小，热量散失比较缓慢，则充型能力较高。铸件的壁越薄，折算厚度就越小，就越不容易被充满。另一方面，铸件结构复杂、厚薄部分过渡面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。,59,第三节 金属凝固过程中的传热,铸件凝固过程中，许多物理参数都是与温度密切相关的。因此，研究金属液态成型过程中的凝固现象最主要的就是解决不同时刻，铸型和铸件中温度场的变化。根据铸件温度场，就能预计其凝固过程中断面上各时刻的凝固区域大小及变化，凝固速度，凝固时间，缩松和缩孔的倾向等参数，为正确设计工艺结构及参数提供科学的依据，从而改善铸件组织及提高其性能。研究铸件温度场的方法有：实测法、数学解析法和数值模拟法等。,60,一、数学解析法,图1-24 铸铁件在砂型和金属型中的凝固,61,铸件温度场的影响因素：,(1) 金属性质的影响 (2) 铸型性质的影响 (3) 浇注条件的影响 (4) 铸件结构的影响,62,二、不同界面热阻条件下的温度场,1铸件在绝热铸型中凝固2金属-铸型界面热阻为主的金属型中凝固,图l-25 绝热铸型中铸件和铸型的温度分布 图1-26 以界面热阻为主的温度分布,63,二、不同界面热阻条件下的温度场,3厚壁金属型中的凝固4水冷金属型中的凝固,图1-27 厚壁金属型凝固的温度分布 图1-28 水冷金属型中凝固的温度分布,64,三、铸件温度场的测定及动态凝固曲线,1铸型；2热电偶；3多点自动记录电子电位计； 4浇注系统,图1-29 铸件温度场测定方法示意图,65,图1-30 (a) Al-Zn 42.4合金铸件上各测温点的温度-时间曲线 (b) 铸件断面上的温度场,66,图1-31 铸件凝固动态曲线的绘制,67,四、铸件的凝固方式,1凝固区域及其结构,铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外，断面上一般都存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区 。,图1-32 凝固区域结构示意图,68,2铸件的凝固方式,一般将铸件的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、体积凝固方式(或称糊状凝固方式)和中间凝固方式。铸件的凝固方式取决于凝固区域的宽度。,69,2铸件的凝固方式,（1）逐层凝固方式（2）体积凝固方式(或称糊状凝固方式),图1-33 “逐层凝固方式”示意图 图1-34 “体积凝固方式”示意图,70,2铸件的凝固方式,（3）中间凝固方式,图1-35 “中间凝固方式”示意图,71,3凝固方式对铸件质量的影响,根据结晶温度范围将合金分为窄结晶温度范围合金、宽结晶温度范围合金和中等结晶温度范围合金三种类型。（1）窄结晶温度范围合金纯金属、共晶成分合金和窄结晶温度范围的合金,图1-36 逐层凝固方式的缩孔特点,72,3凝固方式对铸件质量的影响,(2)宽结晶温度范围合金宽结晶温度范固的合金：如高碳钢、球墨铸铁、铝铜合金、铝镁合金、镁合金等。,图1-37 体积凝固方式的缩松,73,3凝固方式对铸件质量的影响,(3) 中等结晶温度范围合金中等结晶温度范围的合金：如中碳钢，高锰钢，部分黄铜等。,74,4铸件的凝固方式的影响因素,铸件断面凝固区域的宽度是由合金的结晶温度范围和温度梯度两个量决定的。（1）在铸件断面温度梯度相近的情况下，固液相区的宽度取决于铸件合金的凝固温度区间的大小。,图1-38 不同碳钢在砂型和金属型中凝固时测得的动态凝固曲线,75,（2）当铸件合金成分确定后，铸件断面固液相区的宽度则取决于铸件中的温度梯度,图1-39 ZCuSnl0Zn2和ZCuZn38合金的凝固过程,(左部为金属型，右部为砂型),76,77,五、铸件的凝固时间,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；单位时间凝固层增长的厚度称之为凝固速度。,1理论推导,以无限太平板件为例，在温度场推导的基础上对凝固时间进行简化的理论推导。,78,2平方根定律,平方根定律，表明凝固层厚度与凝固时间的平方根成正比,或,79,3折算厚度法则,V1、S1理解为一般铸件的体积与表面积；R为折算厚度，又称为“模数” 。,K为凝固系数（同上） ；,该式称为“模数法”或“折算厚度法则”。,80,第四节 液体金属的流动,一、自然对流由于熔体发生局部的物理性质改变而引起的自发性对流；它包括浮力流和因凝固收缩引起的流动，后者主要发生在枝晶之间。浮力流是最基本、最普遍的对流方式，它是由于凝固过程中的溶质再分配、传热和传质而引起的液相密度不均匀造成的。其中密度小的液相将发生上浮，密度大的液相会下沉。,81,二、强迫对流,强制对流或强制流动是指依靠外力的作用所形成的对流。在凝固过程中，可以通过各种方式来驱动液态金属流动，从