材料成形原理-第一章(2)液态金属的充型能力

1、12/12/202111.4 液态金属的流动性与充型能力 1、充型能力的基本概念、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施12/12/202121.4.1 流动性与充型能力的基本概念种类种类铸铸 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm）砂砂 型型金金 属属 型型熔模铸造熔模铸造壳壳 型型压压 铸铸灰铸铁灰铸铁3 34 40.4-0.80.4-0.80.8-1.50.8-1.5-铸钢铸钢4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5-铝合金铝合金3 33-43-4-0.6-0.80.6-0.8不同金属和不同铸造方法铸造的铸件的最小壁厚12/12/20213结论：液态金属的充型能力

2、首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，使各种因素的综合反映。重点：区别流动性和充型能力是两个不同的概念12/12/20214 金属的流动性对于排出其中的气体、杂质和补缩、防裂,获得优质铸件有影响。金属的流动性好，气体和杂质易于上浮，使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸件。良好的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到金属液的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的弥合，因此，有利于这些曲线的防止。 液态金属的流动性是用浇注“流动性”试样的方法衡量的。在实际中，是将试样的结构和铸型性质固定不变，在相同的浇注条下，浇注各种合金

3、的流动性试样，以试样的长度或以试样某处的厚薄程度表示该合金的流动性。 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动性表示合金的充型能力。因此，可以认为合金的流动性是在确定条件下的充型能力。12/12/20215对于同一种合金，也可以用流动性试样研究各铸造因素对其充型能力的影响。例如，采用某一种结构的流动性试样，改变型砂的水分、煤粉含量、浇注温度、直浇道高度等等因素中的一个因素，以判断该变动因素对充型能力的影响。 流动性试样的类型很多，如螺旋形、球形等。 在生产和科学研究中应用最多的是螺旋试样，如图所示。其优点

4、：灵敏度高、对比形象、可供金属液流动相当的距离，而铸型的轮廓尺寸并不太大。缺点：金属流线弯曲，沿途阻力损失较大，流程越长散热越多，故金属的流动条件和温度条件都在随时间改变，这必然影响到所测流动性的准确度；各次试验所用铸型条件也很难精确控制；每做一次试验要造一次铸型。12/12/202161.4.2 1.4.2 影响充型能力的因素及影响充型能力的因素及 提高充型能力的措施提高充型能力的措施 影响充型能力的因素大致可以归纳为四类： 第一类因素-金属性质方面的因素（1）金属的密度1； （2）金属的比热容c1；（3）金属的导热系数1； （4）金属的结晶潜热L;（5）金属的粘度; （6）金属的表面张力;

5、（7）金属的结晶特点。 第二类因素-铸型性质方面的因素（1）铸型的蓄热系数b2； （2）铸型的密度2 ；（3）铸型的比热容C2； （4）铸型的导热系数2； 12/12/20217（5）铸型的温度； （6）铸型的涂料层；（7）铸型的发气性和透气性。第三类因素-浇注条件方面的因素（1）液态金属的浇注温度;（2）液态金属的静压头H;（3）浇注系统中压头损失总合;（4）外力场（压力、真空、离心、振动等）。第四类因素-铸件结构方面的因素（1）铸件的折算厚度R R=V（铸件的体积）/S（铸件的散热表面积）或R=F（铸件的断面积）/P（断面的周长）（2）由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失h.12

6、/12/20218合金的流动性与其成分之间存在着一定的规性。在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物的地方出现最大值，而有结晶温度范围的地方流动性下降，且在最大结晶温度范围附近出现最小值。12/12/2021912/12/202110 在过热度相同时：纯铁的流动性好，随碳量的增加，结晶温度范围扩大，流动性下降。在Wc2.1%附近，结晶温度范围最大，在液相线以上过热度相同的情况下，流动性最差。 在亚共晶铸铁中，越接近共晶成分，流动性越好，共晶成分铸铁的流动性最好。这是因为含碳量越低，结晶温度范围越宽，初生奥氏体枝晶就越发达，数量不多的奥氏休枝晶，即足以阻塞液流的流动。共晶铸铁的结晶组

7、织比较细小，凝固层的走向平整，流动阻力小，而且共晶成分铁液浇注温度低，向铸型散热慢，流动时间也较长，所以流动性最好。碳量增加时，亚共晶铸铁的液相线温度下降，在相同的浇注温度下，铁液的流动性随碳量增加而迅速提高。 铸铁的结晶温度范围一般都比铸钢的宽，但铸铁的流动性却比铸钢的好。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；另外，由于钢液的温度高，在铸型中散热速度大，很快就析出一定数量的枝晶，使钢液失去流动能力。 高碳钢的结晶温度范围虽然比低碳钢的宽，但是，由于液相线温度低，容易过热，所以实际流动性并不比低碳钢差。12/12/202111出气口出气口浇口杯浇口杯Pb

8、Sb20406080204060800流动性（流动性（cm）100200300温度（温度（）012/12/202112 纯金属、共晶成分合金及结晶温度纯金属、共晶成分合金及结晶温度 宽结晶温度合金停止宽结晶温度合金停止 很窄的合金停止流动机理示意图很窄的合金停止流动机理示意图 流动机理示意图流动机理示意图 12/12/202113其它元素对铸铁流动性的影响（1）磷铸铁中磷量增加，液相线温度下降，铁液粘度下降；由于磷共晶增加，固相线温度也下降，因此，可以提高流动性。但是，磷量增加使铸铁变脆。通常不用增加磷量提高铸铁的流动性。12/12/202114 （2）硅 铸铁中硅的作用和碳相似，硅量增加，液

9、相线温度下降。因此，在同一过热度下，铸铁的流动性随硅量增加而提高。 （3）锰 锰的质量分数低于0.25时，锰本身对铸铁的流动性没有影响。但是，当含硫量增加时，一方面会产生较多的MnS夹杂物，悬浮在铁液中，增加铁液的粘度，另一方面，含S量越高，越易形成氧化膜，致使铁液流动性降低。12/12/2021152、结晶潜热 结晶潜热约占液态金属热含量的85-90，但是，它对不同类型合金的流动性影响是不同的。 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。凝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。将具有相同过热度的纯金属浇

10、入冷的金属型试样中，其流动性与结晶潜热相对应：Pb的流动性最差，Al的流动性最好，Zn、Sb、Cd、Sn依次居于中间。 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。12/12/2021163、Al-Si合金流动性与成分的关系12/12/202117 原因 初生相是比较规整的块状晶体，且具有较小的强度，不形成坚强的网络，能够以液固混合状态在液相线温度以下流动，结晶潜热的一发挥。相的结晶潜热为141kg,比相约大三倍。此外，如图 表明，和亚共晶合金对比，析出相同数量的固相时，过共晶合金具有较高的实际过热度。

11、由于较大的结晶潜热而使流动性在过共晶区继续增长的情况，据目前的资料，只有铸铁（石墨的潜热为383 kg,，比铁达14倍），Pb-Sb和Al-Si 合金。12/12/202118 3 金属的比热容、密度和导热系数 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。 导热系数小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长；导热系数小，在凝固期间液固并存的两相区小，流动阻力小，故流动性好。 4 液态金属的粘度 根据水力学分析，粘度对层流运动的流速影响较大，对紊流运动的流速影响较小。实际测得，金属液在浇注系统中或在试样中的流速，除停止流动前的阶段外都大于临界速度，是

12、紊流运动。在这种情况下，粘度对流动性的影响不明显。12/12/2021195表面张力造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角90。故液态金属在铸型细簿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，阻碍对该部分的充填。所以，表面张力对薄壁铸件、铸件的细簿部分和棱角的成形有影响。型腔越细薄，棱角的曲率半径越小，表面张力的影响则越大。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h，其值可从下面的例中得到一个概念。 铸铁件某细薄部部分的曲率半径r=1mm，铸铁的含碳量为3.3%，表面张力=1.2N/m，当浇注温度为1380时，铁水的密度=7000Kg/m2，并假设对铸型

13、完全不润湿，即润湿角为180 ，求附加压头h。 2coshgr h=0.035mm，可见附加压头的数值很小，在一般情况下可不予考虑。12/12/202120 液态金属充填铸型尖角处的能力除与表面张力有关外，还与铸型的激冷能力有关。在激冷作用较大的铸型中，可在合金中加入表面活性元素或采用特殊涂料，降低或润湿角 。在激冷能力作用较小或预热的铸型中，如果浇注终了在尖角处合金仍为液态，直浇道中的压头则能克服附加压力，而获得足够清晰的铸件轮廓。 如果液态金属表面上有能溶解的氧化物，如铸铁和铸钢中的氧化亚铁，则润湿铸型。这时附加压力是负值，有助于金属液向细薄部分充填，同时也有利于金属液向铸型砂粒之间的孔隙

14、中渗透，促进铸件表面粘砂的形成。12/12/202121 综上所述，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 在不影响铸件使用性能的情况下，可根据铸件大小、厚簿和铸型性质等因素，将合金成分调整到实际共晶成分附近，或选用结晶温度范围小的合金。对某些合金进行变质处理使晶粒细化，也有利于提高其充型能力 2合理的熔炼工艺 保持原材料和熔炼设备的洁净 多次熔炼的铸铁和废钢，应尽量减少用量 “高温出炉，低温浇注”12/12/202122二、铸型性质方面的因素二、铸型性质方面的因素 C22-单位体积的铸型在温度升高1时所吸取的热量。 此值大，铸型吸取较多的热量而本身的温升较小

15、，使金属与铸型之际那在较长时间内保持较大的温差。 2铸型的导热系数大，表示从金属吸取的热量能很快地由温度较高的型内表面传导到温度较低的“后方”，使铸型参加蓄热的部分增多，从而能够储存更多的热量，并且铸型内表面的热量能迅速传走，温升速度也就比较缓慢，而保持继续吸取热量的能力。铸型的蓄热系数b2表示铸型从其中的金属中吸取并储存于本身中热量的能力。蓄热系数b2越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。2222cb12/12/202123表2-6几种铸型材料的蓄热系数材料铜铸铁铸钢粘土型砂湿砂锯末烟黑温度202020202020500蓄热系数3.671.341.30.

16、110.230.02960.0076在金属型铸造中，经常采用涂料调整其蓄热系数b2 。为使金属型浇口和冒口中的金属液缓慢冷却，常在一般的涂料中加入b2很小的石棉粉。在砂型铸造中，利用烟黑涂料解决大型薄壁铝镁合金铸件的成型问题，已在生产中收到效果。12/12/202124铸型温度铸型温度 预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高其充型能力。 例如，在金属型中浇注铝合金铸件铸型温度由340提高到520，在相同的浇注温度（760）下，螺旋线的长度由525mm增加到950mm。 用金属型浇注灰铸铁时，铸型的温度不但影响充型能力，而且影响影响铸件是否出现白口组织。 在熔模铸造中，为得到清晰的轮廓，将型壳

17、加热到800以上进行浇注12/12/202125 铸型有一定的发气能力，能在金属液与铸型之间形成气膜，可减小流动的摩擦阻力，利于充型。浇注温度螺旋线长度L/mm1570160016251650干砂型515575600665湿砂型580700750775表2-7 湿砂型和干砂型中钢液流动性的比较12/12/202126根据实验，湿型中的水大于6和煤粉大于7时，由于发气量过大，在型腔中产生反压力，充型能力下降。型腔中气体反压力较大的情况下，金属液可能较不进去，或者浇口杯、顶冒口中出现翻腾现象，甚至飞溅出来伤人。所以，铸型中的气体对充型能力影响很大。 减小铸型中气体反压力的途径：（1）适当降低型砂中

18、的含水量和发气物质的含量，亦即减小砂型的发气性；（2）提高砂型的透气性。12/12/202127（3）浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。 （2）充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。12/12/202128铸件复杂程度3 3、铸件结构方面的因素、铸件结构方面的因素12/12/2021整理课件29本章结束12/12/202130合金的螺旋形流动性实验合金的螺旋形流动性实验 在相同的条件下浇注各在相同的条件下浇注各种合金的流动性试样，种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合以试样的长度表示该合金的流动性，并以所测金的流动性，并以所测得的合金流动性表示合得的合金流动性表示合金的充型能力。金的充型能力。 1.浇口杯浇口杯, 2.低坝低坝, 3.直直浇道浇道, 4. 螺旋螺旋 5. 高坝高坝, 6.溢流道溢流道,7.全压井全压井 下页我们提供了对铸钢下页我们提供了对铸钢和铸铁件流动性的模拟和铸铁件流动性的模拟结果结果12/12/202131