金属液态成形工艺原理讲稿

第二章金属液态成形工艺原理§2.1液态金属充型过程的水力学特点

液体金属充满铸型型腔的过程称为充型过程。

§2.1液态金属充型过程的水力学特点

液体金属充满铸型型腔的过程称为充型过程。

在充型异常的条件下会产生液态金属成形过程的一些缺陷：

浇不足、冷隔、砂眼、抬箱、侵入性气孔、夹砂结疤

充型过程存在：热作用机械冲击冲刷物理化学反应研究液态金属充型过程的运动规律和特性非常必要。

§2.1液态金属充型过程的水力学特点

研究方法：研究液态金属充型过程的运动规律和特性非常必要。

物理模拟计算机数值模拟工业试验经验总结§2.1液态金属充型过程的水力学特点

液态金属中存在夹杂物（固相）和气体（气相）

1、多相黏性流动

夹杂物（非金属化合物）：（尺寸<50μm

）

氧化物——

Al2O3,SiO2,MnO,FeO,TiO2,MgO等

氮化物——AlN,ZrN,TiN等硫化物——Ni3S2,CeS,Cu2S等气体：（总量<4X10-4%）

CO,CO2,H2,N2,O2等

例如连铸的钢水中：§2.1液态金属充型过程的水力学特点

金属由固态转变成液态，金属键被部分破坏，原子之间仍然保持一定的结合力，因此液态金属在流动过程中有内摩擦阻力，呈现粘性流动的水利学特点。

影响因素：温度

合金成分金属液纯净度1、多相黏性流动

§2.1液态金属充型过程的水力学特点

充型过程中液态金属的流速、流态在不断变化。

2、非稳定流动

流路截面变化流路方向变化流路温度变化§2.1液态金属充型过程的水力学特点

3、紊流流动

液体的流动可分为层流和紊流两种状态，并可用雷诺数Re来判断。（流速×管路直径/流体运动粘度）Re临=2300大于Re临为紊流小于Re临为层流例如，某钢种在连铸工艺过程中结晶器的管道直径为0.15m，如果结晶器有电磁搅拌的条件下钢水的平均旋转周向速度为0.12m/s，浇注温度为1535℃，运动粘度为0.407×10-6m2/s，计算出：

对于某些合金，在浇注温度下（高于液相线温度50~100℃）有：铸件材质铸铁铸钢铝合金γ（m2/s）0.55×10-60.4×10-60.6×10-6在浇注系统中，即使D很小（如取0.4cm），在保证充型的最低流速下，其雷诺数也大于Re临。所以：金属液在浇注系统中的流动为紊流流动。又由于浇注系统流路回转，使紊流程度加重。§2.1液态态金金属属充充型型过过程程的的水水力力学学特特点点4、在在““多多孔孔管管””中中流流动动浇注注系系统统及及铸铸型型的的型型腔腔都都具具有有一一定定的的透透气气性性§2.1液态态金金属属充充型型过过程程的的水水力力学学特特点点综上上所所述述液态态金金属属在在充充型型过过程程中中的的水水力力学学特特点点与与理理想想液液体体相相比比有有明明显显的的区区别别。。但是是，，液液态态金金属属在在充充型型时时间间较较短短的的过过程程中中，，一一些些水水力力学学的的规规律律在在一一定定程程度度上上也也适适用用于于液液态态金金属属的的流流动动过过程程。。§2.2液态态金金属属充充型型过过程程的的水水力力学学计计算算一、、浇浇注注系系统统的的结结构构浇注注系系统统：：引引导导金金属属液液进进入入和和充充满满型型腔腔的的一一系系列列通通道道。。§2.2液态态金金属属充充型型过过程程的的水水力力学学计计算算一、、浇浇注注系系统统的的结结构构浇注注系系统统的的构构成成（（基基本本组组元元））：：浇口口杯杯直浇浇道道直浇浇道道窝窝横浇浇道道内浇浇道道§2.2液态态金金属属充充型型过过程程的的水水力力学学计计算算连续续铸铸钢钢浇浇注注系系统统的的构构成成：：钢水水包包长水水口口中间间包包浸入入式式水水口口结晶晶器器一、、浇浇注注系系统统的的结结构构§2.2液态态金金属属充充型型过过程程的的水水力力学学计计算算一、、浇浇注注系系统统的的结结构构根据据浇浇注注系系统统基基本本组组元元截截面面积积比比例例关关系系分分为为：：开放式浇浇注系

F直<F横

<F内

封闭式浇注系统

F直

>F横

>F内

F直、F横二、计算模型型P——上型腔高度C——型腔高度（铸件高度）§2.2液态金属充型型过程的水力力学计算二、计算模型型为了保证金属属液顺利充满满型腔：直浇道要有一一定高度（提提供充型压头头）；浇道要有合§2.2液态金属充型型过程的水力力学计算三、计算过程程和结果计算条件：浇注系统为充充满流动封闭式浇注系系统；对于开放式的的型腔液面要要淹过内浇道道。1.充填下半型设充填下半型型时需要金属属液m1，充填时间为为t1。以浇口杯液（2-1）1.充填下半型设充填下半型型时需要金属属液m1，充填时间为为t1。以浇口杯液面面和内浇道出出口建立伯努努利方程式中：P杯——

P腔——型腔内的液面压力

v杯——浇口杯液面金属流动速度

v内——内浇口出口金属流动速度

hi——浇注系统中某段的流体压头损失

γ

——重度（=ρg）（2-1）1.充填下半型设充填下半型型时需要金属属液m1，充填时间为为t1。以浇口杯液面面和内浇道出出口建立伯努努利方程（能量方程））：（2-1）因为其中:1.充填下半型所以（2-2）整理式（2-1）得式中（2-1）1.充填下半型（2-3）所以通过内浇道的的金属流量为为（流量=时间*流速*截面积）2.充填上半型设充填上半型型时需要金属属液m2以浇口杯液面面和内浇道出出口建立伯努努利方程：（2-4）2.充填上半型设充填上半型型时需要金属属液m2，充填时间为为t2。以浇口杯液面面和内浇道出出口建立伯努努利方程：因为其中:（2-4）2.充填上半型所以（2-5）整理式（2-4）得式中（2-4）2.（2-6）所以（流量=时间*流速*截面积）通过内浇道的的金属流量为为3.通式由于同一个铸铸件浇注系统统的内浇道的的断面积应该该是一个，因因此写成通式式：（2-7）式中

这就是奥赞（Osann）公式，它是浇注系系统计算的基基本公式。假设型腔断面面积沿高度无4.平均静压头H均的确定液态金属充型过程计算模型：H0——金属充型压头P——上型腔高度C——型腔高度（铸件高度）假设型腔断面面积沿高度无无变化。a.按实际系统与与计算系统浇浇注做功相同同来确定：b.按实际系统（2–8a）（2–8b）4.平均静压头H均的确定本次课结束谢谢大家§2.3液态金属充型型能力及停止止流动机理一、充型能力力液态金属充满满铸型型腔，，获得形状完完整、轮廓清清晰的铸件的的能力称为液态金属的充充型能力。在钢的连铸工工艺中称为钢钢的可浇性。充型能力影响响：浇注（或浇钢钢）过程铸件（或铸坯坯）的完整性性和表面质量量一、充型能力力影响充型能力力的主要因素素：液态金属的流流动能力（主要因素））外界条件铸型性质——导热能力、温温度浇注条件——浇注温度、浇浇注压头铸件结构——热模数、复杂杂程度用金属的流动性来反映液态金流动性取决于液态金金属的成分、、温度、杂质质含量。一、充型能力力用金属的流动性来反映液态金金属的充型能能力。测试方法：用稳定工艺条条件下的砂型型三螺旋线法法。螺旋形流动性性试样截面：：1068一、充型能力力用金属的流动性来反映液态金金属的充型能能力。某些合金的流流动性：合金浇注温度/℃螺旋线长度/mm铸铁（C+Si=6.2%）（C+Si=5.9%）（C+Si=5.2%）（C+Si=4.2%）1300180013001000600铸钢（C=0.4%）16001640100200镁合金（Mg-Al-Zn）700400~600硅黄铜（Si=1.5~4.5%）11001000二、停止流动动机理不同的合金其其充型能力不不同的根本原原因在于它们们的停止流1.纯金属、共晶晶合金和结晶晶温度区间很很窄的合金具有一定过热热度的液态金金属在管道中中流动，靠近近管壁的液态态金属首先降降到凝固温度度并开始在管管壁上凝固，，一般是以柱柱状晶组织从从管壁向里推推进，而中心心的过热液态态金属继续向向前流动，并并且能够全部部或部分地熔熔化正在向里里生长的柱状状晶，过热度度逐渐减小。。当流动的液液态金属没有有过热度时，，柱状晶一直直生长到中心心，液态金属在流流动前端的后后部被堵塞而而停止流动。结晶特点是在在一定的的温度点开始始凝固。二、停止流动动机理不同的合金其其充型能力不不同的根本原原因在于它们们的停止流动动机理不同。。2.结晶温度区间间宽的合金结晶特点是在在一定的的温度范围内内开始凝固。。具有一定过热热度的液态金金属在管道中中流动，不断断接触管壁的的液态金属前前端首先达到到凝固温度，，并开始有部部分的固相以以枝晶析出。。此时液态金金属中虽然有有部分固相，，但还可以继继续向前流动动，但流动阻阻力越来越大大，流动速度度逐渐减慢。。当液态金属属前端区域的的固相析出量量在15~20%左右时，在流动的前端端被堵塞而停停止流动。二、停止流动动机理不同的合金其其充型能力不不同的根本原原因在于它们们的停止流动动机理不同。。得出结论：纯金属、共晶晶合金的流动时间相相对较长，流动性好，充充型能力强。。结晶温度范围围较宽的合金金流动时间相对对较短，流动性差，充充型能力弱。。所以，浇注同同样结构的铸铸件，结晶温温度范围宽的的合金要适当当提高浇注温温度。三、提高充型型能力的措施施1.合金方面：选择共晶或结结晶温度范围围窄的合金提高液态金属属的纯净度2.铸型方面：刷保温涂料3.浇注工艺：适当提高浇注注温度调整浇注位置置，提高浇注注压头§2.4液态金属凝固固方式一、液态金属属凝固动态曲曲线铸件在凝固过过程中，断面面上一般都存存在三个区域域：§2.4液态金属凝固固方式一、液态金属属凝固动态曲曲线铸件在凝固固过程中，，断面上一一般都存在在三个区域域：对于纯金属属和共晶成成分的合金金，不存在在凝固区。固相区凝固区液相区

固液部分液固部分：晶体处于悬悬浮状态而而未连成片片，液相可可以自由移移动晶体已连成成骨架，液液相可以在在其间移动动晶体连成封封闭骨架，，骨架间的的少量液相相互不沟通通（a）金属凝固固体断面的的温度—时间曲线（b）凝固动态态曲线依据凝固体体断面上实实际测得的的温度随时时间变化曲曲线，在凝凝固体断面面上不同位位置与时间间的座标下下，确定金金属在凝固固过程中典典型温度点点（液相温温度，固相相温度，共共晶温度等等），把凝凝固体断面面上实际测测得的温度度随时间变变化曲线上上确定的温温度点投影影到凝固体体断面上不不同位置与与时间的关关系图中，，把不同时时间、不同同位置的同同一温度点点连接起来来，即得到到金属凝固固动态曲线线。§2.4液态金属凝凝固方式一、液态金金属凝固动动态曲线根据凝固体体断面各位位置的温度度与时间的的关系曲线线，在位置置与时间的的坐标图上上绘制成的的凝固体典典型温度的的连线图称称为凝固动态曲曲线。典型温度：：液相线温度度固相线温度度共晶温度等等根据凝固动动态曲线，，可以推断凝凝固体断面面不同时刻刻的凝固状状态和凝固固区的宽窄窄（范围））。§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式液态金属的的凝固、冷冷却过程是是决定铸件件或铸坯内内部质量的的关键，而而金属在凝凝固过程中中凝固区的的宽窄可以以作为判断断铸件或铸铸坯内部质质量的依据据。根据液态金金属的凝固固动态曲线线，可以判判断出铸件件在凝固不不同时间的的凝固区的的宽窄（结结晶温度范范围）。金属凝固固区的宽窄窄决定凝固固体的凝固固方式，不同的凝凝固方式直直接影响着着金属凝固固体的组织织状态和凝凝固过程的的缺陷。§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式1.逐层凝固方方式恒温下结晶的金属恒温下结晶晶的金属（纯金金属或共晶晶成分合金金），在凝凝固过程中中其凝固体体断面上的的凝固区宽宽度等于零零，断面上上的固体和和液体由一一条界线（（凝固前沿沿）清楚地地分开。随随着温度的的下降，固固体层不断断加厚，逐逐步到达凝凝固体中心心。§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式1.逐层凝固方方式凝固前沿为为平滑的。。§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式1.逐层凝固方方式如果合金的的结晶温度度范围很小小，或凝固固体断面的的温度梯度度很大，则则凝固体断断面的凝固固区也很窄窄，凝固过过程也是逐逐层进行的的。§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式1.逐层凝固方方式凝固前沿为为锯齿状。。逐层凝固方方式对凝固固性能的影影响：流动性好——充型能力强强，容易获获得健全的的凝固体；；液体补缩好好——凝固体的组组织致密，，形成缩松松的倾向小小，形成集集中缩孔的的倾向大（（可用冒口口消除）；；逐层凝固方方式对凝固固性能的影影响：流动性好——充型能力强强，容易获获得健全的的凝固体；；液体补缩好好——凝固体的组组织致密，，形成缩松松的倾向小小，形成集集中缩孔的的倾向大（（可用冒口口消除）；；逐层凝固方方式对凝固固性能的影影响：流动性好——充型能力强强，容易获获得健全的的凝固体；；液体补缩好好——凝固体的组组织致密，，形成缩松松的倾向小小，形成集集中缩孔的的倾向大（（可用冒口口消除）；；热裂倾向小小——热裂是在凝凝固区形成成的，凝固固区域窄，，晶间不易易出现裂纹纹，即使出出现也可以以焊合；易产生成分分偏析。§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式2.体积凝固方方式结晶温度范围很宽

结晶温度范范围宽的合金，在凝凝固过程中中其凝固体体断面上的的凝固区域域很宽，甚甚至贯穿整整个断面，，则在凝固固区域里既既有已结晶晶的晶体也也有未凝固固的液体。。随着温度度的下降，，凝固区不不断向中心心移动，最最后全部凝凝固。也称糊状状凝固方式式§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式2.体积凝固方方式§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式2.体积凝固方方式如果凝固体断面面上的温度度梯度较小小，则凝固固区域也较较宽，其凝凝固过程也也属于体积积凝固方式式。断面温度梯度较小

体积凝固方方式对凝固固性能的影影响：流动性差——不易获得健健全的凝固固体；液体补缩能能力差——凝固体的组组织不致密密，形成缩缩松的倾向向大，形成成集中缩孔孔的倾向小小；体积凝固方方式对凝固固性能的影影响：流动性差——不易获得健健全的凝固固体；液体补缩能能力差——凝固体的组组织不致密密，形成缩缩松的倾向向大，形成成集中缩孔孔的倾向小小；体积凝固方方式对凝固固性能的影影响：流动性差——不易获得健健全的凝固固体；液体补缩能能力差——凝固体的组组织不致密密，形成缩缩松的倾向向大，形成成集中缩孔孔的倾向小小；热裂倾向大大——热裂是在凝凝固区形成成的，凝固固区域宽，，晶间易出出现裂纹；；不易产生成成分偏析。。§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式3.中间凝固方方式介于逐层凝凝固和体积积凝固之间间的凝固方方式称为中中间凝固方方式。如：中等结晶温温度范围的的合金；结晶温度范范围宽而凝凝固体断面面温度梯度度大的合金；结晶温度范范围窄而凝凝固体断面面温度梯度度小的合金。§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式3.中间凝固方方式介于逐层凝凝固和体积积凝固之间间的凝固方方式称为中中间凝固方方式。§2.4液态金属凝凝固方式二、液态金金属凝固方方式3.中间凝固方方式介于逐层凝凝固和体积积凝固之间间的凝固方方式称为中中间凝固方方式。中间凝固方方式对凝固固性能的影影响：流动性适中中液体有一定定补缩能力力有一定的热热裂倾向成分偏析不不严重§2.4液态金属凝凝固方式三、影响液液态金属凝凝固方式的的因素无论是由金金属凝固动动态曲线，，还是从合合金的结晶晶温度范围围与铸件断断面温度分分布的示意意图中都可可以知道，，影响金属属成形凝固固方式的因因素主要是是金属本身的的凝固特点点和外部冷冷却条件。§2.4液态金属凝凝固方式三、影响液液态金属凝凝固方式的的因素1.金属凝固特特点凝固温度范范围（液相相线与固相相线之间的的温度差）），这由金属或或合金的成成分所决定定。2.凝固过程的的冷却条件件凝固体断面面的温度分分布及随时时间的变化化情况。这由合金的的热物理性性能、铸型型（或结晶晶器）的热热物理性能能及其冷却却强度、凝凝固体尺寸寸和结构所所决定。本次课结束束谢谢大家9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。21:57:0721:57:0721:5712/28/20229:57:07PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2221:57:0721:57Dec-2228-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。21:57:0721:57:0721:57Wednesday,December28,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2221:57:0721:57:07December28,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。28十二月月20229:57:07下午21:57:0712月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月229:57下下午午12月月-2221:57December28,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/2821:57:0721:57:0728December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。9:57:07下下午9:57下下午21:57:0712月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。21:57:0721:57:0721:5712/28/20229:57:07PM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积积累累。。。。12月月-2221:57:0721:57Dec-2228-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。21:57:0721:57:0721:57Wednesday,December28,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2221:57:0721:57:07December28,202214、意志坚强的的人能把世界界放在手中像像泥块一样任任意揉捏。28十二月月20229:57:07下午21:57:0712月-2215、楚塞塞三湘湘接，，荆门门九派派通。。。。十二月月229:57