液态金属铸造补缩的力学性能

液态金属铸造补缩的力学性能

0乳液金属补缩的力学性能在硬化过程中，液体金属的体积收缩是铸造中收缩孔和收缩的根本原因。对缩孔进行补缩的动力有:液态金属的表面张力,液态金属的压力包括液态金属的静压力和外界的附加压力.阻碍液态金属补缩的力有:补缩液体流向缩孔时的粘性摩擦力,晶间通道的局部阻力,低压和差压铸造中的金属液自重力.在固定的生产条件下,液态金属的体收缩率及结晶潜热无法改变,而其余各因素是制约还是促进补缩,将是本文要探讨的内容.1铸造补缩通道的参数以低压和差压铸造为例,探讨由上至下顺序凝固的补缩问题.这涉及到固相骨架基本形成时的状态,如图1所示.在固相骨架形成初期,晶间通道可相互连成一片,且认为凝固过程无偏析存在,即液态金属的表面张力σ、密度ρ及结晶温度间隔ΔT均不变.此时,可将补缩过程简化为缝隙层流运动,如图2所示.推动液态金属进行补缩的力F1为其中B、δ分别为补缩通道的宽度和厚度.阻碍补缩的力F2为式中u——液态金属补缩速度;g——重力加速度;μ——液态金属的动力粘度.式(2)中加号前的部分为缝隙间层流运动的粘性阻力.由于所流经的并非是平板间的平行通道,而是弯曲的晶粒间隙,因而阻力要比按平板间平行缝隙进行计算时大很多倍.令该倍数为ξ,则式(2)可写成F2=12μLuBδ⋅ξ+BδLρg(3)ξ与形成固相骨架的液固共存区厚度、晶粒大小和数量及晶粒在空间的排列状态、取向有关,一般可近似表示为ξ=ΔΤG⋅ηD⋅φ(4)式中ΔT——合金的结晶温度范围,ΔT≥0;G——合金在液固共存区的温度梯度,G>0;η——补缩通道的实际长度与液固共存区的厚度之比,一般η>1;D——晶粒的平均直径;φ——系数.由于在补缩通道的曲折路径里,越伸向已凝固的固体层,液相体积分数越少,温度亦越低,路径亦越窄小,加之液态金属粘度迅速增加,因而每出现一次曲折,其阻力增加的值足以同假设的间隙δ不变时的整个沿程阻力相当,故系数φ是一个接近于“1”的数.式(3)中加号后部分由于低压及差压铸造时的重力将阻碍补缩,因而将其放在阻碍补缩式内.式(1)与式(3)的差值将造成液态金属薄层向上运动的力.由牛顿第二运动定律知dudt+12μξρδ2u=(2σδ+Ρ)/Lρ-g(5)上式的解析解难以求出,须进行近似处理,即认为液态金属是以均速进行补缩,亦即dudt=0,则式(5)可写成u=δ212μξ[1L(2σδ+Ρ)-ρg](6)由于L=(ΔT/G)·η(L>0),因而要求G>0,将L,ξ代入式(6),得u=δ2DG12μΔΤφη[GΔΤ⋅η(2σδ+Ρ)-ρg](7)将速度u的单位取为液态金属单位时间内流过的晶粒个数,则式(7)可写成uD=δ2G12μ⋅ΔΤ⋅φ⋅η[GΔΤ⋅η(2σδ+Ρ)-ρg](8)随着温度的降低,原来连成片的补缩通道将缩小成类似孔隙的通道,这时可用毛细管的模型来计算其补缩情况,则式(8)可写成uD=d2G32μ⋅ΔΤ⋅φ⋅η[GΔΤ⋅η(4σd+Ρ)-ρg](9)式中d——毛细管内径.比较式(8)与式(9)可知,其机理完全一致,只是毛细管模型的补缩速度比平板模型的补缩速度更小一些.所以动力粘度μ可表示为μ=k1ek2/Τ(10)式中k1——与金属原子间作用有关的常数;k2——与原子移动的激活能有关的常数;T——液态金属在凝固点的温度.液态金属层厚度δ可表示为δ=δ0-2k3√t(11)式中δ0——当时间t=0时液态金属层的厚度;k3——与铸型性质有关的常数.将μ、δ代入式(8),有uD=(δ0-2k3√t)2⋅G12k1⋅ek2/Τ⋅ΔΤ⋅φ⋅η[GΔΤ⋅η(2σδ0-2k3√t+Ρ)-ρg](12)由式(12)可知,随着t增加,(δ0-2k3√t)→0,而ek2/T将由于T的降低而剧增,因而u/D将很快趋于零,亦即停止补缩.对于重力铸造,金属液自重力为补缩动力.因而对于平板层流模型,补缩速度u′的表达式为u′D=(δ0-2k3√t)2G12k1⋅ek2/Τ⋅ΔΤ⋅φ⋅η[GΔΤ⋅η(2σδ0-2k3√t+Ρ)+ρg](13)对于毛细管模型,表达式为u′D=d2G32μ⋅ΔΤ⋅φ⋅η[GΔΤ⋅η(4σd+Ρ)+ρg](14)2gh16铸造工艺首先对各种铸造方法的压力P做如下说明.重力铸造Ρ=Ρ0+ρgh(15)差压铸造Ρ=Ρ1-ρgh(16)低压铸造Ρ=Ρ0+ΔΡ-ρgh(17)真空低压铸造Ρ=Ρ0-ΔΡ-ρgh(18)以上各式中P0——大气压;h——冒口上沿(或坩埚液面)到液固界面的高度;P1——同步进气压力;ΔP——保压时的压力(或真空度).1将“上式”数据纳入上式令n为差压铸造与重力铸造补缩能力之比,则由式(9)、式(14)有n=[Gη⋅ΔΤ⋅ρg(4σd+Ρ1-ρgh)-1][Gη⋅ΔΤ⋅ρg(4σd+Ρ0+ρgh)+1](19)将101铝合金数据代入上式:ΔT≈30℃;P0≈105Pa;σ≈520×10-3N/m;ρ≈2.55×103kg/m3;g≈9.81m/s2并令d≈10-3m,P1=7×105Pa,则有n=(77.5⋅Gη-1)(17.5⋅Gη+1)(20)砂型差压铸造底注法生产薄壁壳体件时,其下面温度可达700℃左右,而上面温度经常可达凝固点,即500℃左右.若件高为1m,则G=200℃/m.令η=10,代入式(20)可得n=4.8.这说明差压铸造的补缩能力比砂型铸造约强4～5倍.2真空补缩能力测定同理得n=[Gη⋅ΔΤ⋅ρg(4σd+Ρ0+ΔΡ-ρgh)-1][Gη⋅ΔΤ⋅ρg(4σd+Ρ0-Ρ′-ρgh)-1](21)一般地,ΔP≈0.05MPa,P′≈0.08MPa,将数据代入式(21)得(其它数据同前)n=(15⋅Gη-1)(138⋅Gη-1)(22)令G=200℃/m,η=10,则有n=3/(-0.474).由此可知,真空低压铸造的补缩能力与低压铸造相差甚远,这正是真空低压铸造不能得到广泛应用的原因.3金属型差压铸造n根据文献可知,金属型温度梯度可比砂型大近百倍,因而式(20)又可写成n=[77.5⋅G金η-1][17.5⋅G砂η+1]≈[77.5×100-ηG砂][17.5+ηG砂]≈510(23)由式(23)可知,金属型差压铸造的补缩能力远大于砂型重力铸造,是一种很有前途的铸造方法.3分析数学模型3.1真空补缩能力a.温度梯度G:当G增大时,u亦增大,即补缩能力增强;当G为零时,u=0,即同时凝固,无补缩可能,合理.b.合金结晶温度区间ΔT:当ΔT增大时,u急剧变小,即补缩能力剧减,此时为粥状凝固,不易补缩,合理.c.金属液的动力粘度μ:μ增大,u变小,合理.d.液态金属的表面张力σ:σ大,u亦大.但由于σ值较小,故影响不明显.真空铸造时σ的作用才较大些,这也是正确的.e.外界压力P:P大,u则大,它是整个数学模型的主值项.由式(16)知差压铸造的P很大,因而补缩能力大为增强.而由式(18)知,真空低压铸造的补缩能力剧减,故高真空度低压铸造在生产中应用并不多.f.液态金属的密度ρ:ρ大时在重力铸造中将强化补缩,而在反重力铸造时会削弱补缩,合理.g.液态金属的补缩速度u:设二种金属凝固时的体收缩率分别为β1、β2,其形状相同,体积均为V0,凝固后要得到没有缩孔的组织.所需补缩金属液体积分别为β1V0、β2V0,这些液体都要通过收缩缝隙进入被补缩部位.但收缩缝隙的体积总和也分别为β1V0、β2V0.因此这些通道的过流面积也应对应为β1V0L、β2V0L.如果这两种金属是在相同的时间内完成凝固,则补缩通道内的液态金属流速应为u1=β1V0β1⋅V0⋅tL=Lt;u2=β2V0β2⋅V0⋅tL=Lt,即u=u1=u2.因此,无论液态金属凝固时的体收缩率多大,其补缩时的液流速度均不变.因而对于体收缩大的金属不必增加补缩压头,只要提供足够的补缩液体即可.3.2离心铸造补缩效率的实现途径由式(9)可知,u与G2成正比,与ΔT2成反比,故决定补缩能力的关键是G与ΔT.δ、d是铸件凝固时从大到小都要必经的,没有研究价值.从数量级分析可知:P≫4σ/d;(GP/ΔT·η)≫ρg,因而决定u的主导量是P.事实上式(9)中μ、ΔT、σ、ρ在现有生产条件下无法改变.而δ、d又是不能控制的从大到小必经的量,比较方便且可以变化的量只有P、G.因而为了使补缩能力增强,只能增加P和G,这说明使用金属型差压铸造是最佳选择.由(9)式可知,表面张力σ及压力P都是表面力,若要参与补缩,则必须克服液态金属在晶间通道中的流动阻力.因此,σ与P都必须与G/ΔT·η相乘.而ρ·g是质量力,它可直接参与补缩而不受晶间通道的制约,因而其补缩效率要比σ与P高.但由于ρ·g的数量级比P小很多,因而在实践中才没有引起人们的重视.但在离心铸造中,它的数量级猛增到106(ρRW2)左右,此时质量力就成为补缩作用的主导项.由此可知:离心铸造特别适合于密度大,结晶温度范围宽而温度梯度又较小的这类金属.由以上分析可知,通过下列途径可以提高补缩效率.a.对结晶温度范围宽的合金,为减少缩孔,最好的办法是增加温度梯度G,或增大凝固时的外界压力P.由式(9)可算出:当G增大一倍时,则相当于减小ΔT一倍;而凝固时每增大外界压力n倍,就相当于使结晶温度间隔变为ΔΤ/n,即减小1/n倍.正如文献所指出:用差压铸造法生产铸件时,用AЛ9合金(相当于我国的101铝合金),其密度增大0.007g/cm3;在韧性方面,δAЛ9增大30%;而δAЛ19增大43%.这说明宽结晶温度间隔的合金用增大P的差压铸造方法更能提高其性能.b.由式(9)可知:真空条件下凝固的铸件,其致密性远不如高压条件下凝固的铸件.钛合金铸件最好的成型方式是在充满惰性气体的高压炉内浇注成型.真空低压铸造不仅不利于补缩,而且由于外界压力剧减,溶解于金属液内的气体更易析出,形成较多的气孔,这种铸造方法是没有前途的.c.由式(9)的数量级分析可知:由于ρgh≪P0,且ρgh≪P1,因而在补缩动力中因冒口高度h所造成的分量是很小的,而补缩动力主值项是压力P.差压铸造时P=P1-ρgh;重力铸造时P=P0+ρgh.由此看来,完全没有必要在铸件的补缩工艺中去增大冒口高度,而只要保证有足够的贮备液即可.保温发热冒口由于可大大延长冒口的凝固时间,可大大减小冒口的体积和高度,这并未影响冒口的补缩效果.无论何种铸件,其冒口形状都应以模数最大为好.此外,从式(9)亦可知:对于