材料成形原理-第一章(2)液态金属的充型能力

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一、金属性质方面的因素
这类因素是内因，决定了金属本身的流动能力-----流动性。 1、 合金的成分 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。
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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。 螺旋试样 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：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。
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合金成分对流动性的影响
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Ｆｅ-Ｃ合金流动性与成分的关系
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10 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Wc＝2.1%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。
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3、Al-Si合金流动性与成分的关系
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原因 初生β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。β相的结 晶潜热为141×１０４Ｊ ／kg,比α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。
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。
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5表面张力
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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ρ=7000Kg/m2，并假设对铸型完全不润湿，即润湿角为180 °，求附加压头h。
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（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Σh.
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不同金属和不同铸造方法铸造的铸件的最小壁厚
铸
种类 灰铸铁 砂 3 型
件
最
小
壁
厚 （mm）
壳 型 压 -铸
金 属 型 >4
熔模铸造 0.4-0.8
0.8-1.5
铸钢
铝合金
4Байду номын сангаас
3
8-10
3-4
0.5-1.0
--
2.5
--
-0.6-0.8
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结论：液态金属的充型能力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。
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1.4.2 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ρ1； （2）金属的比热容c1； （3）金属的导热系数λ1； （4）金属的结晶潜热L; （5）金属的粘度η; （6）金属的表面张力σ; （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ρ2 ； （3）铸型的比热容C2； （4）铸型的导热系数λ2；
1.4 液态金属的流动性与充型能力
充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的
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能力，即液态金属充填铸型的能力。是设计浇注系统的重要依据之一；此外
还涉及此过程中可能产生的浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性 气孔、夹砂等缺陷的防止措施。因此获得质量健全的铸件必须对此进行掌握
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综上所述，为提高液态金属的充型能力，在金属方面 21 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”
宽结晶温度合金停止 流动机理示意图
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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。
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（2）硅 铸铁中硅的作用和碳相似，硅量增 加，液相线温度下降。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。
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2、结晶潜热
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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。
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合金成分对流动性的影响
温度（℃） 30 0 20 0 10 0 0 80 60 40
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浇口杯
出气口
流动性（cm）
20
0
Pb 20
40
60
80
Sb
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液态金属停止流动机理与充型能力
充型能力强
前端析出15~20％的固相量 时，流动就停止。
纯金属、共晶成分合金及结晶温度 很窄的合金停止流动机理示意图
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二、铸型性质方面的因素
（１）铸型的蓄热系数
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b2
2 c2 2
C2ρ2---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，使金属与 铸型之际那在较长时间内保持较大的温差。 λ2－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。
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 × １０４Ｊ／kg,，比铁达14倍），Pb-Sb和Al-Si 合金。
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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，是紊流运动。在这种情况下，粘度 对流动性的影响不明显。
和控制.
本节主要内容 1、充型能力的基本概念 ２、影响充型能力的因素及提高充型 能力的措施
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1.4.1 流动性与充型能力的基本概念
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，即液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能 力。 实验证明，同一种金属用不同的铸造方法，所能铸造的铸件 最小壁厚不同。同样的铸造方法，由于金属不同，所能得到 的最小壁厚也不同，如表所示。

h
2 cos gr
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。
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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中 渗透，促进铸件表面粘砂的形成。
流动性：金属本身的流动能力，称为“流动
性”，是金属铸造性能之一。
螺旋试样
影响因素（1）金属的成分。 （2）液体的温度。 （3）杂质的含量和状态及物理特性。
重点：区别流动性和充型能力是两个不同的概念
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金属的流动性对于排出其中的气体、杂质和补缩、防裂,获 4 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。