第1章 液态金属成形过程及控制

液态收缩率
二、铸钢件中的缩孔和缩松
缩孔：铸钢件在凝固过程中，由于液态体收缩和凝固体收缩，在铸件最后凝固的部位如得不到外加钢液的补缩，则会出现孔洞。
微观缩孔—显微缩孔
宏观缩孔（缩孔、缩松）
存在于铸件中任何形态的缩孔，都会减少受力的有效面积和在缩孔处产生应力集中，而使铸件的力学性能显著降低。由于缩孔的存在，还会降低铸件的气密性和物理化学性能。因此，缩孔是铸件的主要缺陷之一，应设法防止。
2）充型平稳；
3）型腔内气体排出顺利；
4）充型后上部金属液温度高于下部，有利于顺序凝固和冒口补缩；
5）充型能力强，易避免冷隔和浇不足等铸造缺陷；
6）利用多内浇道，可减轻内浇道附近的局部过热现象。
缺点：造型复杂，有时要求几个分型面；要求正确的计算和结构设计，否则容易出现上下各层内浇道同时进入金属液的“乱浇”现象，或底层进入金属液过多，形成下部温度高的不理想的温度分布。
1缩孔形成机理
圆形铸件为例
假定所浇注的合金的结晶温度范围很窄，铸件时由表及里的逐层凝固
铸件中缩孔形成过程示意图
2缩松形成的机理
轴线缩松或中心缩松。
凝固方向的研究是以铸件纵断面，及铸件长度方向的断面为研究对象，在凝固方向上，根据凝固次序的不同可分为顺序凝固和同时凝固。轴线缩松的形成条件，是在缩松区域内的金属几乎同时凝固。
结构形状—漏斗形、池形（盆型）
问题：水平漩涡。影响因素—杯内液面深度、浇注高度、浇注方向、浇口杯结构等。
液面深度和浇注高度的影响如下图：
如何消除？
浇口塞；堤坝；圆角。
2液态金属在直浇道中的流动情况
直浇道是将来自浇口杯的液流引入横浇道、内浇道或直接进入型腔。
直浇道高度—压头
流动状态：
充满式流动；非充满式流动
（5）计算阻流截面积
（6）确定浇口比并计算各组元截面积
（7）绘出浇注系统图形
2铸钢件浇注系统
3轻合金铸件的浇注系统
4铜合金铸件浇注系统
第三节液态金属凝固收缩过程的工艺分析
液态金属成形过程是高温液态金属在铸型中冷却、凝固至常温固态的过程，在这个过程中，会出现收缩。合金收缩会在铸件中产生缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等缺陷，在液态金属成形过程中，通常通过合理地设置冒口和冷铁等予以控制和预防。
内浇道流量不均匀性U
内浇道流量不均匀现象对铸件质量有显著影响。
（3）挡渣—重力分离；过滤
影响因素：
根据以上对横浇道挡渣作用原理的分析，为强化挡渣作用，在设计横浇道时常常采用以下措施：
4液态金属在内浇道中的流动情况
内浇道：是浇注系统中把液体金属引入型腔的一个单元。
功用：控制充型速度和方向，分配液态金属，调节铸件各部分的温度分布和凝固次序，并对铸件有一定的补缩作用。
上次课程回顾：
第二节浇注系统设计
一、浇注系统的类型及应用
浇注系统类型的选择是正确设计浇注系统的重要问题之一。
1按浇注系统各单元断面积比例分类
2按液态金属导入铸件型腔的位置分类
二、浇注系统尺寸设计
在浇注系统的类型和引入位置确定以后，就可以进一步确定浇注系统各基本单元的尺寸和结构。
按水力学近似公式或经验公式计算浇注系统的最小截面积，再根据铸件的结构特点、几何形状等确定浇道比，最后确定各单元的尺寸和结构。
铸件的凝固方式：逐层凝固：糊状凝固（体积凝固）；中间凝固
凝固方式取决于凝固区的宽度，凝固区宽度主要受合金结晶温度间隔和铸件断面上温度梯度两个因素的影响。
合金结晶温度间隔的影响；温度梯度的影响
一、液态金属凝固过程的收缩
以铸钢件为例
铸件收缩：铸钢件在液态、液固态和固态的冷却过程中均产生体积缩小到现象。
液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。
优点：
1）合金液从下部充填型腔，流动平稳；
2）无论浇口比多大，横浇道基本处于充满状态，有利于挡渣，型腔内的气体能顺利排出。
缺点：
底注式浇注系统的这些缺点，通过有关工艺措施可以加以解决，例如采用快浇和分散的多内浇道、底部使用冷铁、用高温金属补浇冒口等措施，常可收到满意的结果。
适用条件：
常见的底注式浇注系统：
文献推荐的浇口比的比例关系值
灰铸铁：1:4:4；1.1:1.3:1；1:0.75:0.5
球墨铸铁：
铸钢：
铜合金：
铝合金：
镁合金：
三、几种合金浇注系统设计的特点
1铸铁件浇注系统
（1）选择浇注系统类型
（2）确定内浇道在铸件上的位置、数目和金属液引入方向
（3）确定直浇道的位置和高度
（4）计算浇注时间并核算金属液上升速度
4什么叫补缩困难区？影响补缩困难区主要因素是什么？
1浇注系统的基本类型有哪几种？
（1）按浇注系统各单元断面积分有收缩式浇注系统、扩张式浇注系统、半扩张式浇注系统；
（2）按液态金属导入铸件型腔的位置分有顶注式（上注式）浇注系统、底注式（下注式）浇注系统、中注式浇注系统、阶梯式浇注系统、缝隙式浇注系统。
1金属熔体过滤器分类
2过滤器在浇注系统中的放置位置
3过滤器对浇注系统中金属液的阻力
上次课程回顾：
第一节液态金属充型过程的水力学特性及流动情况
一、液态金属充型流动过程的水力学特性
二、液态金属在浇注系统中的流动情况
三金属熔体过滤器及浇注系统
问题：
1概念
铸造：
2液态金属充型过程呈现哪些水力学特性？
3浇注系统由哪些组元组成？
按水力学近似公式或经验公式计算浇注系统的最小截面积，再根据铸件的结构特点、几何形状等确定浇道比，最后确定各单元的尺寸和结构。
伯努利方程---奥赞公式
扩张式浇注系统最小截面积为直浇道底部的横断面积；
收缩式浇注系统，其最小截面积为内浇道的断面积。
在计算获得的阻流截面积的基础上，根据浇注系统各组元的截面比的经验数据，可进一步计算出浇注系统各组元的截面积。经验不足时可以先按类比的方法选用，在通过实际浇注验证后确定。
优点：
1）铸件上部温度高于下部温度，有利于铸件自下而上顺序凝固，能够有小地发挥顶部冒口的补缩作用；
2）液流流量大，充型时间短；
3）造型工艺简单，模具制造方便，浇注系统和冒口消耗金属少，浇注系统切割清理容易。
缺点：适用条件：
常见的顶注式浇注系统：
（2）底注式（下注式）：内浇道设在铸件底部的称为底注式浇注系统。
（3）中注式浇注系统：这种浇注系统的液态金属引入位置介于顶注式与底注式之间。
优缺点：
适用条件：
机器造型生产铸件时，广泛使用中注式浇注系统。此时，多采用两厢造型，内浇道开在分型面上，工艺简单，操作容易。
（4）阶梯式浇注系统：在铸件不同高度上开设多层内浇道的称为阶梯式浇注系统。
优点：
1）金属液自下而上充型；
适用条件：
（5）缝隙式浇注系统：
总之，选择浇注系统类型时要综合考虑多种因素，包括铸件的浇注位置，分型面，铸件的结构、尺寸，合金的铸造性能，是否应用冒口、冷铁及如何发挥它们的作用，以及是否满足铸件的技术要求等。
二、浇注系统尺寸设计
在浇注系统的类型和引入位置确定以后，就可以进一步确定浇注系统各基本单元的尺寸和结构。
冒口虽然存在补缩通道扩张角，但冒口中的钢液已克服不了中间段已经搭接的晶体间的阻力来对中心处进行补缩。
形成铸件缩松的原因是：在凝固期，铸件纵截面上各点没有或没有足够的温度差，以致在凝固末期补缩通道消失。
补缩困难区 ：液相线和固相线与铸件壁轴线相交的区间。
液固两相并存区越宽，扩张角 越小，补缩困难区就越长。
伯努利方程---奥赞公式
三、几种合金浇注系统设计的特点
第三节液态金属凝固收缩过程的工艺分析
一、液态金属凝固过程的收缩
二、铸钢件中的缩孔和缩松
1缩孔形成机理
2缩松形成的机理
问题：
1浇注系统的基本类型有哪几种？
2顶注式（上注式）浇注系统、底注式（下注式）浇注系统、阶梯式浇注系统各有何优缺点？
3说明缩孔和缩松的形成机理
2顶注式（上注式）浇注系统、底注式（下注式）浇注系统、阶梯式浇注系统各有何优缺点？
（1）顶注式（上注式）浇注系统
优点：
1）铸件上部温度高于下部温度，有利于铸件自下而上顺序凝固，能够有小地发挥顶部冒口的补缩作用；
2）液流流量大，充型时间短；
3）造型工艺简单，模具制造方便，浇注系统和冒口消耗金属少，浇注系统切割清理容易。
4说明液态金属在浇注系统各组元中的情况
1铸造－熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成形方法。
铸铁、铸钢、铸造有色合金
2液态金属充型过程呈现哪些水力学特性？
（1）粘性流体流动
（2）不稳定流动
（3）多孔管中流动
（4）湍流流动
3浇注系统由哪些组元组成？
凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。
固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。
体收缩：金属从浇注温度到常温的体积收缩。
线收缩：金属在固态时的线尺阶段，即液态收缩和凝固收缩。两者的收缩是直接引起铸件产生缩孔、缩松、气孔、偏析和热裂的根本原因。
优缺点：
（2）扩张式浇注系统：
优点及不足之处：
（3）半扩张式浇注系统：
，而且
优缺点：
在浇注系统设计中，其浇道比对铸件质量有较大的影响，所以正确选择浇道比也是浇注系统设计中的一个重要内容。
参考专著文献、设计手册。
2按液态金属导入铸件型腔的位置分类
（1）顶注式（上注式）：以浇注位置为基准，金属液从铸件型腔顶部引入的浇注系统称为顶注式浇注系统。
结构形式：等截面圆柱形、上小下大倒锥形；上大下小锥形