液态金属的充型能力

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一般杂质密度均小于液态金属， 一般杂质密度均小于液态金属，在大多数情况下要上浮至液态金 属的表面 。 液态金属中杂质的上浮或下沉速度，由?力来决定 杂质所受液体的斥力 杂质的运动阻力。 杂质的运动阻力。
第一章 液态金属的结构与性质
18
1.3.5 斯托克斯（Stokes）公式 斯托克斯（ ）
目录
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杂质进入液态金属后，无论是上浮还是下沉， 杂质进入液态金属后，无论是上浮还是下沉，在最初非常短的时 间内它以加速运动; 间内它以加速运动 以后便是匀速运动，这说明杂质所受到的诸力很快处于平衡。 以后便是匀速运动，这说明杂质所受到的诸力很快处于平衡。 设杂质的体积为Q，液态金属的密度为ρ 杂质的密度为ρ 设杂质的体积为 ，液态金属的密度为ρ1，杂质的密度为ρ2，则杂 质受到液态金属斥力P为 质受到液态金属斥力 为：
P = Q ⋅ ρ1 ⋅ g − Q ⋅ ρ 2 ⋅ g = Q ⋅ ( ρ1 − ρ 2 ) ⋅ g
第一章 液态金属的结构与性质 20
1.3.5 斯托克斯（Stokes）公式 斯托克斯（ ）
目录
根据斯托克斯（ 根据斯托克斯（ stokes）试验 ，液态金属对半径小于 ）试验，液态金属对半径小于0.1cm球 球 形杂质的运动阻力Pc为 形杂质的运动阻力 为：
5
影响充型能力的因素
1. 金属性质方面的因素 （流动性的高低） 2. 铸型性质方面的因素 3. 浇注条件方面的因素
第一章 液态金属的结构与性质
6
1. 金属性质方面的因素
结晶潜热（约为液态金属热量的85~90%）：对于纯 ）：对于纯 结晶潜热（约为液态金属热量的 纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金： 纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金 合金液的比热、密度越大，导热系数越小）：：在固 合金液的比热、密度越大，导热系数越小, 充型能力 金属、 金属、 定的凝固温度下， 定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向 越好； 共晶和金属间化合物成分的合金， 越好； 共晶和金属间化合物成分的合金，放出的潜 内部推进，固相层内表面比较光滑， 内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流 热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好， 热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，因此 合金液的粘度，在充型过程前期（属紊流） 合金液的粘度，在充型过程前期（属紊流）对流动性 动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好， 动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好， 潜热的影响较大， 潜热的影响较大，对于宽结晶温度范围的合金潜热 的影响较小，而在充型过程后期凝固中（属层流）对 的影响较小，而在充型过程后期凝固中（属层流） 具有宽结晶温度范围的合金流动性不好； 具有宽结晶温度范围的合金流动性不好； 对流动性影响不大。 对流动性影响不大。 流动性影响较大。 流动性影响较大。 例：Fe-C合金流动性与成分的关系 Fe第一章 液态金属的结构与性质 7
第一章 液态金属的结构与性质 2
液态金属的充型能力取决于： 液态金属的充型能力取决于：
内因 —— 金属本身的流动性 铸型性质、浇注条件、 外因 —— 铸型性质、浇注条件、铸件结构等 因素的影响，是各种因素的综合反映。 因素的影响，是各种因素的综合反映。
表1-4 不同金属和不同铸造方法的铸件最小壁厚 铸 金属种类 砂 灰 铸 铁 铸 钢 铝 合 金 3 4 3 型 金 属 型 >4 4 8-10 3-4 熔模铸造 0.40.4-0.8 0.50.5-1.0 -壳 型 0.80.8-1.5 2.5 -压 铸 --0.60.6-0.8 3 件 最 小 壁 mm） 厚 （mm）
第一章 液态金属的结构与性质 10
图1-21 Fe-C合金流动性与成分的关系
第一章 液态金属的结构与性质 11
第一章 液态金属的结构与性质
12
RDF 第一峰之下的积分面积
RDF= 4πr2ρog(r), atoms /Å πr
即所谓配位数 N1
（
r, Å
第一章 液态金属的结构与性质 13
Crystal Matter Na Sc Fe Al Ag Cu Mg Zn Sn Ga N2 Ar CH4
Element Al Au Cu Fe Zn Cd Mg
(Hb /
Tm (0C) 660 1063 1083 1536 420 321 650
Hm (kcal/mol) 2.50 3.06 3.11 3.63 1.73 1.53 2.08
Tb (0C) 2480 2950 2575 3070 907 765 1103
第四节 液态金属的充型能力
一、 液态金属充型能力的基本概念 二、 影响充型能力的因素
第一章 液态金属的结构与性质
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液态金属充型能力
液态金属充满铸型型腔， 液态金属充满铸型型腔， 获得形状完整、 获得形状完整、轮廓清晰 的铸件的能力， 的铸件的能力，即液态金 属充填铸型的能力， 属充填铸型的能力，是设 计浇注系统的重要依据之 一； 充型能力弱，则可能产 充型能力弱， 生浇不足、冷隔、砂眼、 生浇不足、冷隔、砂眼、 铁豆、抬箱， 铁豆、抬箱，以及卷入性 气孔、夹砂等缺陷。 气孔、夹砂等缺陷。
第一章 液态金属的结构与性质
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2、铸型性质方面的因素： 、铸型性质方面的因素：
铸型的蓄热系数
b2 =
λ2c2 ρ 2
b2越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液 越大，铸型的激冷能力就越强， 态的时间就越短，充型能力下降。 态的时间就越短，充型能力下降。 金属型（ 金属型（铜、铸铁、铸钢等）的蓄热系数b2是砂型的十 铸铁、铸钢等）的蓄热系数 倍或数十倍以上， 倍或数十倍以上，为了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 很小的石棉粉 很小的石棉粉。 缓慢冷却，常在一般的涂料中加入b2很小的石棉粉。 湿砂型的b 是干砂型的2倍左右 砂型的b 倍左右， 湿砂型的 2是干砂型的 倍左右，砂型的 2与造型材料的 性质、型砂成分的配比、砂型的紧实度等因素有关。 性质、型砂成分的配比、砂型的紧实度等因素有关。
Sm (J.K-1.mol-1) 7.03 6.95 7.61 11.6 9.16 9.71 9.71 10.7 13.8 18.5 2.7 3.36 2.47 14
第一章 液态金属的结构与性质
几种晶体物质的熔化潜热 物质的熔化潜热（ 和气化潜热(H 表1-2 几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热 b)
对于结晶温度范围较宽的合金， 对于结晶温度范围较宽的合金， 散失约20％潜热后， 散失约 ％潜热后，晶粒就连成 网络而阻塞流动， 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 热的作用不能发挥 所以对流动性 的影响不大。 的影响不大。 A1—Si合金的流动性 A1—Si合金的流动性,在共晶成 合金的流动性,在共晶成 分处并非最大值,而在过共晶区里 分处并非最大值 而在过共晶区里 继续增加,是因为初生硅相块状晶 继续增加 是因为初生硅相块状晶 有较小的机械强度， 体,有较小的机械强度，不形成坚 有较小的机械强度 强的网络，结晶潜热得以发挥。 强的网络，结晶潜热得以发挥。 相大三倍。 硅相的结晶潜热比 a相大三倍。 相大三倍
第一章 液态金属的结构与性质
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3、浇注条件方面的因素
浇注温度越高、 浇注温度越高、充型压 头越大， 头越大，则液态金属的充 型能力越好； 型能力越好； 浇注系统（直浇道、横 浇注系统（直浇道、 浇道、内浇道） 浇道、内浇道）的复杂程 度，铸件的壁厚与复杂程 度等也会影响液态金属的 充型能力。 充型能力。
杂质在液体金属内部的上浮速度影响因素： 杂质在液体金属内部的上浮速度影响因素：
1）与杂质和金属之间的密度差（ρ1－ρ2）成正比； ）与杂质和金属之间的密度差（ 成正比； 密度差 2）与杂质颗粒半径成正比，颗粒越大上浮速度越快； 颗粒半径成正比 ）与杂质颗粒半径成正比，颗粒越大上浮速度越快； 3）与液态金属的粘度成反比，温度越高，粘度越低，将有利于杂质上 粘度成反比 ）与液态金属的粘度成反比，温度越高，粘度越低， 浮。
1.3.6 斯托克斯（Stokes）公式 斯托克斯（ ）
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因此，杂质的匀速上浮速度为： 因此，杂质的匀速上浮速度为：
v = Q (ρ
1
− ρ 6π rη
2
) ⋅ g
对于球形杂质: 对于球形杂质:
4πr 3 ( ρ1 − ρ 2 ) ⋅ g 2r 2 ( ρ1 − ρ 2 ) ⋅ g v= = 3 × 6πrη 9η
如何用？ 如何用？
第一章 液态金属的结构与性质 23
1.3.6 斯托克斯（Stokes）公式 斯托克斯（ ）
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杂质沉浮的速度非常重要，若此速度大则易于去除， 杂质沉浮的速度非常重要，若此速度大则易于去除， 净化， 使液态金属得以净化 有利于获得优质铸件， 使液态金属得以净化，有利于获得优质铸件，否则就 难以净化。 难以净化。
此式是著名的Stokes公式。 Stokes公式 此式是著名的Stokes公式。
为杂质尺寸； 式中， 为运动粘度； 为杂质尺寸 式中，μ为运动粘度； r为杂质尺寸； 为液态金属的密度； ρ金为液态金属的密度；ρ杂为杂质的密度
第一章 液态金属的结构与性质
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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2r 2 ( ρ1 − ρ 2 ) ⋅ g v= 9η
第一章 液态金属的结构与性质 4
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 ％ 前端析出 时，流动就停止。 流动就停止。
纯金属、 图1-25 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
图1-26 宽结晶温度合金停止 流动机理示意图
第一章 液态金属的结构与性质
Pc = 6πrvη
杂质的运动速度； r — 杂质半径； 杂质半径； 式中 v— 杂质的运动速度； η— 液态金属的粘度； g — 重力加速度。 液态金属的粘度； 重力加速度。 作用在杂质上的力处于处于平衡时： 作用在杂质上的力处于处于平衡时：
Q( ρ1 − ρ 2 ) ⋅ g = 6πrvη
第一章 液态金属的结构与性质 21
Hb (kcal/mol) 69.6 81.8 72.8 81.3 27.5 23.8 32.0
Hb / Hm 27.8 26.7 23.4 22.4 16.0 15.6 15.4 15
∆
第一章 液态金属的结构与性质
图1-４ 无规密堆结构中五种多面体间隙 ４ a. 四面体； b.八面体； c. 四方十二面体； d. 三角棱柱多面体； e. 阿基米德反棱柱多面体
第一章 液态金属的结构与性质
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a） Liquid Ni ） 液体的粘度与温度的关系
b） Liquid Co ）
（图中各曲线分别为不同研究者的研究结果）
第一章 液态金属的结构与性质
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斯托克斯（Stokes） 1.3.5 斯托克斯（Stokes）公式
被卷入液态金属中杂质， 不同， 被卷入液态金属中杂质，密度与液态金属 不同，HOW? 上浮至表面 下沉到底部。 下沉到底部。
∆
Structure Type bcc bcc bcc/fcc fcc fcc fcc hcp hcp complex complex -
Tm (K) 370 302 1809 931 1234 1356 924 692 505 303 63.1 83.78 90.67
Vm / Vs (%) 2.6 2.6 3.6 6.9 3.51 3.96 2.95 4.08 2.4 -2.9 7.5 14.4 8.7
第一章 液态金属的结构与性质
合金的螺旋形流动性实验
在相同的条件下浇注各种合 金的流动性试样， 金的流动性试样，以试样的 长度表示该合金的流动性， 长度表示该合金的流动性， 并以所测得的合金流动性表 示合金的充型能力。 示合金的充型能力。 1.浇口杯 2.低坝 3.直浇道 浇口杯, 低坝 直浇道 浇口杯 低坝, 直浇道, 4. 螺旋 5. 高坝 6.溢流道 高坝, 溢流道, 溢流道 7.全压井 全压井
斥力的大小和杂质与液态金属之间的密度差有关 斥力的大小和杂质与液态金属之间的密度差有关 的大小和杂质与液态金属之间的密度差 杂质的运动阻力取决于?? 杂质的运动阻力取决于?? 阻力取决于 →液态金属的粘度 →杂质表面性质 杂质的运动速度。 →杂质的运动速度。
第一章 液态金属的结构与性质
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1.3.6 斯托克斯（Stokes）公式 斯托克斯（ ）