1.金属充型能力测定

实验27 金属充型能力测定

一、意义和目的

流动性是指金属液本身充填铸型的一种能力。流动性良好的金属液，它的充型能力就强；反之，充型能力就弱。所以，流动性是铸造合金重要的铸造性能之一。

流动性好的合金，由于其充性能力强就易使金属充满铸型，有利于获得形状完整、轮廓清晰的铸件。流动性差的合金。充型能力就弱常易使铸件产生浇不足、冷隔等铸造缺陷，并使非金属夹杂和气泡在金属液中难以排除而且使补缩困难。

影响铸造合金的流动性的因素很多，合金的化学成分，实质上也就是其凝固方式（逐层凝固、糊状凝固、中间凝固等方式）是主要影响因素之一。

共晶成分的合金同其他成分的合金相比，具有最佳的流动性。原因是共晶成分的合金无结晶间隔，倾向于逐层凝固方式；它的结晶潜热集中释放；同相同合金的其他成分相比，共晶温度总是比较低的，所以它的液态金属便于过热，容易获得过热温度较高的金属液。

合金的结晶间隔越宽，越是倾向于糊状凝固方式。树枝状的初生晶越是发达。金属液处于结晶态下流动时，初生晶的枝晶骨架严重地阻碍流动并且从液流中析出的细小晶粒集中于液流流头中，还随着流头的流动而长大。当流头中晶粒形成了连续的网络，液流压力不能克服网络的阻力时，流头就停止流动。结晶间隔越是宽的合金，这种合

金的金属液在结晶态下流动时，初生晶的枝晶骨架阻力就越大，金属液流头就越容易发生由于晶粒网络的堵塞作用而停止流动的情况。所以合金的结晶间隔越宽，则其结晶态下的流动性就越差。

本实验的目的和要求是：

1．比较近共晶成分的孕育铸铁和亚共晶成分铸铁的流动性。掌握测定流动性的方法。

2. 比较静态和动态的螺旋形流动性试样的差别和分析动态螺旋形流动性的方法。

3. 考察这两种成分铸铁流动性试样流头的特点和分析流头停止流动的原因。

二、测定原理

1．静态螺旋形流动性试样

螺旋形流动性试样的铸型结构如图1-1所示。

金属液从浇杯（Ⅰ）浇入，当浇杯中的液面超过高坝（Ⅲ）的高度后就会流入溢流杯（Ⅴ）中。当溢流杯亦容纳不了溢流金属液时，则可以从溢流道流走。因此高坝、溢流杯和溢流道的作用是保证浇注时直浇道（Ⅵ）的自由液面高度不会超过80毫米。同样，低坝（Ⅱ）的作用则是保证直浇道中自由液面高度不会低于70毫米。所以上述特殊的浇杯结构其作用是保证试样浇注过程中，直浇道里始终保持70～80毫米稳定的几何压头，以使螺旋形流动性试样的流动长度不受直浇道几何压头变化过剧的影响。

直浇道根部全压开（Ⅶ）的作用是当直浇道中建立了70～80毫

米稳定的几何压头之后，才使金属液流入螺旋形的型腔，以确保浇注条件的恒定，排除由于浇注条件的不稳定对金属液流动长度的影响。金属液在稳定的几何压头作用下。在空腔断面为5×8×8毫米（梯形断面的下底×上底×高度，见图1，a-a断面）的螺旋形型腔中流动。金属液停止流动后所获得的螺旋形试样的总长度就是合金的流动性指标，其单位为毫米。金属液的流动长度（毫米）越长，则其流动性越好；反之，则越差。

图1 测定金属液流动性的螺旋形试样的铸型

Ⅰ——浇杯Ⅱ——低坝Ⅲ——高坝Ⅳ——溢流道Ⅴ——溢流杯Ⅵ——直浇道Ⅶ——全压井Ⅷ——螺旋形试样行腔

不反映金属液流动开始和结束整个过程的，也就是不反映流动长度与时间之间关系的螺旋形流动性试样谓之静态试样。静态螺旋形流动性试样仅以过程终态的金属液流动长度反映合金流动性的好坏。2．动态螺旋形流动性试样

动态试样能够反映金属液整个流动过程，即能够反映金属液流动长度与时间之间的关系。

（1）金属液吞食电阻法使螺旋形流动性试样成为动态试样，先用动态水平圆直棒形流动性试样来说明这种方法的基本原理。

测定装置如图2所示。它由铸型、电阻丝、光线示波器恒流电源等几部分组成。该装置中有一根粗细均匀、阻值稳定的电阻丝（如φ0.3毫米的镍铬丝）平铺于试样的型腔中。电阻丝上通以恒定直流电流。金属液流入铸型后，在其流动过程中逐渐把电阻丝吞食。由于水平圆棒的横截面积远大于电阻丝的截面积，而且金属液的电阻率又远小于电阻丝的电阻率，因此，被金属液吞食的电阻丝就相当于被金属液所短路，这就使电阻丝的电阻值随着电阻丝和吞食长度的增加，也就是随着金属液流动长度的增加而线性地减少。如下式所示：

R=R0-r L

R——电阻丝被金属液吞食长度L后的总电阻值；

L——金属液流动长度；

r——单位长度电阻丝的电阻值；

R0——电阻丝原来的总电阻值。

由于电阻丝处于恒流电路中，当它由于被吞食而使电阻值变小时，通过电阻丝的电流强度并不发生变化。这样，根据欧姆定律，电阻丝被吞食前后的电压降将会发生变化。即：

图2 动态水平圆直棒形流动性试样装置示意图

V=IR=I（R0-r L）=V0-I r L

电阻丝被吞食前后的电阻丝两端的电压变化量△V为：

△V=V0-V=Ir L

V0——浇注前电阻丝两端的电压；

V——电阻丝被吞食长度L后其两端的电压；

I——恒流电路中的电流值。

I和r均为常数，因此△V只和L有关，即电阻丝被吞食前后的电阻丝两端电压变化量△V就反映了金属液流动长度L。所以在金属液流动过程中用光线示波器连续地测出△V随着时间τ而变化的规律，即△V-τ的关系曲线就可以获得金属液流动长度L随时间τ而变化的规律，即L——τ的关系曲线。

因此采用金属液吞食电阻法就可以获得动态的流动性试样。

（2）动态水平圆直棒形流动性试样的L——τ曲线。

这种动态流动性试样一般具有如图3所示的L——τ曲线形式，供分析动态螺旋形流动性试样的L——τ曲线时参考。用光线示波器测出的是△V与τ的关系，由于△V可以代表金属液流动长度L，因

此图3的纵坐标可以用流动长度L 代替△V 而使该图成为L ——τ曲线图。在该图上曲线每一时刻的斜率dL/d τ即表示在该时刻金属液流头的流动速度。

由图3可以看出金属液在试样型腔中的流动过程可以分为以下四个阶段。

Ⅰ——加速流动阶段

Ⅱ——匀速流动阶段

Ⅲ——减速流动阶段

Ⅳ——停止流动阶段

图3 动态水平圆直棒形流动性试样L —τ曲线

Ⅰ.加速流动阶段—由浇注开始时刻算起，直到直浇道充满金属液，达到要求的几何压头高度的时刻τ

2为止。特征是此阶段的曲线斜率τd dL

随着时间的延续不断地增大。因为随着直浇道中几何压头的

逐渐达到要求值，金属液的流动速度也加大，因此

τd dL

也不断地增大，

故称为加速流动阶段。 Ⅱ.匀速流动阶段—由直浇道中达到并且保持稳定的几何压头的时刻τ1算起,直到由斜率

τd dL 开始变小的时刻τ2为止。特征是此阶段的曲线斜率τd dL

基本上不随着时间的延续而发生变化，即等于常数。

此阶段的L——τ曲线为一倾斜直线段，说明金属液以匀速在型腔内流动。因为直浇道中维持稳定的几何压头，金属液在型腔内匀速流动称之为匀速流动阶段。从图1—3上可看到在该段直线上仍存在着若干细小的波折，这可能是由于型腔孔道对金属液的流动的阻力有微小的变化（如孔径尺寸有变化或流动途径有曲折而引起阻力变化）而产

dL 生的。但在总体上，L—τ曲线在此阶段仍保持其直线的性质。即

τd

为常数。

从第一阶段和第二阶段金属液流动特征来看，它们都属于金属液的纯液态流动。即孔道壁上此时还未形成凝固金属的管壳或即使形成管壳又可能被金属液重熔掉。金属液中也未析出微小的晶粒，金属液此时以纯液态形式在铸型的孔道内流动。

Ⅲ、减速流动阶段—由τ2时刻开始直到金属液停止流动的时刻

dL随着时间的延续不断的变小。说明τ3为止。特征是曲线的斜率

τd

金属液的流动速度，在此阶段不断的减小。这是由于在τ2时刻开始，孔道壁上形成了凝固金属的管壳，金属液在管壳的狭窄的通道中流动前进，因此导致流动速度的下降。并且随着时间的延续，管壳厚度逐渐增大，液流通道变得越来越窄小，流动阻力越来越大，因此流动速

dL越来越小的线段。度越来越慢，使L—τ曲线在此阶段出现斜率

τd

如果在金属液流中还析出微小的固体晶粒，并且产生这些晶粒又聚集又长大的情况，则更会缩短这个阶段而迅速地使金属液停止流动。

在这阶段的曲线上也可以有若干微小的波折。这可能由于金属液液流流头也形成—层固体薄壳，但它经不住几何压头的作用，在流动

过程中不断地被液体金属冲破而导致液流流速细微的波动，使这阶段的曲线上有若干个微小的波折，但从整体上看，L —τ曲线在这阶段的曲线具有斜率

τd dL 不断减小直至τd dL =0的性质，故称之为减速流动的阶段。

从减速流动阶段特征来看，它符合于金属液在结晶态下流动的特点，既它是一种结晶态下的流动，也就是金属液在凝固金属的管壳中的流动或甚至是液流中混杂有固体小晶粒的多相液体的流动。

Ⅳ、停止流动阶段—从τ3开始即进入金属液停止流动阶段。该阶段特征是L —τ曲线的斜率τd dL

=0。即成为与时间横坐标平行的直

线，流头停止流动的原因应根据具体情况来分析，可能是由于凝固金属的管壳增厚进而堵塞了流动通道；或由于留头结成足以抵抗直浇道几何压头的硬壳而使流头丧失前进的能力；或由于流头积累了微小晶粒，形成了晶粒网络而使流头停止流动。

清理铸型即可测得水平圆棒形流动性试样的长度，此即金属液停止流动时的长度，为该种试样的流动性。从图3上可看出该种试样金属液停止流动的时间为τ3。

（3）动态螺旋形流动性试样的铸型结构

铸型结构完全相同于图1，只是在螺旋形的孔道中放好与砂箱绝缘的电阻丝，如图4所示。将电阻两端引出型外，接到如图3所示的测量线上，浇注金属液即可得动态螺旋形流动性试样的L —τ曲线。清理铸型就可以测出金属液停止流动的长度，即动态试样流动性。

三、实验内容

1．测定的金属

测定近共晶成分的孕育铸铁和亚共晶成分铸铁的静态及动态螺旋形流动性试样的停止流动长度，即其流动性。

近共晶成分的孕育铸铁设计成分为：C3.5%，Si2.4%，S0.06%。用Zl5生铁和费钢配料，75%Si的硅铁和FeS调整Si，S含量。炉内含Si量调至2%。浇包内用铁水冲熔的硅铁（孕育剂）和FeS量，使铁水最后达到设计成分。

在相同的过热度150℃情况下，比较这两种成份铸铁的流动性。因此：共晶成份铸铁浇注温度=共晶温度+150℃

亚共晶成份铸铁浇注温度=液相线温度+150℃

图4 动态试样电阻丝的安装

1．砂箱 2.梯形截面的螺旋形沟道 3.电阻丝 4.直浇道

准备好静态和动态螺旋形流动性试样的铸型各两个。

近共晶成份的孕育铸铁和亚共晶成份的铸铁都要各浇一个静态的和动态的螺旋形试样。

3．清理

打箱、清理试样，测出四个试样的螺旋线长度，记下流动性数值。

考察静态和动态螺旋形流动性试样的流头特征。

四、实验报告的主要内容和要求

1．实验名称

2．测定结果

（1）按下表要求列出实测数据：

（2）根据光线示波器记录纸用坐标纸画出两种铸铁的动态试样的流动长度L—时间τ曲线图。

（3）画出两种铸铁静态和动态试样流头实况和断口征图（共四个图），表示出有无缩孔、缩松、表面缩凹及注明灰口，白口特征。

3．分析和结论

（1）根据实验结果分析和对比两种铸铁的流动性及其结论。

（2）分析、对比两种铸铁动态试样的L—τ曲线的特点。

（3）根据流动实况和断口特征图，分析两种铸铁停止流动的原因以及流头与流动性之间的关系。