液態(tài)金屬的流動性及充型能力

1、液態(tài)金屬的流動性及充型能力液態(tài)金屬充填過程是鑄件形成的第一階段，鑄件的許多缺陷是 在這個過程中形成的。為了獲得優(yōu)質健全的鑄件，必須掌握和控制 這個過程。為此，研究液態(tài)金屬充滿鑄型的能力，以便得到形狀完 整、輪廓清晰的鑄件，防止在充型階段產生缺陷一、充型的概念液態(tài)合金充滿型腔，形成輪廓清晰、形狀完整的優(yōu)質鑄件的能 力，稱為液態(tài)合金的流動性又叫做充型能力。液態(tài)合金的流動性愈 好，不僅易于鑄造出輪廓清晰，薄而形狀復雜的鑄件，而且有助于 液態(tài)合金在鑄型中收縮時得到補充，有利于液態(tài)合金中的氣體及非 金屬夾雜物上浮與排除。若流動性不好，則易使鑄件產生澆不足、 冷隔、氣孔、夾渣和縮松等缺陷液態(tài)金屬充填鑄型是

2、一個復雜的物理、化學和流體力學問題， 涉及到金屬液的各種性質，如密度、黏度、表面張力、氧化性、氧 化物的性質及潤濕性等。充型能力的大小影響鑄件的成型，充型能 力較差的合金難以獲得大型、薄壁、結構復雜的健全鑄件而良好的流動性能使鑄件在凝固期間產生的縮孔得到液態(tài)金屬 的補充，鑄件在凝固末期受阻出現(xiàn)的熱裂可以得到液態(tài)金屬的充填 而彌合，有利于防止缺陷產生液態(tài)合金流動性的好壞，通常以螺旋 形流動性試樣的長度來 衡量。如圖2-3所示，將液態(tài)合金注入螺旋形試樣鑄型中，冷凝 后，測出其螺旋線長度。 為便于測量，在標準試樣上每隔 50mm作出凸點標記，在相同的澆 注工藝條件下，測得的螺旋線長度越 長，合金的流

3、動性越好。常用 合金的流動性如表 2-1 所示。其中， 灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好， 鋁合金次之，鑄鋼最差通常，流動性好的合金，充型能力強 ; 流動性差的合金，充型能 力差，在實際的鑄造生產中，可以通過改善外界條件來提 高其充型 能力，根據(jù)鑄件的要求及合金的充型能力 采取相應的工藝措施以獲 得健全的優(yōu)質鑄件。二、影響充型能力的因素 影響充型的因素是通過兩個途徑發(fā)生作用的 : 一是影響金屬與鑄 型之間的熱交換條件，從而改變金屬液的流動時間；二是影響液態(tài) 金屬在鑄型中的水力學條件，從而改變金屬液的流速。影響液態(tài)金 屬充型的因素很多，可以歸納為四類 : 第一類因素，屬于金屬性質方面的，主要有金屬的密

4、度、比 熱、導熱系數(shù)、結晶潛熱、動力黏度、表面張力及結晶特點等。不同的合金，其流動性有很大差異，對同種合金而言，化學成 分不同，其流動性也不同。當熔化至液相線以上相同溫度時，純金 屬、共晶成分和化合物具有最大的充型能力，而位于結晶溫度間 隔 最大處的合金其充型能力最小。合金成分對流動性的影響，主要是成分不同時，合金的結晶 特 點不同造成的。純金屬、共晶成分和化合物是在固定溫度下凝 固的， 已凝固的固體層從鑄件表面逐層向中心推進，與尚未凝固 的液體之 間界面分明，且固體層內表面比較平滑，對液體的流動 阻力小，即 流動速度大。另外，這幾類合金在析出較多的固相時， 才停止流動， 流動的時間較長，所以

5、它們的流動性好。具有寬結晶溫度范圍的合金在型腔中流動時，由于在鑄件斷 面 上既存在著發(fā)達的樹枝晶，又有未凝固的液體與固相混雜的兩 相區(qū)， 而且越靠近液流前端枝晶數(shù)量越多，所以當液流前端枝晶 數(shù)量達到 臨界值時，金屬液就停止流動 ; 合金的結晶溫度間隔越 寬，兩相區(qū) 就越寬，枝晶也就越發(fā)達，金屬液就越早地停止流動， 所以流動性 差。主要是由于樹枝晶使固體層內表面粗糙，增加了 對液態(tài)合金流 動的阻力。合金的結晶溫度范圍愈寬，則液固兩相 共存的區(qū)域愈寬， 液態(tài)合金的流動阻力愈大，故流動性愈差。顯 然，合金成分愈接近共晶成分，流動性愈 好。圖2 -4所示為Fe-C合金的流動性與 含 C量的關系。由圖圖

6、2-4可見，400300200100d溫度CK(jnni)CKFe 123456 C(j (%)-y亞共晶鑄鐵隨 含C量的增加，結晶 溫度范圍減小,鑄鐵流動性(jmn 2000* 1500* 1000r Sooo流動性提高 第二類因素 屬于鑄型性質方面的主要有鑄型的蓄熱系數(shù)、密 度、比熱、導熱系數(shù)、溫度、涂料層 和發(fā)氣性、透氣性等。鑄型的 阻力影響金屬液的充填速度，鑄型 與液態(tài)金屬的熱交換強度影響其 流動時間。因此，通過調整鑄型 的熱物理性質來改善金屬的充型能 力往往能收到良好的效果。比 女口，預熱鑄型能減少金屬液與鑄型的 溫度差，減少兩者的熱交換，從而提高其充型能力鑄型材料的導熱速度愈大，液

7、態(tài)合金的冷卻速度愈快，從而 使 其流動性變差。如液態(tài)合金在金屬型中的流動性比在砂型中差 ；鑄 件壁厚過小，形狀復雜，會增加液態(tài)合金的流動阻力，也會降 低合 金的流動性。因此，設計鑄件時，鑄件的壁厚必須大于規(guī)定 的最小 允許壁厚值，并力求形狀簡單型砂含水分多或鑄型透氣性差，會使?jié)沧r產生大量氣體且又不能及時排出，造成型腔內氣體壓力增大，使液態(tài)合金流動的阻力增加，從而降低合金的流動性。因此，提高鑄型的透氣性， 減少型 砂的水分，多設出氣口等，有利于提高液態(tài)合金的流動性當鑄型具有一定的發(fā)氣能力時，在液態(tài)金屬和鑄型之間形成一 層氣膜，減少流動的摩擦力，有利于充型。根據(jù)實驗研究，濕砂型 中加入小于 6%

8、的水和小于 7%的煤粉時，液態(tài)金屬的充型能力提 高， 但水和煤粉含量過高時，充型能力則下降。水、煤粉和其他 有機物 含量過高時，液態(tài)金屬的冷卻速度加大，在金屬液的熱作 用下，型 腔中的氣體膨脹，鑄型中的水分大量蒸發(fā)，煤粉及有機 物燃燒產生 大量氣體，如果不能及時排出，則會阻礙金屬液流動 第三類因素，屬于澆注條件方面的，主要有液態(tài)金屬的澆注溫度、靜壓頭，澆注系統(tǒng)中壓頭的損失及外力場拯力、真 空、離心、 振動勘的影響等澆注溫度對液態(tài)金屬的充型能力有決定性的影響。在一定溫 度 范圍內，澆注溫度提高，增加了合金的過熱熱量，合金單位體 積的 熱含量增加，充型能力隨澆注溫度的提高而直線上升 ; 超過 一定

9、溫 度后，由于金屬吸氣增多，氧化嚴重，充型能力則下降充型壓頭越大，液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力越大，液 態(tài) 金屬流動速度越大，充型能力越好。生產中常用增加液態(tài)金屬 靜壓 頭的方法提高充型能力，但是，液態(tài)金屬充型速度過高時， 會發(fā)生 噴射和飛濺現(xiàn)象，增加金屬液的氧化，產生“鐵豆”缺陷， 而且型 腔中氣體來不及排出，反壓增加，造成澆不足或冷隔缺陷澆注系統(tǒng)結構越復雜，流動阻力越大，靜壓頭相同時，充型 能 力越差。在鋁合金、鎂合金鑄造中，為使金屬液流動平穩(wěn)，常 采用 蛇形及扁平狀直澆道，流動阻力越大，充型能力顯著下降中減少薄壁鑄件的澆不足、冷隔等缺陷的重要措施。但澆注溫 度過高，鑄件易產生縮孔、縮松

10、、黏砂、氣孔、粗晶等缺陷，在保 證鑄件薄壁部分能充滿的前提下，澆注溫度不宜過高。各種合金 的 澆注溫度范圍是 :鑄鐵為 1230-.14500C; 鑄鋼為 1520-16200C; 鋁合 金為680-780gC。薄壁復雜件取上限，厚大件取下限 第四類因素，屬于鑄件結構方面的，主要有鑄件的折算厚度,及由鑄件結構所規(guī)定的型腔的復雜程度引起的壓頭損失在鑄件體積相同、澆注條件一致時，折算厚度大的鑄件，由于其 與 鑄型接觸的表面積小，散熱慢，則充型能力好。鑄件壁越薄， 折算 厚度越小，則不易被充滿。鑄件結構復雜，薄壁部分過渡面 多，型 腔的結構復雜程度增加，流動阻力大，充型能力也會下降三、常用提高充型能

11、力的措施 針對影響充型能力的因素提出改善充 型能力的措施，仍然可 以從上述四類因素入手 合金設計方面，在不影響鑄件使用性能的情況下，可根據(jù)鑄件大小、厚薄和鑄型性質等因素，將合金成分調整到共晶成分附近 ;采取某些工藝措施，使合金晶粒細化，也有利于提高充 型能力由于夾雜物影響充型能力，故在熔煉時應使原材料清潔，并 采 取措施減少液態(tài)金屬中的氣體和非金屬夾雜物 鑄型方面，對金屬鑄型、熔模型殼等提高鑄型溫度，利 用涂 料增加鑄型的熱阻，提高鑄型的排氣能力，減小鑄型在金屬 填充期 間的發(fā)氣速度，均有利于提高充型能力 澆注條件方面，適當提高澆注溫度，提高充型壓頭，簡化澆注系統(tǒng)均有利于提高充型能力 鑄件結構方面能提供的措施則有限應該指出的是 :在采取上述措施時，往往會帶來其他問題， 這 時要抓