液态成形中的流动性与充型性.ppt

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1、第二章 液态成形中的流动与传热,第一节 液体金属的流动性与充型能力 第二节 凝固过程中的液体流动 第三节 凝固过程中的热量传输 第四节 铸件的凝固时间,液态成形是指将液态（或熔融态、浆状）材料注入一定形状和尺寸的铸型(Mold)（或模具）型腔(Mold Cavity)中，凝固后获得固态毛坯或零件的方法。 如重力铸造、压力铸造、离心铸造等。 在这一过程中，液体金属要进行流动，并充满型腔。在充型完成后的冷却过程中，液体金属都将与铸型进行热量的交换，并产生凝固。 故液体金属在充型中的流动场，以及凝固过程中的温度场是液态成形中的两个基本问题，对铸件的质量及缺陷产生重要的影响。,一、液体金属的流动性与充

2、型能力,1. 液态金属的充型能力 充型是指液态金属充填铸型型腔的过程；液态金属的充型能力(Mold Filling Capacity)是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，否则会产生“浇不足”的缺陷。,金属液的流动性 液态金属的流动性是指金属液的流动能力。,流动性好的液态金属，充型能力强，易于充满薄而复杂的型腔，有利于金属液中气体、杂质的上浮并排除，有利于对铸件凝固时的收缩进行补缩； 流动性不好的液态金属，充型能力弱，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。,合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇

3、注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。,液态金属的充型能力取决于： 内因金属本身的流动性(流动能力)； 外因铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素。,先来了解几个概念,合金的凝固特性 合金从液态到固态的状态转变称为凝固或一次结晶。 1) 逐层凝固 纯金属、二元共晶成分合金在恒温下结晶时，凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度为零，截面上固液两相界面分明，随着温度的下降，固相区由表层不断向里扩展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固”，如图a。,2) 体积凝固 当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固的某段时间内，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝

4、固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固），如图c。,3) 中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”方法，如图b。,合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。,1.铸铁 (1)灰口铸铁：碳主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色。 (2)球墨铸铁：通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。 (3)

5、可锻铸铁：用白口铸铁经过热处理后制成的有韧性的铸铁。 2.铸钢 铸钢的铸造性能差。铸钢的流动性比铸铁差，熔点高，易产生浇不足、冷隔和粘砂等缺陷。铸钢的收缩性大，产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷的倾向大 。 3.铸造有色金属 常用的有铸造铝合金、铸造铜合金等。它们大都具有流动性好，收缩性大，容易吸气和氧化等特点，特别容易产生气孔、夹渣缺陷。,常用铸造合金的性能特点,影响充型能力的因素是通过2个途径起作用的： 影响金属与铸型之间的热交换作用，从而改变金属液的流动时间； 影响金属液在铸型中的水力学条件，从而改变金属液的流速。,第一类因素金属性质： 金属的密度、比热容、热导率、结晶潜热、粘度、表面张力、结晶

6、特点等； 第二类因素铸型性质： 铸型的蓄热系数、密度、比热容、热导率、温度、涂料层、发气性和透气性等； 第三类因素浇注条件： 液态金属的浇注温度、静压头、外力场等； 第四类因素铸件结构： 铸件的折算厚度及由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失等。,影响液态金属充型性的最主要的因素 金属性质 浇注条件 铸型条件,金属性质 包括金属的种类、成分、结晶特性及其热性质等，决定了液态金属本身的流动能力及充型过程的变化特征。,合金种类 不同的合金，充型性差异很大。 例如：灰铸铁充型能力最好，铸钢的充型性最差。,合金的成分 同种合金中，成分不同，结晶特征不同，充型性差异很大。,纯金属和共晶成分的合金

7、： 在整个凝固结晶过程中，结晶温度都是恒定不变的，属于逐层凝固方式，从表面向中心逐层凝固结晶，凝固层的表面比较光滑，对尚未凝固的金属的流动阻力小，故充型性好。,当液态凝固成为固体而发生体积收缩时，可以不断地得到液体的补充，所以产生分散性缩松的倾向性很小，而是在铸件最后凝固的部位留下集中缩孔。由于集中缩孔容易消除，一般认为这类合金的补缩性良好。在板状或棒状铸件会出现中心线缩孔。这类铸件在凝固过程中，当收缩受阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属液的填充，使裂纹愈合。,铸件在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝固收缩造成的体积减小得不到液态金属的补充，在铸件最后凝固的部位形成孔洞。其中容积较大而集中的称缩

8、孔，细小而分散的称缩松。,非共晶成分的合金： 在一定温度范围内结晶的，属于糊状凝固或中间凝固，结晶区域内存在液相和固相并存的两相区，在该区域内，合金粘稠，树枝状晶发达，使凝固层内表面参差不齐，合金液在其间的流动阻力很大，因而充型性差。合金的结晶温度范围越宽，充型性越差。,宽结晶温度范围的合金，凝固区域宽，散热条件差，容易发展成为树枝晶发达的粗大等轴枝晶组织。当粗大的等轴枝晶相互连接以后(固相约为70)，将使凝固的液态金属分割为一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩孔 ，即缩松，如图。,纯金属、共晶成分合金及结晶温度很窄的合金 流动机理示意图,液态金属流动机理与充型能力,区：纯液态流动

9、； 区：先形成凝固壳再被完全熔化； 区：未被完全熔化而保留下来的一部分固相区； 区：结晶区。,充型能力强,前端析出1520的固相量时，流动就停止。,宽结晶温度合金流动机理示意图,a）：在过热量未散失尽前是以纯液态流动。温度降到液相线以下，液流中析出晶体，顺流前进，并不断长大。 b）：液流前断不断与冷的型壁接触，冷却最快，晶粒数量最多，使金属液的粘度增加，流速减慢。 c）：当晶粒达到某一临界数量时，便结成一个连续的网络，液流的压力不能克服此网络的阻力时，发生堵塞而停止流动。,同时，金属合金中的各合金元素对流动性有不同的影响。 例：铁碳合金 碳、硅、磷含量高的铸铁，充型能力强； 硫含量高的铸铁，充

10、型能力弱。,金属的物理性质 比热、密度、导热系数、结晶潜热等。 液态合金的比热容和密度越大，导热系数越小，凝固时结晶潜热释放得越多，合金处于液态的时间越长，因而充型性越好。 此外，液态金属中的不溶杂质和气体对流动充型性也有很大影响。,浇注条件 浇注温度 充型压力,浇注温度,浇注温度对金属的充型能力有着决定性的影响。 浇注温度越高，金属的流动性越好，且在铸型中保持液态的时间长，充型能力强。 但浇注温度过高，铸件凝固过程的体积收缩大，金属液的吸气量增多，氧化严重，容易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，应选择相对较低的浇注温度。,充型压力,浇注时，液态金属所受的静

11、压力越大，其充型能力越好。 在砂型铸造中，常用加高直浇道（即提高充型压头）等工艺措施来提高金属的静压力。在压力铸造和低压铸造等特种铸造中，液态金属在压力下充型，充型能力提高。,铸型条件 铸型性质 铸型温度 铸件结构,铸型性质,铸型的蓄热能力越大，即铸型从液态合金吸收并储存热量的能力越强，铸型对液体金属的冷却能力越强，使合金保持在液态的时间就越短，充型能力下降；若铸型的排气能力差，型腔内气体的压力增大，则液态金属的充型能力差。 例： 液态合金在金属型中的充型能力在砂型中的充型能力,铸型温度,铸型温度越高，铸型对液态金属的冷却能力越小，可使液态金属较长时间保持液态，因而其充型能力提高。,铸件结构,

12、铸件型腔结构越复杂，铸件壁厚越薄，液态金属充型能力差。 特别是浇注系统越复杂，液态金属流动的阻力越大，其充型能力下降。 在设计浇注系统时，必须合理布置内浇道在铸件上的位置，选择恰当的浇注系统结构及各组元的尺寸。,总结： 在实际生产中，必须根据具体情况找出其中的主要因素并采取相应的措施，才能有效地提高液态金属的充型能力。 金属铸造成形时，一般应尽量选用共晶成分合金，或结晶温度范围小的合金；并尽量提高金属液的品质，金属液越纯净，含气体、夹杂物越少，流动性越好。 对于特定的金属，可采取提高浇注温度和充型压头、合理设置浇注系统和改进铸件结构等措施来提高液态金属的充型能力。,35,定义：指利用传热过程，

13、使处于熔点或粘流温度以上的熔体温度冷却降至熔点或玻璃化温度以下，从而使成形物失去流动性，获得稳定形状的制品的过程。 实质：成形物料从熔融状态向固态转变的过程。 特征：传热过程，同时伴随发生结晶、传质和流动等过程。,二、凝固过程中的热量传输,36,凝固中的传热问题,温度场与传热 模型成形温度场 焊接温度场,37,温度场 热传导的基本方程 传热类型,温度场与传热,材料凝固过程中的传热方式： 热传导成形物内部及其与模具之间的传热方式 辐射和对流模具外表面向周围环境散热的方式,38,1. 温度场,在某一时刻，某一特定空间区域或某一特定物体内部各点温度的分布情况。,温度是无向量，温度场也是无向量。,39

14、,等温面：在同一时刻，温度场中温度相同的点所构成的空间面。可能是平面，也可能是曲面。 等温线：当以某一截面为考察对象时，将温度相图的点连接起来所组成的线。 温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。,40,不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场： 稳定温度场： 不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）在熔体成形过程中少见：,熔体成形的过程中的重要特征：不稳定温度场和不稳定传热。,41,二、热传导过程的偏微分方程,服从傅里叶定律： 即在与等温面法线n方向垂直的单位面积截面内，单位时间所传递的热

15、量(称为比热流量或传热速度)与温度梯度成正比，即： 揭示了物体中某点温度梯度与其传热热流量间的关系。根据该定律和能量守恒定律，可以导出该点温度随时间变化的关系。即傅里叶热传导的基本方程：,42,三、传热类型,熔体成形物凝固过程中的传热，是将熔体的显热和凝固潜热通过一系列热阻(传热系统中某组元的厚度与该组元的导热系数之比称为该组元的热阻)传至模型，并经模型再传热至环境。 热阻组成： 成形件液相的热阻 已凝固相的热阻 中间层的热阻 模型热阻,43,模型热阻起决定作用时的传热 如液态金属砂型铸造 铸件内金属传热速度快，温度梯度小，而铸型内传热速度慢，温度梯度大，因此铸件中间层铸型断面体系温度场。 原

16、因：砂型铸型的导热率远远小于金属铸件的导热系数,44,中间层起决定作用时的传热 如使用型腔内表面涂有隔热涂料的金属型铸型 中间层温度梯度大，温度降很大，而铸件断面和铸型断面的温度梯度和温度降比较小，因此铸件中间层铸型断面体系温度场。 原因：型腔内表面涂有较厚的涂料，同时在铸件和铸型间还可能形成间隙，故涂料与间隙构成的中间层热阻很大。,45,成形件热阻起决定作用时的传热 情形1：液态金属在水冷型金属铸型中的凝固，此时金属铸型导热能力远大于金属凝固层的导热能力； 情形2：熔融聚合物冷却凝固成形，由于聚合物成形模具一般为金属，聚合物的导热系数远小于金属模具。 中间层和模型断面的温度梯度和温降较小，而成形件内部的温度梯度和温降较大。因此铸件中间层铸型断面体系温度场。,46,成形件热阻与模型热阻起作用时的传热 如液态金属在非水冷的后壁金属型铸型中铸造时的凝固 铸件和铸型断面上的温度梯度均较大，都有很大的温降，中间层的温度梯度较小。因此铸件中间层铸型断面体系温度场。 原因：砂型铸型的导热率远远小于金属铸件的导热系数,