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1、2.1 液态金属的流动性与充型能力,液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，叫做液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。液态金属的充型能力首先决定于其本身的流动能力，同时又受到外界条件如铸型性质、浇注条件、铸型结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。 液态金属本身的流动能力称为流动性，它由液态金属的成分、温度、杂质的含量等决定，与外界因素无关。 流动性是确定条件下的充型能力。液态合金的流动性好，其充型能力强；反之其充型能力差。但这可通过外界条件来提高充型能力。在不利的情况下，由于液态金属充性能力不好，则可能在铸件上产生浇不足、冷隔等缺陷。,、液态金属的流动性与充型能力
2、,流动性对于排除液体金属中的气体和杂质，凝固过程中的补缩，防止开裂，获得优质的液态成形产品，有着重要的影响。液态金属的流动性越好，气体和杂质越易于上浮，使金属液得以净化。良好的流动性有利于防止缩松、热裂等缺陷的出现。液态金属的流动性越好，其充型能力就越强，反之其充型能力就差。一般来说，液态金属的粘度越小，其流动性就越好，充型能力越强。,常用合金的流动性(试样截面8mm8mm),纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理,在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动，图a)，为区。 金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，图b)，而后的金属液是在被加热了的沟道中流动，冷却强度下降。由于
3、液流通过区终点时，尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，为第区。所以，该区是先形成凝固壳，又被完全熔。 第区是未被完全熔化而保留下来的一部分固相区，在该区的终点金属液耗尽了过热热量。 在第区里，液相和固相具有相同的温度： 结晶温度。由于在该区的起点处结晶开始较早，断面上结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞，图c)。,二、液态金属停止流动机理,对于宽结晶温度范围的合金，在液态金属的过热热量完全散失之前也是纯液态流动。 随流动继续向前，液态金属的温度降至合金的液相线以下，液流中开始析出晶体，顺流前进并不断长大。 液流前端由于不断与型壁接触，冷却最快，析出晶粒的数量最多，使金属液的粘度增大，流速
4、减慢。当晶粒数量达到某一临界值时，便结成一个连续的网络。若造成金属液流流动的压力不能克服此网络的阻力，就发生阻塞而停止流动。 合金的结晶范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出相对较少的固相量，亦即在相对较短的时间内，液态金属便停止流动。试验表明，在液态金属的前端析出1520%的固相量时，流动就停止。,结晶温度范围很窄宽的合金的停止流动机理,三、液态金属充型能力的计算,液态金属是在过热情况下充填铸型的，与铸型之间发生着强烈的热交换，是一个不稳定传热过程，因此，液态金属对铸型的充填也是一个不稳定的流动过程。,l = v t 主要是计算流动时间t,假设以某成分合金浇注一水平棒形试样，合金的充型能力以l
5、表示。,V: 在静压头H作用下液态金属在型腔中的平均流速 t: 液态金属自进入型腔到停止流动的时间,由流体力学原理可知,H :液态金属的静压头，, :流速系数,假设： 铸型与液态金属接触表面的温度在浇注过程中不变； 液态金属在型腔中以等速流动； 液流断面上各点温度是均匀的； 热量按垂直于型壁的方向传导，不考虑对流与辐射。,以宽凝固范围的合金为例，时间t分为两个阶段,第一阶段：从浇注温度到液相线温度液态金属流动的时间t1 第二阶段：由液相线温度到停止流动的时间t2,流动时间tt1+t2,第一阶段(t1) 距液流端部x的dx元段，在dt时间内通过表面积dA散出的热量，等于该时间内金属温度下降dT放
6、出的热量，热平衡方程式为,T： dx元段的金属温度， T型： 铸型的初始温度， dA： dx元段与铸型相接触的表面积，m2 t： 时间，s dV： 元段的体积，m3 1： 液态金属的密度，kg/m3 c1： 液态金属的比热，J/kg ： 换热系数，W/m2,式中 F-试样的断面积，m2 P-断面积F的周长，m,当t=x/v时，T=T浇；T=TL时，t=t1；上式积分后得：,式中 TL -合金的液相线温度， T浇-合金的浇注温度，,第二阶段（t2） 金属液继续向前流动时开始析出固相，此时热平衡方程式为,式中,-合金在TL到Tk（停止流动温度）温度范围内的密度，近似地取*=1,-合金在TL到Tk温
7、度范围内的当量比热，近似地取,k -停止流动时液流前端的固相数量 L -合金的结晶潜热，J/kg,当t=t1时，T=TL; t=t2时,T=Tk, 上式积分后得,液态金属总的流动时间t=t1+t2,液态金属的充型能力l,将对数项展开取第一项：,略去x项,四、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施,第一类因素金属性质方面：1，c1, 1, L, , , T(结晶特点),第二类因素铸型性质方面：2，c2, 2, T型，涂料层，透气性,第三类因素浇注条件方面： T浇，H(压头)，外力场,第四类因素铸件结构方面： 铸件厚度，结构复杂程度(型腔),1金属性质方面的因素 1） 合金成分 合金的流动性与其成
8、分之间存在着一定的规律性。在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物的地方出现最大值，而有结晶温度范围的地方流动性下降，且在最大结晶温度范围附近出现最小值。合金成分对流动性的影响，主要是成分不同时，合金的结晶特点不同造成的。 这是铸造合金多选用共晶合金或凝固温度范围小的合金的根本原因。,图 Fe-C合金状态图与流动性的关系,铸铁的结晶温度范围一般都比铸钢的宽，可是铸铁的流动性比铸钢的好。这是由于铸钢的熔点高，钢液的过热度一般都比铸铁的小，维持液态的流动时间就要短，另外，由于钢液的温度高，散热快，很快就析出一定数量的枝晶使钢液失去流动能力。 初生晶的形态影响流动性，如果初生晶为树枝晶，
9、对液体金属流动的阻碍就大，如果初生晶强度不高，就不易形成网络而阻碍流动，如果初生晶为园形、方形等形态，对流动的阻碍就小。,2）结晶潜热 结晶潜热约占液态金属热含量的85%90，但是，它对不同类型合金流动性的影响是不同的。 纯金属和共晶成分合金在固定温度下凝固，在一般的浇注条件下，结晶潜热的作用能够发挥，是影响流动性的一个重要因素。凝固过程中释放的潜热越多，则凝固进行得越缓慢，流动性就越好。 对于结晶温度范围较宽的合金，散失约20潜热后，晶粒就连成网络而阻塞流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥,所以对流动性的影响不大。 A1-Si合金的流动性，在共晶成分处并非最大值，而在过共晶区里继续增加，是因为
10、初生硅相块状晶体，有较小的机械强度，不形成坚强的网络，结晶潜热得以发挥。硅相的结晶潜热比 相大三倍。,3）金属的比热、密度和导热系数 比热和密度较大的合金，因其本身含有较多的热量，流动性好。导热系数小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长；导热系数小，在凝固期间液固并存的两相区小，流动阻力小，故流动性好。 4）液态金属的粘度 粘度对层流运动的流速影响较大；对紊流运动的流速影响较小。金属液在浇注系统或试样中的流速，一般都是紊流运动。粘度的影响是不明显的。在充型的最后很短的时间内，由于通道面积缩小,或由于液流中出现液固混合物时，而此时因温度下降粘度显著增加，粘度对流动性才表现出较大的影响。,5）表面
11、张力 造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角90o。故液态金属在铸型细薄部分的液面是凸起的，而由表面张力产生一个指向液体内部的附加压力，阻碍对该部分的充填。所以，表面张力对薄壁铸件、铸件的细薄部分和棱角的成形有影响。型腔越细薄，棱角的曲率半径超小，表面张力的影响则越大。,2铸型性质方面的因素 铸型的阻力影响金属液的充型速度；铸型与金属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。可通过调整铸型性质来改善金属的充型能力。 1）铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从金属吸取并储存热量在本身中的能力。铸型吸取较多的热量而本身的温升较小，使金属与铸型之间在较长时间内保持较大的温差。 经常采用涂料调整铸型的蓄
12、热系数和导热系数。,铸型的蓄热系数,2）铸型的温度 预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高其充型能力。 3）铸型中的气体 铸型具有一定的发气能力，能在金属液与铸型之间形成气膜，可减小流动摩擦阻力，有利于充型 3浇注条件方面的因素 1）浇注温度 浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的影响，在一定温度范围内，充型能力随浇注温度的提高而直线上升。,2）充型压头 液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力就越好。在生产中，用增加金属液的静压头的方法提高充型能力，也是经常采取的工艺措施。其他方式外加压力，例如压铸、低压铸造、真空吸铸等，也都能提高金属液的充型能力。 3）浇注系统的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，在静压头相同的情况下，充型能力就越降低。,4. 铸件结构方面的因素,（1）铸件的折算厚度R,铸件的壁越薄，R就越小，不易被充满。,（2）铸件的复杂程度,铸件越复杂，厚薄部分过度面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，铸型充填困难。,作业,
