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1、第一章液态金属成形过程及控制本章的主要内容为：液态金属充型过程的水力学特性及流动情况；浇注系统及设计；液态金属凝固收缩过程的工艺分析；冒口和冷铁和设计。即让学生了解和掌握液态金属铸造成形的两个基本过程充型和凝固对铸件质量的影响规律，并提出其控制方案和措施。本章的重点：(1)、充型过程及其控制；(2)、凝固过程及其控制。引言铸造的定义：让金属液流入并凝固在预先制备的铸型中，获得特定形状的毛坯或零件(铸件)的方法或技术。铸造成形的基本过程是充型和凝固：充型的主要目的：使金属液充满铸型，从而实现对型腔形状、尺寸以及表面的复制。充型的有效性：是否能够充满型腔；充型的平稳性：是否卷入气体或杂质；充型的顺
2、序性：调整充填后的温度分布。凝固的主要目的：使不具备机械性能的液相转变为具备特定机械性能的固相。凝固的速度：晶粒大小及形态；凝固的顺序：是否有助于补缩；凝固末期的温度场：应力大小及分布、变形、热裂的产生与控制第一节 液态金属充型过程的水力学特性及流动情况充型过程对铸件质量的影响很大可能造成的各种缺陷，如冷隔、浇不足、夹杂、气孔、夹砂、粘砂等缺陷，都是在液态金属充型不利的情况下产生的。正确地设计浇注系统使液态金属平稳而又合理地充满型腔，对保证铸件质量起着很重要的作用。一、液态金属充型流动过程的水力学特性目前在实际铸造生产中，砂型仍占相当大的分量，而液态金属在砂型中流动时呈现出如下水力学特性：1.
3、 粘性流体流动：液态金属是有粘性的流体。液态金属的粘性与其成分有关，在流动过程中又随液态金属温度的降低而不断增大，当液态金属中出现晶体时，液体的粘度急剧增加，其流速和流态也会发生急剧变化。2. 不稳定流动：在充型过程中液态金属温度不断降低而铸型温度不断增高，两者之间的热交换呈不稳定状态。随着液流温度下降，粘度增加，流动阻力也随之增加；加之充型过程中液流的压头增加或和减少，液态金属的流速和流态也不断变化，导致液态金属在充填铸型过程中的不稳定流动。3. 多孔管中流动：由于砂型具有一定的孔隙，可以把砂型中的浇注系统和型腔看作是多孔的管道和容器。液态金属在“多孔管”中流动时，往往不能很好地贴附于管壁，
4、此时可能将外界气体卷入液流，形成气孔或引起金属液的氧化而形成氧化夹渣。4. 紊流流动：生产实践中的测试和计算证明，液态金属在浇注系统中流动时，其雷诺数Re大于临界雷诺数Re临，属于紊流流动。例如ZL104合金在670浇注时，液流在直径为20mm的直浇道中以50cm/s的速度流动时，其雷诺数为25000，远大于2300的临界雷诺数。对一些水平浇注的薄壁铸件或厚大铸件的充型，液流上升速度很慢，也有可能得到层流流动。轻合金优质铸件浇注系统的研究表明，当Re20000时，液流表面的氧化膜不会破碎，如果将雷诺数控制在400010000，就可以符合生产铝合金和镁合金优质铸件的要求。有人通过水力模拟和铝合金
5、铸件的实浇试验证明：允许的最大雷诺数，在直浇道内应不超过10000，横浇道内不超过7000，内浇道内不超过1100，型腔内不超过280。综上分析，影响金属液流动的平稳性的主要因素是金属液的流动速度和浇注系统的形状及截面尺寸。为此，有必要研究液态金属在浇注系统中的流动情况。二、液态金属在浇注系统中的流动情况浇注系统是液态金属流入型腔的通道，通常由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等单元组成（图1-1浇注系统的基本形式）。分析液态金属在浇注系统中的流动规律、对正确地设计浇注系统有重要的作用。1. 液态金属在浇口杯中的流动情况1)、浇口杯的作用：承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇注；减轻
6、液流对型腔的冲击；分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔；增加充型压力头。2)、浇口杯的结构形状分类：漏斗形、池形。漏斗形浇口杯结构简单，挡渣作用差，由于金属液易产生绕垂直轴旋转的涡流，易于卷入气体和熔渣，因此这种浇口杯仅适用于对挡渣要求不高的砂型铸造及金属型铸造的小型铸件。池形浇口杯效果较好，底部设置凸起有利于浇注操作，使金属液的浇注速度达到适宜的大小后再流入直浇道。这样浇口杯内液体深度大，可阻止垂直轴旋转的水平旋涡的形成，从而有利于分离渣滓和气泡。3)、浇口杯内一旦出现水平旋涡会带入渣滓和气体，必须注意防止。漩涡产生的原因：当合金液从各个方向流入直浇道时，各向流量不均衡，某一流股的流向偏离直浇道中
7、心，就会形成水平涡流。根据水力学原理，水平涡流愈靠近中心部位压力愈低，液面愈低，这样浮在液面上的渣滓会沿着弯曲的液面，一面旋转，一面和空气一同进入直浇道，就有可能形成氧化夹渣等铸造缺陷。浇口杯内金属液的高度对漩涡产生的影响：水力模拟试验表明，影响浇口杯内水平旋涡的主要因素是浇口杯内液面的深度，其次是浇注高度，浇注方向及浇口杯的结构等。浇口杯内合金液面深度和浇注高度的影响如图1-2所示。液面深度大时不易出现水平旋涡（图1-2a），液面浅时易出现水平旋涡（图中b）。浇包嘴距浇口杯越高，水平旋涡越易于产生（图c）。液面浅和浇注高度大时，偏离直浇道中心的水平流速较高，因而易出现水平旋涡。（图1-2 液
8、面深度和浇注高度的影响）使用浇口塞抑制漩涡的产生：为了减轻和消除水平旋涡，对于重要的中、大型铸件，常用带浇口塞的浇口杯（图1-2）。先用浇口塞堵住浇口杯的流出口，然后进行浇注，当浇口杯被充填到一定高度，熔渣已浮起时，才拔起浇口塞，使合金液开始流入直浇道。浇口塞可用耐火材料或铸铁材料制成，其结构应能保证拔起浇口塞时不产生涡流。有时也用一金属薄片盖住浇口杯的流出口，当浇口杯被充填到一定的高度时，金属薄片受热熔化，浇口杯的流出口就被打开。为了有利于熔渣上浮到液面，浇口杯应有一定的高度，并将浇口杯与直浇道相连的边缘作成凸起状以促使浇口杯中液流形成垂直旋涡。垂直旋涡能促使熔渣和气泡浮至液面，对挡渣和分离
9、冲入的气泡有利。2. 液态金属在直浇道中的流动情况1)、直浇道的作用：将来自浇口杯的液流引入横浇道、内浇道或直接进入型腔。通过调整直浇道的高度，可获得足够的压头以保证金属液能克服沿程阻力损失，在规定的时间内以适当的速度充满型腔。直浇道越高，则压头越大，金属液进入型腔的速度越快，对充满薄壁铸件有利，但同时对铸型的冲击也愈大。2)、液态金属在直浇道中的流动特征：负压、离壁，容易吸入空气；控制方法：增大流动阻力、降低流动速度、减小直浇道尺寸。过去不少资料认为液态金属在直浇道中流动时，会呈负压状态，出现吸气现象。对液态金属在直浇道中的流动状态进行理论分析和水力模拟试验证明，对只有浇口杯和直浇道组成的浇
10、注系统、直浇道上口为尖角，浇道截面为等截面时，会出现液流离壁现象且有一定的负压存在。对液态金属在砂型直浇道中的流动状态进行模拟试验和摄影观察还得出：液态金属在直浇道中存在充满式流动和非充满式流动。在等截面的圆柱形和上小下大的倒锥形直浇道中液流呈非充满状态。在非充满的直浇道中，流股自上而下呈渐缩形，流股表面压力接近大气压力，微呈正压。流股表面会带动表层气体向下运动，并能冲入型内上升的金属液内。而在上大下小的锥形直浇道中液流呈充满状态，无负压和吸气现象。直浇道入口形状对液流流态影响较大，当入口为尖角时，增加了流动阻力和断面收缩率，常导致非充满式流动。要使直浇道呈充满状态，要求入口处圆角半径rd/4
11、（d为直浇道上口直径）。实际生产中常用的直浇道结构形式见图13。图中a型直浇道制造方便，应用广泛。对于极易氧化的铝、镁合金铸件，为了增大阻力降低流速，也可采用b、c、d所示的直浇道。常用直浇道都存在各种局部阻力，只要合理选用浇注系统的结构形式，就不会出现离壁和负压现象。（图1-3 砂型铸造用直浇道形式及常用断面形状）3)、浇口窝的作用有：缓冲作用。液流下落的动能有相当大的一部分被窝内液体吸收而转变为压力能，再由压力能转化为水平速度流向横浇道，从而减轻了对直流道底部铸型的冲刷。缩短拐弯处的高度紊流区。浇口窝可缩短高速紊流区（过渡区），也改善了横浇道内的压力分布（图14），压力分布特性说明过渡区的
12、存在。这对减轻金属氧化、阻渣和减少卷入气体都有利。当内浇道距直浇道较近时，应采用浇口窝。改善内浇道的流量分布。设置浇口窝，有利于内浇道流量分布的均匀化，例如在F直F横F内=12.55的试验条件下，无浇口窝时，两等断面的内浇道的流量分配为31.5%（近直浇道者）和68.5%（远者）；而有直浇道窝时流量分配为40.5%（近者）和59.5%（远者）。减少浇道拐弯处的局部阻力系数和水头损失。3液态金属在横浇道中的流动情况1）、横浇道是连接直浇道和内浇道的中间通道，它的功用主要有稳流、分配液流和挡渣三个方面。2）、横浇道的稳流作用及其实现液流从直浇道落下时，速度大不平稳，而经过浇口窝进入横浇道后，液流转
13、向并趋于平稳。3）、横浇道的流量分配作用及其实现液流充满横浇道的同时，即由横浇道分配给各个内浇道。同一横浇道上有多个等断面的内浇道时，各内浇道的流量不等。一般条件下远离直浇道的流量大，近直浇道的流量小。各内浇道的流量主要取决于合金液柱的高度、横浇道的长度、内浇道在横浇道上的位置以及各浇道断面积之比。（图1-5 浇注系统结构形式对流量不均匀性的影响）4）、横浇道的挡渣作用及其实现横浇道是浇注系统的主要挡渣单元，其挡渣作用与熔渣特性、横浇道本身结构、各浇道的相互配置关系有关。在横浇道中采取重力分离除渣原理如图1-6所示（图1-6 横浇道挡渣原理图）。随合金液进入横浇道的杂质，其运动受两个速度的作用
14、，即随液流向前运动的速度横和由于密度差引起的上浮或下沉速度浮，最后杂质以两者的合速度合向前上方运动。横浇道的挡渣设计，则应使杂质在合金液流入内浇道之间就上浮到合金液的表面。在横浇道中渣的上浮速度受流态影响比较复杂，影响上浮速度和横浇道挡渣作用的主要因素有：、杂质与合金液的密度差越大，渣子越易上浮除去。、渣团半径R越大，渣子上浮速度越大，越易除去。、合金液在横浇道中的流动速度横越大，液流在横浇道中的紊流程度越大，杂质上浮所遇到的干扰越大。当横达到一定程度时，杂质就浮不上来，而始终悬浮在液流中，此时的横临界速度称为悬浮速度。、合金液的粘度越大，则渣团上浮越慢，越难除去夹杂。根据以上对横浇道挡渣作用
15、原理的分析，为强化挡渣作用，在设计横浇道时常采用以下措施：、降低合金液在横浇道的流动速度。为此，在实际生产中常采用增加横浇道的水力学阻力的措施，例如采用搭接式横浇道或双重横浇道（图1-7）。采用扩张式浇注系统、增大横浇道的截面积也有利于降低横。 横浇道应呈充满状态，这样有利于使渣团上浮到横浇道顶部而不进入内浇道。减小浇注系统的扩张程度，采用底注式浇注系统等措施均有利于使横浇道呈充满状态。 内浇道的位置关系要正确。内浇道距直浇道应有一定距离，使渣团能浮上横浇道顶部而不进入内浇道。横浇道末端应有一定的延长段，以容纳最初进入横浇道的低温、含气及有夹杂的金属液，还可在末端设置集渣包。 在横浇道上设置过滤网以滤除渣团，如图1-7（a）所示。 在横浇道上设置集渣槽是常用的除渣措施，而在铸铁件生产中则常用带有离心集渣包的浇注系统。金属流入集渣包因断面积突然增大，流速降低并在集渣包内产生旋涡，使密度较小的渣团向旋涡中心集中并浮起。5）、横浇道的结构形状横浇道的断面形状，可有圆形、半圆形、梯形等多种形式。以圆形的热损失最小和流动最平稳，但造型工艺较复杂。为了使直浇道与横浇道和内浇道连接方便和造型工艺简单，一般都采用高度大于宽度（高宽1.21.5）的梯形断面的横浇道。4液态金属在内浇道中的流动情况
