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1、兰州理工大学材料科学与工程学院材料成型原理实验指导书（铸造、焊接、金压）2006315实验一铸造合金流动性的测定一、概述液态合金充填铸型型腔获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力称为液态合金的充型能力。它受合金性质、铸型性质、浇注条件和铸件结构四方面因素的影响。流动性是指液态合金本身充填铸型的能力。流动性好的合金，出于其充型能力强，因而容易充满型腔，有利于获得形状完整、轮廓清晰的铸件。流动性差的合金，充型能力就差，容易使铸件产生浇不足、冷隔等铸造缺陷。因此，流动性是铸造合金重要的铸造性能之一。二、测试方法流动性测试是将液态合金浇入专门设计的流动性试样沟道（型腔）中，以其停止流动时获得的长度作为流动
2、性指标：也可以用试样尖端或织薄部分被充填的程度作为流动性指标。后者旨在研究液态合金充填型腔细薄部分及棱兔的能力。由于流动性的测定是在特定的铸型条件、浇注条件和试样沟道中进行的，所以，测定时必须稳定上述条件，才一能保证测试结果有较好的再现性和精确度。铸造合金种类繁多（铸铁、铸钢、有色合金、高温合金等等），各种合金的物理及热物理性质千差万别；所研究问题的侧重点又不尽相同。因此，流动性试样的类型很多，其中，绝大多数采用重力浇注方法，个别采用真空吸铸；沟道大多做成直棒形或弯曲成一定形状（如螺旋线形）。试样铸型大多为砂型和金属型，偶尔采用石墨型。下面介绍几种常用或结构特殊的流动性试样。1 、螺旋线形螺旋
3、线形应用最为广泛，目前已被建议为标准方法。螺旋线形流动性试样见图:5-4螺旋线形试样以采用阿基米德螺旋线和渐开线为多见。按内浇口位置又可分为内流式与外流式，内流式结构简单，造型万使，坦由子流道袖辜运新增人，局韶祖力损失随流程的增大而增大，再加上沿捏沮力损失，将使液态合金的流动条件的变化较大。外流式的结构较复杂，但局部蛆力损失渐趋减少。沿程阻力损失逐渐增大，结果，流动“件“变化较小，测定结果的精确度较高。由于铸型和浇注条件在每次测试由很难保持一致，特别是浇注时压头（浇注速度、流量等）的波动对测试结果的影响很大。因此，采用这种试样取得满意结果的关键，在于稳定金属压头。目前，主要采取改进浇注系统结构
4、，使浇注时金属压头尽可能稳定的措施来提高测试的精确度。图1一1螺旋线形流动性试样2、真空吸铸流动性述祥（水平式）水平真空吸铸式流动性测试装置见图1-2.图1-2水平真空吸铸装置示意图1.埔锅2电炉3耐热玻瑞4真空室5艾空计6气压控制器7抽气口这种测试方法的优点是铸型条件和液态合金的充型压头稳定一真空度可随液态合金的密度不同而改变，能使各种合金在相同压头下充填铸型万提高了测定结果的再现性，还可以观察充填过程，记录流动长度与时间的关系侄是这种测定装置比较复杂。3、花盘形流动性试样试样流道截面积的选择，对流动性测量敏感性的影响很大；截面过小，浇注温度影响流动性的敏感性变差；而截面过大，液态合金的表面
5、张力及氧化膜影响流动性的敏感性变差。花盘形流动性试样可同时浇注若干根粗细不等的沟道，排除了试样截面大小上选择的困难，又可反映充填细薄铸件的能力。图1-3花盘形流动性试样1直浇道2、3.内浇道4.充型能力的测定沟道5流动性的测定沟道图1-3为花盘形流动性试样，其申0号沟道具有和普通螺旋试样相同的断面和长度，用于测定合金熔液的流动性。1号至10号沟道的长度相同，但截面积依次递减10%,并在每根沟道上做出等分的10个凸点，其中充满的根数为基数，次一根充到的点数为小数点后的数，这一数值表示了充型能力。例如前5根充满，第6根充到8点处，则充型能力为5.8级。花盘形试样的特点是结构紧凑，辐射状的排列可以保
6、证充型条件相近。但花盘形试样存在同螺旋试样相似的缺点4、立柱形流动性试样立柱形流动性试样实际上反映了液态合金的充型能力。图1-4a是浇柱立柱形试样的铸造型。a）铸型b）直径倒数值的计算图1-4立柱形试样在直径相等且相切的两个匾柱形立柱间形成一个棱边尖角，液态合金因毛细管作用而充入其间，只要测出浇成试样倒锥体尖端的直径，就可以用此直径的倒数表示充型能力。如图5-7t，此直径d可按下式计算R-jc式中:R为圆柱形立柱的半径；X为试样两尖端间距离之半。上式是在液态合金殉浸润楚为1800时的计算式，文献泣8三表明，浸润角小千此值时，对测试结果的影响不大。所以，当圆柱形立柱的尺寸选定时，只要测定试样两失
7、端间的距离2x,就不难通过上式计算充型能力F这种试样的充型能力与压头h,液态合金的密度P、表面张力c间的关系是式中，g为重为加速度。圆柱形试样的忧点是直观，测量方便，且给出整个液柱高度范围下的许多测量值它既可测定纯液态合金性质对充型能力的影响，又可说定凝固特性对充型能力的影响。三、主要影响因素及其控制影响液态合金流动性的因素很多，其中主妻有合金成分，浇注腻度、铸型条阵和压失等一般说来，这些因素是保证测试精确度，使测定结果具有良好再现性的关键。1 、合金成分的影响不同成分的合金具有不同的结晶方式，结晶温度范遇窄的合金倾向千逐层凝固，流动性好。结晶温度范围宽的合金倾向千糊状凝固，流动睦差。易形成低
8、熔点夹杂或降低熔液粘度及减小合金结晶温度范围的元素，对提高流动性有利，反之则不利。合金成分作为实验研究内容，一般是确定的。这样，从实验角度看，影响流动性测试精度与再现性的主要因素为微量固体夹奈。这就需要严格掌握熔炼操作如，选用干净、干澡、没有遗传性的原料；熔炼过程中尽量避免熔液氧化和吸气：对某些合金要充分脱氧或精炼除气，减少熔液中的固体夹杂物及气体。此外，对某些合金还要控制残留夹杂物的类型，如对钢液进行说氧时，先加硅铁后再加锰饮会形成大量细小的高熔点尖角形SiO2，难以去除，钢液流动性变差，但如先加锰铁后和硅铁，脱氧产物主要是低熔点硅酸盐，容易去除，有利千钢液的流动。2 、铸型条件的影响铸型条
9、件的影响体现在两个方面：（1）铸型的机械阻力对液态合金充型速度的影响；（2）铸型与液态合余的热交换强度对其保持流动能力的肘间的影响影啊充型速度的有沟道的沿程阻力和局部阻力及沟道中气体的反压力等。沟道的沿程阻力与铸型的表面状况有关，局部阻力与试样的形式、浇注系统的结构等因素有关，而沟道中的气体反压力则主要取决于型砂水分等发气物质的含量、铸型透气性和排气孔的开设。在实验中上述因素的影响机制是十分复杂的，例如，铸型具有一定的发气能力时，能在金属液与铸型之间形成气膜，从而减小流动的沿程阻力损失总之，在实验申中应努力保证这些因素不变。液态合金与铸型的热交换强度和铸型的蓄热系数及铸型的温度有关，而这些因素
10、对流动性的影晌也是十分复杂的。实验中应尽可能使涂料、型砂成分、砂型的紧实度以及铸型的温度等因素保持不变，或将其影响减至最小流动性试样如在金属型内浇注，主要控制因素是金属型的预热温度。在使用涂料的情况下，涂料的成分及涂料层厚度应保持一致。3 、浇注温度的影响浇注温度对液态合金流动性的影响很大，一般在流动性实验中将其作为主要的研究内容之一。从实验角度来说，重要的是如何控制进入沟道的熔液温度恰好是实验万案规定的浇注温度一般情况下，浇包与浇口杯中熔液的温差是很大的因此为了保证实验精度与再现性，应当直接测定进入沟道时的熔液温度。目前一般采用在有问门的浇口杯山测温的办法，待温度达到实验万案的规定温度时，迅
11、速开闸浇注。当然浇口杯中的液态合金在浇注过程中还会继续降温，分析实验结果时，应考虑这一因素。4 、充型压头的影响充型压共是液态合金在沟道中流动的动力，必须保证充型压头稳定。稳定充型压头必须考虑静压头的控制与动压头的控制，目前主要在浇口杯上采取措施。图1-5所示侧挡板定量浇口杯，可以消除由于浇注速度不稳定而造成的动压头波动。侧挡板与塞杆相比，在提起时对液态合金的扰动较小，并且便于观察提起前有无液态合金的渗漏。在浇口杯侧面所高的溢流槽，用以控制定量浇口杯中金属液面的高度但这种方法仍难排除充型过程中静压头的变化，流动性差，液面下峰少。图1-5测挡板浇口杯1溢流槽2热电偶3浇口杯4侧挡板图1-6所示堤
12、坝式浇口杯，可以稳定静压头。图16a的结构由于液流居中，有可能削弱或干扰高坝的作用，故以图16b的结构为好。这类浇口杯对稳定静压有一定的作用，但仍有一定的波动，为了尽量减少这种波动，H宜小，但H过小时溢流将过多，一般取=1.0cm比较适当。图1-6堤坝式浇口杯为使试样沟道中一有流动，即处于H+AH的全压，可以在直浇道下设置一容积足够的积液坑（全压），其结构见图17。积液坑的容积V1可田下式确定：X乂*如式中V一直浇道容积TV2一直浇道充满时间，Tv2=V2/（Q2-Q）;Q、Q分别为直浇道出、入口处流量若近似认为Q不随时间变化，则上式可写作：PW由于2二耳耳J顽打丽L。严比码国囚，所以有式中，
13、k、u一一分别为直浇道出口截面与人口截面的流量系数;F、F一一分别为直浇道出、入口截面积。为了避免V过大，可适当加大（Q2-Q）。图1-7积液坑四、实例沈阳铸造研究所草拟的合金流动性测定规范为螺旋形试样，规范主要内容如下：1 、试样及铸型见图1-8。一个外浇口箱同时浇注三个螺旋试样，取其平均值表示流动性。2 、型砂配制：采用40-10目石英砂100%粘土18%水分5.5%，干混5IOmin,湿压强度（040.5）x105Pa3 、造型:手工造型。螺旋线试样模板起模时要平稳，尽量不修型。铸型紧实度用硬度计检验。注意在沟道末端处开设排气孔。4 、合箱:放置铸型的地面应使用水平尺检查以保证铸型呈水平
14、。热电偶安放在浇口杯内，距杯底约10mm,伸出15-20mm。5 、浇注:浇注前先在浇包中侧温，严格控制浇注温度。浇注要平稳，流股大小要适Im图1-8螺旋形流动性试样的铸型图实验2合金铸造应力的测定一、概述合金在凝固后的冷却过程中，由于铸件各部分冷速不均或受机械阻碍，或相变不同步时，都会使其线收缩受阻而产生铸造应力。铸造应力按其成因，相应有热应力、机械阻碍应力和相变应力。形成铸造应力的原因去除后，若应力随即消失，则称作临时应力，而若保留在铸件中，贝U为残留应力。一些部位的残留应力是拉应力，另一些部位则受压应力，它们在铸件内达到暂时的平衡。铸造应力是铸件产生变形或冷裂的主要原因，对铸件质量影响很
15、大。因此，研究铸造应力，对于减小应力措施的制定及其效果的检验，具有重要意义。有关铸造应力的试验研究，目前主要有以下三个方面。1 、测定铸件残留应力的数值，以研究各工艺参数对铸件残留应力大小的影响；2 、测定铸件退火过程中的应力变化曲线，以研究制订消除铸造应力的最佳退火工-f-p乙；3 、测定铸件冷却过程中应力的产生及变化过程，以探讨应力形成机理及其影响因素；由于铸造应力是在长时间地从高温冷却到室温过程中形成的，与承载构件中的应力分析测试技术相比，铸造应力的测试更为困难，目前还只能做到有条件的比较。在铸造应力的测试中引用新技术，不断提高测试精度，乃是当前一项重要的研究工作。二、测试方法1、应力框法三杆式应力框试样见图2-1在试样浇注后冷却过程的后期，粗杆温度比细杆冷却快。这一时期进行冷却时，两杆温差逐惭减小乃至消失。由于粗细两杆温度不同。冷却过程中的绝对线收缩也就不同。但粗细两杆受两端横梁的制约，不能自由线收缩，应力逐渐增大，因而使在三杆中残留了应力：粗杆残留拉应力，细杆残留压应力。测试时，先将粗杆上凸台两端铣平，测出AB间尺寸玩。然后在图2-1中X-X位置用钢锯锯断。测出这时凸台两端距离Li,则中间杆所受拉应力便可计算得到。图2-1三杆式应力框在不考虑横梁及粗细杆弯曲变形的情况下，在锯断前，中间粗杆中的力R与两边细杆中的力F11之间的关系为：F1=2Fn。如
