离心力场下金属液的运动

1、职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库铜合金铸件铸造技术课程教案离心力场下金属液的运动制作人：李莎陕西工业职业技术学院离心力场下金属液的运动金属液相对于铸型壁的运动，对铸件的显微组织结构有很大影响。离心力场下，金属液质点的运动可以分解为两部分：一是质点在横截面上的运动；二是质点在纵截面上的运动。二者的合成即为实际运动状态。离心力应用情况不同，质点运动存在较大差异，如真正（或半真）离心铸造时质点的运动与非真离心铸造是完全不同的，下面针对真正离心铸造过程中质点的运动情况进行叙述。一、横截面内的运动重力引起的相对运动：由于重力场的影响绕水平轴旋转的金属液自上而下相对运动时，切向速度增大，而在上升过

2、程中，切向速度会减小。由于铸型本身是匀速转动的，当金属液自上而下运动时，与铸型相比会有一个超前量，而自下而上运动时，则会出现滞后现象。由于金属液自身的粘度阻力以及凝固过程中金属液层的变薄，这种相对运动是十分微小的，对铸件结晶过程的影响并不十分明显。惯性引起的相对运动：另一种相对运动主要由惯性作用引起的。将金属液浇入匀速转动的铸型后，最初金属液不具有圆周方向的运动速度。在铸型带动下，短时间内金属液将以低于铸型的转速作圆周运动，由于惯性产生了金属液与铸型壁之间的相对运动。金属液与铸型之间的相对运动还表现为液流各层间的相对运动。型壁附近的金属液因受到铸型的作用力较大，旋转速度增加较快，而内表面处的金

3、属液只能依赖外层的粘性力来提高转速。当金属液与铸型转动速度相同时，相对运动消失，处于一种相对静止状态。若视铸型为静止，相对运动可视为金属液相对于铸型内表面的运动，型壁/金属液界面处运动速度最小，自由表面处最大，方向与铸型的旋转方向相反。图1 铸件横截面内由惯性引起的相对运动相对运动过程中，金属液内可能出现紊流，其变化情况如图1所示。金属液进入铸型后（t1时刻），型壁附近的金属液中会出现一个薄的层流层，而在内层中，则可能形成紊流，一段时间后（t2时刻），层流厚度增大，紊流层向自由表面减薄；至t3时刻，紊流层消失，全部转变为层流；之后，随着时间的推延，内层金属液的旋转速度逐渐增大至铸型旋转速度，至

4、t4时刻，层流也消失，金属液与铸型处于相对静止状态。二、纵截面的运动利用真离心铸造方法生产长管铸件时，金属液在纵（沿轴）截面内，除了沿圆周方向覆盖铸型内表面，还会作轴向运动以实现铸型的充填。如图2所示，1、2和3分别表示金属液进入铸型的次序。 当第一股液流进入铸型后，在初速度和离心压力影响下分别向铸型的前后两端流动。初始阶段，轴向运动速度主要取决于金属液进入铸型时的初速度，此时热量损失很小，金属液温度较高，生成的晶核尺寸小，可在铸型内以较高的速度沿轴向流动。图2 铸件纵截面内金属液的运动随后，由于铸型的冷却作用，金属液温度持续降低，粘度逐渐增大而速度不断减小，最终表现为第一股金属液越流越慢，如

5、图中1所示。随后，浇入的金属液沿着第一股液流的表面能作轴向流动。由于第一股液流与铸型之间的热作用，使铸型内表面温度较初始状态升高，因此，第二股液流降低较慢，能保持较高的流动速度，最后超过第一股液流的最前端，并继续向前流动一段距离，如图中2所示。第三股及后进入铸型的金属液将不断重复上述过程，如图中3所示。金属液在作轴向运动的同时，在惯性影响下还将产生转动滞后现象，因此，金属液的运动轨迹呈螺旋状，从铸型的一端运动到另一端。实际生产中，在铸件外表面上经常可见螺旋状流痕，这是离心铸造过程中一种常见的铸造缺陷。如果金属液在流动过程中温度降低过快，充型过程中固相含量过高，当随后进入的金属液流覆盖前一股液流的内表面时，二者将不能很好的融合在一起，各层按自己的条件进行凝固，其显微组织、组元分布都将产生差异。最常见的铸型内部出现分层，层与层之间出现缩松状缺陷或致密性极差的显微组织层，从而降低铸件性能，缩短使用寿命。三、金属液的实际运动通过上面叙述可知，金属液不仅具有在圆周方向上的相对于铸型的运动，在轴向上也存在运动。因此，对于水平转轴真正离心铸造过程，金属液相对于铸型壁的实