材料成型原理课件铸造第二讲b60

1、2第一节 液态金属的流动性及充型能力“流动性流动性”液体金属本身的流动能力液体金属本身的流动能力由液态金属本身的成分、温度、杂质含量等决定，与外界因素无关。一、流动性和充型能力的基本概念一、流动性和充型能力的基本概念测试方法测试方法3充型能力液态金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力 液态金属的流动性越好，气体和杂质越易于上浮，使金属得以净化。良好的流动性有利于防止缩孔(松)、热裂等缺陷的出现。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。4二、液态金属停止流动的机理以纯铝和A1-5Sn两种金属浇注流动性试样。A1-5Sn合金的结晶温度范围约为

2、430。纯金属流动性试样的宏观组织是柱状晶，试样的末端有缩孔，这说明液态金属停止流动时，其末端仍保持有热的金属液。停止流动的原因，是末端之前的某个部位从型壁向中心生长的柱状晶相接触，金属的流动通道被堵塞。5第区：金属的过热量未散尽以前为纯液态流动(图a)。第区：金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳(图b)，而后的金属是在被加热了的管道中流动，冷却强度下降。由于液流通过区终点时，尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，所以该区先形成凝固壳，又被完全熔化。第区：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。第区：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

3、晶开始较早，断面上结晶完毕较早，往往在它附近发生堵塞(图c)。这类金属的流动性与固体层内表面的粗糙度、毛细管阻力，以及在结晶温度下的流动能力有关。纯金属或共晶合金停止流动机理6在过热量未散尽以前，金属液也以纯液态流动。温度下降到液相线一下时，液流中析出晶体，顺流前进，并不断长大。液流前端不断与冷的型壁接触，冷却最快，晶粒数量最多，使金属也的粘度增加，流速减慢。当晶粒数量达到某一临界数量时，便结成一个连续的网络。当液流的压力不能克服此网络的阻力时，即发生堵塞而停止流动。合金的结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出少量固相，即在较短的时间，液态金属便停止流动。在液态金属 的 前 端 析 出1

4、520%的固相量时，流动就停止。 结晶温度范围合金停止流动机理7三、液态金属充型能力的计算 假设用某液体合金浇一水平圆棒形试样，在一定的浇注条件下合金的充型能力以其能流过的长度l来表示。其值为： lv t 充型过程的物理模型 式中, v为在静压头H作用下液态金属在型腔中的平均流速；t为液态金属自进入型腔到停止流动的时间。 8由流体力学原理可知 :式中，H为液态金属的静压头；为流速系数。 2vgH 关于流动时间的计算，液态金属不同的停止流动机理则有不同的计算方法。 对于纯金属或共晶成分合金，凝固方式呈逐层凝固时，其停止流动是由于液流末端之前的某处从型壁向中心生长的晶粒相接触，通道被堵塞的结果。因

5、此，对于这类液态金属的停止流动时间t，可以近似地认为是试样从表面至中心的凝固时间，可根据热平衡方程求出（凝固时间的计算）。 9 对于宽凝固范围，即体积凝固方式的合金，其液流前端不断地与冷的型壁表面接触。 第一阶段：液态合金只是温度不断地降低直至液相线温度，在此阶段液态合金的流动性很好。 第二阶段：即由液相线温度至固相线温度间的凝固区，此时，一方面温度继续降低，另一方面不断地结晶出固相。 在液流前端区x范围内，当其固相量达到某一临界值时，则停止流动。故总的停止流动时间为两阶段的时间之和。10为使问题简化、对过程作如下假设：1) 自进入型腔直至停止流动的时间内，型腔与液态金属的接触表面温度不变；2

6、) 液态金属在型腔中以等速流动；3) 流体横断面上各点温度是均匀的；4) 热量只按垂直于型壁的方向传导，表面无辐射，沿液流方向无对流。 11 第一阶段液态金属的流动时间t1的求解：距液流端部x的dx段，在dt时间内通过表面积dA所散发出的热量，等于该时间内液态金属温度下降dT放出的热量，其热平衡方程式为: 1 1()d dddTTA tVc T 型式中，T为dx元段的金属温度(K)；T型为铸型的初始温度(K)；dA为dx元段与型腔接触的表面面积(m2)；dV为dx元段的体积(m3)；t为时间(s)；1为液体金属的密度(kg/m3)；c1为液态金属的比热容(J/kg)；为换热系数(W/m3)。

7、12 第二阶段液态金属的流动时间t2的求解：金属液继续向前流动时开始析出固相。此时，金属液放出的热量包括降温和凝固潜热两部分所组成，其热平衡方程式为： 11* *()d dddTTA tVc T 型式中， 为合金在液线线TL到TK温度(停止流动温度)范围的密度，近似地 ； 为合金在TL到TK温度范围内的当量比热容，近似地取 ：*1*11*1c*11LKKLccTT式中，TK为液态金属停止流动时的温度；K为液态金属停止流动时,液流前端析出的固体数量；L为金属的结晶潜热。 1311()2KLKLc TTFlvtgHPTT浇型式中，T浇为合金的浇注温度； F为试样的断面积； P为断面积F的周长。 分

8、别代入初始条件及边界条件到上述式中，可求出两个阶段的时间，相加并简化处理后得 :14 影响充型能力的因素是通过两个途径发生作用的：影响金属与铸型之间热交换条件，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。为便于分析，将影响充型能力的因素归纳为如下四类。四、影响充型能力的因素第一类因素金属性质方面的因素 ;第二类因素铸型性质方面的因素 ；第三类因素浇注条件方面的因素 ；第四类因素铸件结构方面的因素。15 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

9、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。1. 金属性质方面的因素1) 合金成分16 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，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。 17 结晶潜热约占液态金属热含量的8590%，但是，它对不同类型合金流动性的

10、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。2）结晶潜热18 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。193）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

11、。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 液态金属的粘度与其成分、温度、夹杂物的含量和状态等有关。 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动一般都是紊流运动，粘度的影响是不明显的。在充型最后很短的时间内，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。 205）表面张力 造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角900。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

12、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。为克服附加压力用阻碍，必须在正常的充型压力上增加一个附加压头。 212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。铸型性质对金属液的充型能力有重要的影响。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。铸型的导热系数大表示从金属吸取的热量能很快地由温度较

13、高的铸型内表面传导到温度较低的“后方”，使铸型内表面的热量能迅速传走，而保持继续吸取热量的能力。 经常采用涂料调整铸型的蓄热系数和导热系数.222）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，可减小流动的摩擦阻力，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。对于薄壁铸件或流动性差的合金，利用提高浇注温度改善充型能力的措施，在生产中经常采用，也比较方便232）充型压头 液态金属在流动方向上所受的压力越大，

14、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。 充型压头244. 铸件结构方面的因素(1) 铸件折算厚度(模数) 铸件的壁厚越薄，铸件折算厚度(模数)越小，就越不容易充满，在模数相同时，垂直壁容易充满，因此，对薄壁铸件应选择正确的浇注位置。(2) 铸件的复杂程度 铸件结构复杂、厚薄部分过渡面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，铸型的充填困难。25液态金属凝固过程中的液体流动主要包括自

15、然对流和强迫对流。自然对流是由浮力流和凝固收缩引起的流动。凝固过程中由传热、传质和溶质再分配引起液态合金密度不均匀，密度小的液相上浮，密度大的液相下沉，称为双扩散对流。凝固及收缩引起的对流主要产生在枝晶之间。强迫对流是由液体受到各种方式的驱动力而产生的流动，如压力头、机械搅动、铸型振动及外加电磁场等。凝固过程中液体的流动对传热、传质过程、凝固组织及冶金缺陷有着重要的影响。 第二节 凝固过程中的液体流动26液体的流动可归纳为以下三种：1. 浇注时液体在充填铸型过程中的流动。除了液体内部的相互运动外，它强烈地冲刷着浇道和铸型的型壁。一旦由于铸型的激冷作用而形成表面凝固层后，液体还冲刷着凝固层的生长

16、界面。2. 型腔内液体中的自然对流。液体金属表面及与型壁或凝固层接触区，温度低、密度大而下沉，热金属则上浮形成一种自然对流。浇注初期，液体内外温差大，自然对流最强。随着温度的均化，对流逐渐减弱。对流除了引起液体对凝固层的机械冲刷作用外，还在液体内造成强烈的温度起伏。随着对流情况的不同，温度起伏可达15K。3. 由于凝固收缩、液体收缩及重力等引起液体在枝晶间及其分枝间的流动。这种流动对微观缩孔的形成及成分的偏析有影响。 一、浇注和凝固过程中液体的流动27这些液体流动伴随着上部晶体的沉积及由于机械冲刷、温度起伏而引起已凝固层晶体的脱落、分枝的熔断及晶体的增殖，对铸件晶粒组织的形成有很大影响。1.

17、顶部晶体的沉积。顶部凝固层脱落的晶体或分枝由于密度比液体大而下沉，可以成为以后的晶核。这现象已通过实验得到证明。 2型壁上晶体的脱落大野笃美通过高速摄影发现在浇注过程中或凝固初期，在型壁上形成的晶体经常有一个“缩颈”，此处在液流的冲刷及温度起伏的作用下极易熔断或脱落，随着液体中的对流冲入液体内部。如果液体温度较低或凝固较快，它们来不及完全重溶，便起晶核作用。3枝晶分枝的熔断脱落晶体以枝晶状生长时，其分枝也常出现细的缩颈，在液流的冲刷及温度起伏的作用下极易熔断或脱落，如来不及完全重熔，残余部分便在以后的凝固中起晶核作用。 二、液体流动对铸件结晶过程的影响28第三节 凝固过程中的热量传输液态金属的

18、过热热量和凝固潜热，在材料成形过程中主要是经传导而释放的；传热强度影响到铸件、焊接件中的温度分布和凝固方式；缩松、变形、开裂等缺陷也与传热或温度分布关系密切；认识材料成形过程中的传热规律，就可以合理地控制它，以便使凝固过程按人们的意图进行。29一、铸件凝固传热的数学模型 从传热学知道，对于一个三维导热的铸件，当单位体积内热源的热能为 时，导热微分方程式的一般形式如下：Q222222()TTTTQtcxyz 为热导率，W/(mK)；为密度，kg/m3； c为比热容，J/(kgK)；T为温度，K。 30 在凝固过程中，内热源即为液固转变所释放的潜热。假定单位体积、单位时间内固相部分的增加率为 。释

19、放的潜热为： /SftSfLt式中，L为结晶潜热，J/kg；fs为凝固时固相的份数 22SfTTcLtxt对于一维导热，考虑了潜热的不稳定导热微分方程： 31 (1) 认为液态金属在瞬时充满铸型后开始凝固假定初始液态金属温度为定值，或为已知各点的温度值。 (2) 不考虑液、固相的流动传热过程只考虑导热。 (3) 不考虑合金的过冷假定凝固是从液相线温度开始，固相线温度结束。 基本假设： 21 1112SfTTcLtxt1、1、c1分别为铸件金属的密度、热导率、比热容 右边第一表示导热项，第二项为潜热项 32在铸型中，不稳定导热的控制方程的表达式为 22222TTctx2、2、c2分别为铸型材料的

20、密度、热导率、比热容 初始条件： T(x，0)T01(在铸件区域中) T(x，0)T02(在铸型区域中) T01为等于或略低于浇注温度TP，T02为室温或铸型预热温度 3322TTtx界面温度：在界面附近可以假定只有一维导热 为热扩散率，m2/s； /ac erf()2xTABatm0MPimMb Tb TTbbbM，bm分别为铸件和铸型的蓄热系数 bc34二、凝固潜热的处理 铸件在凝固过程中会释放出大量的潜热。铸件凝固冷却过程实质上是铸件内部过热热量（显热）和潜热不断向外散失的过程。其等效温度区间T* *pLLTc 对于纯铜T*为456,即表明凝固时放出的潜热量相当于温度下降456时所放出的

21、显热。可见，潜热对铸件凝固数值计算的精度起着非常关键的作用 3522SfTTcLtxtSSffTLLtTt22()SfTTcLTtx 如果固相分数fS和温度T的关系已知，就能很容易地进行数值求解。 由于合金材质不同，潜热释放的形式也不同，在数值计算中也应采取不同的潜热处理方法。常用的方法有：温度补偿法、等价比热法、热焓法等。 36 温度场 测温法测温度场是通过向被测物中安放热电偶来实现的，其主要技术是放置热电偶位置的选择和数据的处理。三、铸件凝固温度场的测量37凝固动态曲线 以无限长圆柱铸件为例，沿半径方向间隔一定距离放置热电偶，由仪器直接记录T-t曲线。根据T-t曲线做出圆柱横截面的温度场，

22、由图可确定任何位置和时刻的温度。 将液相线和固相线温度直线与T-t曲线各交点分别标注在x/R-t坐标系上，再将各液相线的交点和各固相线的交点分别相连，即得到液相线边界曲线和固相线边界曲线，二者组成动态凝固曲线(图d)。纵坐标中的x为型腔边缘到中心方向的距离，分母R是圆柱体半径。因凝固是从型腔边缘向中心推进的，所以x/R-t表示已凝固至中心。 38图e是根据凝固曲线绘制的圆柱体铸件横断面在t1时刻的凝固结构图。可见从边缘至0.2R间已凝固，即凝固层厚度为0.2R；0.2R至0.6R区间为凝固区；0.6R至1.0R区间为液相区。当液相边界和固相边界的水平距离愈宽时，则该铸件的凝固范围也愈宽。 39

23、 凝固方式及影响因素 动态凝固曲线的水平距离很小或等于零时，这时铸件凝固区很小或根本没有，称这种凝固方式为层状凝固方式； 如水平距离很宽，凝固范围很大时，称为糊状凝固(体积凝固)； 介于二者之间的为中间状凝固方式。 具有层状凝固方式的铸件，凝固过程中容易补缩，组织致密，性能好；具有体积凝固方式的铸件，不易补缩，易产生缩松、夹杂、开裂等缺陷，铸件的性能差。40影响铸件凝固方式的因素有二，一是合金的化学成分；二是铸件断面上的温度梯度。纯金属和共晶成分的合金，凝固区TL-TS0，属层状凝固；当合金的液相线温度和固相线温度相差很大时，此时凝固范围很宽，则称为体积凝固方式或称糊状凝固方式。但是，若温度梯度较小时，如图d所示的合金成分同图b完全一样，但后者的冷却速度慢，温度梯度小，导致铸件的凝固方式由层状变成糊状的凝固方式。 41层状凝固过程层状凝固过程层状凝固缩孔特点层状凝固缩孔特点体积凝固过程体积凝固过程体积凝固方式的缩松体积凝固方式的缩松42凝固数值模拟的步骤：实体造型网格剖分温度场流动场温度场与流动场的耦合计算结果图形图像显示(前处理)(计算)(后处理)三、数值模拟法43色标图色温分布华铸CAE模拟结果444546474849505152531. 理论计算001()mximTTTxt 铸件凝固时间计算：与铸件厚度及温度场（凝