铸造合金凝固过程补缩机理的探讨

1、讨海思琪泰(讨海思琪泰(, 阳110015)摘要建立了描述铸造合金凝固过程补缩机理的数学模, 并应用数学模型对一些铸造方法的补缩效果进行了比较, 表明金属型差压铸造是 补缩能力最强的一种铸件成型方.关键词补缩, 数学模, 铸造合.分类号TG245言0液态金属在凝固过程中的体积收缩是造成铸件内出现缩缩松的根本原.对缩孔进行补缩的动力: 液态金属的表面张, 液态金属的压力包括液态金属的静压力 和外界的附加压. 阻碍液态金属补缩的力: 补缩液体流向缩孔时的粘性摩擦, 晶间通道 的局部阻力, 低压和差压铸造中的金属液自重. 在固定的生产条件下, 液态金属的体收缩率及结晶潜热无法改, 而其余各因素是制约

2、还是促进补缩, 将是本文要探讨的内.析1以低压和差压铸造为例, 探讨由上至下顺序凝固的补缩问. 这涉及到固相骨架基本形成时的状, 如图1 所. 在固相骨架形成初, 晶间通道可相互连成一片, 且认为凝固过程无偏 析存, 即液态金属的表面张力密度及结晶温度间隔T 均不. 此时, 可将补缩过程简 化为缝隙层流运, 如图2 所. 推动液态金属进行补缩的力F1 为F1 =B P + B (1)其中B分别为补缩通道的宽度和厚. 阻碍补缩的力F2 为12L B+ B L g(2)F2 =u液态金属补缩速度1 ;g 重力加速;液态金属的动力粘.式中: 1996- 01- 22第2 期李玉海:铸造合金凝固过程补

3、缩机理的探讨37图1 图图2 图式(2)中加号前的部分为缝隙间层流运动的粘性阻. 由于所流经的并非是平板间的平行通道, 而是弯曲的晶粒间隙, 第2 期李玉海:铸造合金凝固过程补缩机理的探讨37图1 图图2 图式(2)中加号前的部分为缝隙间层流运动的粘性阻. 由于所流经的并非是平板间的平行通道, 而是弯曲的晶粒间隙, 因而阻力要比按平板间平行缝隙进行计算时大很多倍2 . 令该倍 数为, 则式(2)可写成12L B +(3)F2 =B L g与形成固相骨架的液固共存区厚晶粒大小和数量及晶粒在空间的排列状取向有, 一般可近似表示为关2T =(4)GD式中T 合金的结晶温度范, T ;G合金在液固共存

4、区的温度梯,G ;补缩通道的实际长度与液固共存区的厚度之比, 一般 ;D 晶粒的平均直;系.由于在补缩通道的曲折路径, 越伸向已凝固的固体层, 液相体积分数越, 温度亦越低,路径亦越窄小, 加之液态金属粘度迅速增, 因而每出现一次曲折, 其阻力增加的值足以同假 设的间隙不变时的整个沿程阻力相当, 故系数是一个接近1的. 式(3)中加号后部分 由于低压及差压铸造时的重力将阻碍补, 因而将其放在阻碍补缩式. 式(1)与式(3)的差值将造成液态金属薄层向上运动的. 由牛顿第二运动定律知du + 122+(5)2 u =P L - gdt上式的解析解难以求出, 须进行近似处理, 即认为液态金属是以均速

5、进行补缩, 亦即du =dt0, 则式(5) 可写成21 2+u =P - g(6)12 L沈阳工业学院学报1997 年38由于L = (T G) L 0), 因而要求G 0, 将L , 代入式(6), 得2DGG2+P - g(7)u =12T T 将速度u 的单位取为液态金属单位时间内流过的晶粒个数, 则式(7)可写成2GG2沈阳工业学院学报1997 年38由于L = (T G) L 0), 因而要求G 0, 将L , 代入式(6), 得2DGG2+P - g(7)u =12T T 将速度u 的单位取为液态金属单位时间内流过的晶粒个数, 则式(7)可写成2GG2+u=P - g(8)D12

6、 T T 随着温度的降, 原来连成片的补缩通道将缩小成类似孔隙的通道, 这时可用毛细管的模型来计算其补缩情, 则式(8)可写成2G4+ud G(9)=P - gD32 T d 毛细管内.T d式中比较式(8)与式(9)可知, 其机理完全一致, 只是毛细管模型的补缩速度比平板模型的补缩速度更小一. 所以动力粘度可表示为3k1ek2T(10)=式中k1与金属原子间作用有关的常;k2与原子移动的激活能有关的常;T 液态金属在凝固点的温.液态金属层厚度可表示为= 0 - k30当时间t = 0 时液态金属层的厚;k3与铸型性质有关的常.(11)t式中将代入式(8), 有 (0 - k3 t ) G 2

7、 2 u = G + P- g(12)12k1 ek2T T T D0- kt3t ) 0, 而ek2T 将由于T 的降低而剧增, 因而uD由式(12) 可知, 随着t增加, (0 - 2k3将很快趋于零, 亦即停止补.对于重力铸造, 金属液自重力为补缩动. 因而对于平板层流模型, 补缩速度u的表达式为t )G 2 u(0 - k3 G + P+ ()=g1312k1 ek2T T T D -0k3t对于毛细管模型, 表达式为udG G 4=+P + g(14)D32 T T d较2首先对各种铸造方法的压力P 做如下说.重力铸造P= P0 + gh(15)第2 期李玉海: 铸造合金凝固过程补缩

8、机理的探讨39差压铸造低压铸造 真空低压铸造 以上各式中P0大气;ghP -P -(16)(17) (18)P =P =P=P1 -P0 +P0 -ghghh冒口上沿(或坩埚液面) 到液固界面的高;P1同步进气压;P 保压时的压力(或真空第2 期李玉海: 铸造合金凝固过程补缩机理的探讨39差压铸造低压铸造 真空低压铸造 以上各式中P0大气;ghP -P -(16)(17) (18)P =P =P=P1 -P0 +P0 -ghghh冒口上沿(或坩埚液面) 到液固界面的高;P1同步进气压;P 保压时的压力(或真空.1) 差压铸造与重力铸造相比较令n 为差压铸造与重力铸造补缩能力之比, 则由式(9)

9、式(14) 有4+GP1 -gh-1 T gd(19)n =4dGgh+P0 +1 T g将101 铝合金数据4 代入上: T 30; P0105P; 520 10- N m; 255103kgm; g 981ms2 并令d10- m, P1 =7 105Pa, 则有17 G-75(20)n = 1 G75 +1砂型差压铸造底注法生产薄壁壳体件时, 其下面温度可达700左右, 而上面温度经常可达凝固, 即500左. 若件高为1m, 则G = 200m. 令= 10, 代入式(20) 可得n=这说明差压铸造的补缩能力比砂型铸造约强4 5 .2) 低压铸造与真空低压铸造相比较 同理得4.4+GP0

10、 + P -gh-1 T gdn =(21) G 4P0 - P-+gh-1 T gd一般, P 005M Pa, P 008M Pa, 将数据代入式(21) 得(其它数据同前)1 G-15(22)n = 1G38 -1令G = 200m, = 10, 则有n = 3(- 0474. 由此可, 真空低压铸造的补缩能力与低压铸造相差甚, 这正是真空低压铸造不能得到广泛应用的原.3) 差压金属型铸造与重力砂型铸造相比较根据文献5可知, 金属型温度梯度可比砂型大近百倍, 因而式(20) 又可写成77 G金 - 1100 -7575G砂 510n =(23) 1 1 G砂75 +175 +G砂沈阳工业

11、学院学报1997 年40由式(23)可知, 金属型差压铸造的补缩能沈阳工业学院学报1997 年40由式(23)可知, 金属型差压铸造的补缩能力远大于砂型重力铸造, 是一种很有前途的铸造方.3型. 1验证公式的合理性. 温度梯度G: 当G 增大, u 亦增, 即补缩能力增; 当G 为零, u = 0, 即同时凝固,无补缩可能, 合. 合金结晶温度区间T: 当T 增大, u 急剧变, 即补缩能力剧, 此时为粥状凝,不易补, 合. 金属液的动力粘度: 增大, u 变小, 合. 液态金属的表面张力: 大, u 亦. 但由于值较, 故影响不明. 真空铸造时的作 用才较大些, 这也是正确. 外界压力P:

12、P 大, u 则大, 它是整个数学模型的主值. 由式(16) 知差压铸造的P 很大,因而补缩能力大为增. 而由式(18) 知, 真空低压铸造的补缩能力剧减, 故高真空度低压铸造 在生产中应用并不. 液态金属的密度: 大时在重力铸造中将强化补, 而在反重力铸造时会削弱补缩, 合 . 液态金属的补缩速度u: 设二种金属凝固时的体收缩率分别为2, 其形状相同, 体积 均为V 0, 凝固后要得到没有缩孔的组. 所需补缩金属液体积分别为V V 0, 这些液体都要通过收缩缝隙进入被补缩部. 但收缩缝隙的体积总和也分别为V V . 因此这些通道V 0V 0的过流面积也应对应为1 L 2 L . 如果这两种金

13、属是在相同的时间内完成凝, 则补缩通道 V 0 V 0 L L 内的液态金属流速应为u1 =, 即u =因此,=; u2 =u1 = u.tttt1 V 0 2 V 0 LL无论液态金属凝固时的体收缩率多大, 其补缩时的液流速度均不. 因而对于体收缩大的金属不必增加补缩压, 只要提供足够的补缩液体即. 2分析公式探讨影响补缩的重要因素及提高补缩效果的途径由式(9)可知, u 与G2 成正, 与T 2 成反, 故决定补缩能力的关键是G 与T. d 是铸件凝固时从大到小都要必经, 没有研究价. 从数量级分析可: P 4d; GP T ) g, 因而决定u 的主导量是. 事实上式(9) 中T在现有生

14、产条件下无法改. 而d 又是不能控制的从大到小必经的, 比较方便且可以变化的量只有P. 因而为了使补缩能 力增, 只能增加P 和G, 这说明使用金属型差压铸造是最佳选.由(9) 式可, 表面张力及压力P 都是表面力, 若要参与补缩, 则必须克服液态金属在晶 间通道中的流动阻. 因此, 与P 都必须与GT 相. 而 g 是质量, 它可直接参与 补缩而不受晶间通道的制约, 因而其补缩效率要比与P . 但由于 g 的数量级比P 小很第2 期李玉海: 铸造合金凝固过程补缩机理的探讨41多, 因而在实践中才没有引起人们的重. 但在离心铸造第2 期李玉海: 铸造合金凝固过程补缩机理的探讨41多, 因而在实

15、践中才没有引起人们的重. 但在离心铸造, 它的数量级猛增到106 (RW 2) 左右, 此时质量力就成为补缩作用的主导. 由此可: 离心铸造特别适合于密度大, 结晶温度范 围宽而温度梯度又较小的这类金.由以上分析可知, 通过下列途径可以提高补缩效. 对结晶温度范围宽的合, 为减少缩孔, 最好的办法是增加温度梯度G, 或增大凝固时 的外界压力. 由式(9) 可算: 当G 增大一倍时, 则相当于减小T 一; 而凝固时每增大外界压力n 倍, 就相当于使结晶温度间隔变为T /n , 即减小1/ n . 正如文献6所指:用差压铸造法生产铸件时, 用A 9合金(相当于我国的101铝合), 其密度增大000

16、7gm;在韧性方面, A 9增大30 ; 而A 19增大43 . 这说明宽结晶温度间隔的合金用增大P 的 差压铸造方法更能提高其性. 由式(9) 可: 真空条件下凝固的铸, 其致密性远不如高压条件下凝固的铸. 钛合金铸件最好的成型方式是在充满惰性气体的高压炉内浇注成. 真空低压铸造不仅不利于补 缩, 而且由于外界压力剧减, 溶解于金属液内的气体更易析, 形成较多的气孔, 这种铸造方法是没有前途. 由式(9) 的数量级分析可: 由于gh P0, 且gh P1, 因而在补缩动力中因冒口高度h 所造成的分量是很小的, 而补缩动力主值项是压力. 差压铸造时P =gh; 重力铸P1 -造时P = P0

17、+ g. 由此看, 完全没有必要在铸件的补缩工艺中去增大冒口高度, 而只要保证有足够的贮备液即. 保温发热冒口由于可大大延长冒口的凝固时间, 可大大减小冒口的体 积和高, 这并未影响冒口的补缩效. 无论何种铸, 其冒口形状都应以模数最大为. 此 外, 从式(9) 亦可: 对于T 较大, 而G 较小的情况, 增大补缩冒口高度的意义不, 砂型铸造灰铁时一般冒口都不.4语1) 本文建立的数学模型能够很好地解释传统工, 说明了该数学模型在理论上的正确.2) 通过对数学模型中各项参数进行分, 认为压力P温度梯度G 是影响补缩效果的重要因.3) 运用数学模型对各种铸造方法进行比较表: 高真空状态下铸造成型

18、的铸件难以获得 高致密, 差压铸造的补缩效果远高于重力铸造, 而金属型差压铸造是目前补缩能力最强的铸件成型方.参考文献1 . . : , 199. 101032 . . . : , 198. 242473 . . : , 198. 1174 . 册(3. : , 198. 4475 . . , 1995(2): 119沈阳工业学院学报1997 年42沈阳工业学院学报1997 年42Study on FeedngM echanim n oldfcatonPocess of Castng A loyL i YuhaiGo Guangsi W angL anqiDp. ofM ateral Engneerng, Shenyang nsttute of Techoogy, Shenyang 110015)The mathmatcalmodel