流动性与充型能力

流动性与充型能力第1页，课件共32页，创作于2023年2月液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，叫做液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。液态金属的充型能力首先决定于其本身的流动能力，同时又受到外界条件如铸型性质、浇注条件、铸型结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。液态金属本身的流动能力称为流动性，它由液态金属的成分、温度、杂质的含量等决定，与外界因素无关。流动性是确定条件下的充型能力。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。在不利的情况下，由于液态金属充性能力不好，则可能在铸件上产生"浇不足"、"冷隔"等缺陷。

、液态金属的流动性与充型能力第2页，课件共32页，创作于2023年2月流动性对于排除液体金属中的气体和杂质，凝固过程中的补缩，防止开裂，获得优质的液态成形产品，有着重要的影响。液态金属的流动性越好，气体和杂质越易于上浮，使金属液得以净化。良好的流动性有利于防止缩松、热裂等缺陷的出现。液态金属的流动性越好，其充型能力就越强，反之其充型能力就差。一般来说，液态金属的粘度越小，其流动性就越好，充型能力越强。第3页，课件共32页，创作于2023年2月螺旋型试样液态金属的流动性可用试验的方法进行测定，最常用的是用浇注“流动性试样”的方法衡量的。在实际中，是将试样的结构和铸型性质固定不变，在相同的浇注条件下，例如在液相线以上相同的过热度或在同一的浇注温度下，浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度来表示该合金的流动性。由于影响液态金属充型能力的因素很多，很难对各种合金在不同的铸造条件下的充型能力进行比较，所以，常常用上述固定条件下所测得的合金流动性来表示合金的充型能力。第4页，课件共32页，创作于2023年2月常用合金的流动性(试样截面8mm×8mm)第5页，课件共32页，创作于2023年2月纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动，图a)，为Ⅰ区。金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，图b)，而后的金属液是在被加热了的沟道中流动，冷却强度下降。由于液流通过Ⅰ区终点时，尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，为第Ⅱ区。所以，该区是先形成凝固壳，又被完全熔。第Ⅲ区是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。在第Ⅳ区里，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晶开始较早，断面上结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞，图c)。二、液态金属停止流动机理第6页，课件共32页，创作于2023年2月对于宽结晶温度范围的合金，在液态金属的过热热量完全散失之前也是纯液态流动。随流动继续向前，液态金属的温度降至合金的液相线以下，液流中开始析出晶体，顺流前进并不断长大。液流前端由于不断与型壁接触，冷却最快，析出晶粒的数量最多，使金属液的粘度增大，流速减慢。当晶粒数量达到某一临界值时，便结成一个连续的网络。若造成金属液流流动的压力不能克服此网络的阻力，就发生阻塞而停止流动。合金的结晶范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出相对较少的固相量，亦即在相对较短的时间内，液态金属便停止流动。试验表明，在液态金属的前端析出15~20%的固相量时，流动就停止。结晶温度范围很窄宽的合金的停止流动机理第7页，课件共32页，创作于2023年2月三、液态金属充型能力的计算液态金属是在过热情况下充填铸型的，与铸型之间发生着强烈的热交换，是一个不稳定传热过程，因此，液态金属对铸型的充填也是一个不稳定的流动过程。l=vt主要是计算流动时间t假设以某成分合金浇注一水平棒形试样，合金的充型能力以l表示。V:在静压头H作用下液态金属在型腔中的平均流速t:液态金属自进入型腔到停止流动的时间

由流体力学原理可知H:液态金属的静压头，

:流速系数第8页，课件共32页，创作于2023年2月假设：①铸型与液态金属接触表面的温度在浇注过程中不变；②液态金属在型腔中以等速流动；③液流断面上各点温度是均匀的；④热量按垂直于型壁的方向传导，不考虑对流与辐射。以宽凝固范围的合金为例，时间t分为两个阶段第一阶段：从浇注温度到液相线温度液态金属流动的时间t1第二阶段：由液相线温度到停止流动的时间t2流动时间t＝t1+t2第9页，课件共32页，创作于2023年2月第一阶段(t1)距液流端部

x的dx元段，在dt时间内通过表面积dA散出的热量，等于该时间内金属温度下降dT放出的热量，热平衡方程式为

T：dx元段的金属温度，℃T型：铸型的初始温度，℃dA：dx元段与铸型相接触的表面积，m2t：时间，sdV：元段的体积，m3

1：液态金属的密度，kg/m3c1：液态金属的比热，J/kg·℃

：换热系数，W/m2·℃第10页，课件共32页，创作于2023年2月式中F--试样的断面积，m2P--断面积F的周长，m 当t=

x/v时，T=T浇；T=TL时，t=t1；上式积分后得：

式中TL--合金的液相线温度，℃

T浇--合金的浇注温度，℃第11页，课件共32页，创作于2023年2月第二阶段（t2）金属液继续向前流动时开始析出固相，此时热平衡方程式为式中

--合金在TL到Tk（停止流动温度）温度范围内的密度，近似地取ρ*=ρ1

--合金在TL到Tk温度范围内的当量比热，近似地取

k--停止流动时液流前端的固相数量

L--合金的结晶潜热，J/kg第12页，课件共32页，创作于2023年2月当t=t1时，T=TL;t=t2时,T=Tk,上式积分后得液态金属总的流动时间t=t1+t2

第13页，课件共32页，创作于2023年2月液态金属的充型能力l将对数项展开取第一项：并近似地以()代替第14页，课件共32页，创作于2023年2月略去

x项第15页，课件共32页，创作于2023年2月四、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施第一类因素——金属性质方面：

1，c1,

1,L,

,

,T(结晶特点)第二类因素——铸型性质方面：

2，c2,

2,T型，涂料层，透气性第三类因素——浇注条件方面：T浇，H(压头)，外力场第四类因素——铸件结构方面：铸件厚度，结构复杂程度(型腔)第16页，课件共32页，创作于2023年2月1．

金属性质方面的因素1）

合金成分合金的流动性与其成分之间存在着一定的规律性。在流动性曲线上，对应着纯金属、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。第17页，课件共32页，创作于2023年2月第18页，课件共32页，创作于2023年2月图Fe-C合金状态图与流动性的关系第19页，课件共32页，创作于2023年2月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。第20页，课件共32页，创作于2023年2月2）结晶潜热结晶潜热约占液态金属热含量的85%～90％，但是，它对不同类型合金流动性的影响是不同的。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。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。

第21页，课件共32页，创作于2023年2月第22页，课件共32页，创作于2023年2月3）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。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速，一般都是紊流运动。粘度的影响是不明显的。在充型的最后很短的时间内，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。第23页，课件共32页，创作于2023年2月5）表面张力造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角

＞90o。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。第24页，课件共32页，创作于2023年2月2．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。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。经常采用涂料调整铸型的蓄热系数和导热系数。铸型的蓄热系数

第25页，课件共32页，创作于2023年2月2）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。第26页，课件共32页，创作于2023年2月2）充型压头液态金属在流动方向上所受的压力越大，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