1、1.2.1 液态金属的流动性与充型能力液态金属的流动性与充型能力 液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件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充型能力。液态金属的充型能力首先决定于其本身的流动。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。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液态金属本身的流动能力称为流
2、动性流动性，它由液态金属的成，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。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，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。来提高充型能力。在不利的情况下，由于液态金属充性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不好，则可能在铸件上产生浇不足浇不足、冷隔冷隔等缺陷。等缺陷。一一、液态金属的流动性与充型能力、液态金属的流动性与充型能力流动性对于排除液
3、体金属中的气体和杂质，凝固过程中的补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。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，其流动性就型能力就差。一般来说，液态金属的粘度越小
4、，其流动性就越好，充型能力越强。越好，充型能力越强。螺旋型试样螺旋型试样 液态金属的流动性可用试验的方法进液态金属的流动性可用试验的方法进行测定，最常用的是用浇注行测定，最常用的是用浇注“流动性流动性试样试样”的方法衡量的。的方法衡量的。在实际中，是将试样的结构和铸型性在实际中，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，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流动性试样，以试样的长度来表示该合金的流动性。合金的流动性。由于影响液态金
5、属充型能力的因素很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。动性来表示合金的充型能力。常用合金的流动性常用合金的流动性(试样截面试样截面8mm8mm)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，在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动，图图a)，为，为区。区。金属液继续流动，冷的前端
6、在型壁上凝固结壳，金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，图图b)，而后的金属液是在被加热了的沟道中流，而后的金属液是在被加热了的沟道中流动，冷却强度下降。由于液流通过动，冷却强度下降。由于液流通过区终点时，区终点时，尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，为第为第区。所以，该区是先形成凝固壳，又被区。所以，该区是先形成凝固壳，又被完全熔。完全熔。第第区是未被完全熔化而保留下来的一部分固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。相区，在该区的终点金属液耗尽了过热热量。在第在第区里，液相和固相具有相同的温度：区里，液
7、相和固相具有相同的温度：结结晶温度。由于在该区的起点处结晶开始较早，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断面上结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞，图塞，图c)。二、液态金属停止流动机理二、液态金属停止流动机理 对于宽结晶温度范围的合金，在液态金属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。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，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。顺流前进并不断长大。液流前端由于
8、不断与型壁接触，冷却最快，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，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。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。对较短的时间内，液态
9、金属便停止流动。试验表明，在液态金属的前端析出试验表明，在液态金属的前端析出1520%的固相量时，流动就停止。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结晶温度范围很窄宽的合金的停止流动机理 三、液态金属充型能力的计算三、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。一个不稳定的流动过程。l=v t 主要是计算流动时间主要是计算流动时间tgHv2假
10、设以某成分合金浇注一水平棒形试样，合金的充型能力以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。表示。V:在静压头在静压头H作用下液态金属在型腔中的平均流速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由流体力学原理可知 H:液态金属的静压头，液态金属的静压头，:流速系数流速系数 假设：假设：铸型与液态金属接触表面的温度在浇注过程中不变；铸型与液态金属接触表面的温度在浇注过程中不变；液态金属在型腔中以等速流动；液态金属在型腔中以等速流动；液流断面上各点温度是均匀的；液流断面上各点温度是均匀的；热量按垂直
11、于型壁的方向传导，不考虑对流与辐射。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，时间以宽凝固范围的合金为例，时间t分为两个阶段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第二阶段：由液相线温度到停止流动的时间t2流动时间流动时间tt1+t2第一阶段第一阶段(t1)距液流端部距液流端部 x的的dx元段，在元段，在dt时间内通过表面积时间内通过表面积dA散出的热量，等散出的热量，等于该时间内金属温度下降于该时间内金属温度下降dT放出的热量，热平衡方程式为放出的热量
12、，热平衡方程式为 TcdVt）dAT(T型dd11T：dx元段的金属温度，元段的金属温度，T型型：铸型的初始温度，铸型的初始温度，dA：dx元段与铸型相接触的表面积，元段与铸型相接触的表面积，m2t：时间，时间，sdV：元段的体积，元段的体积，m3 1：液态金属的密度，液态金属的密度，kg/m3c1：液态金属的比热，液态金属的比热，J/kg：换热系数，换热系数，W/m2PFPdxFdxdSdV)(11型TTdTPcFdtvxTTTTPcFt型L型浇ln111式中式中 F-试样的断面积，试样的断面积，m2 P-断面积断面积F的周长，的周长，m当当t=x/v时，时，T=T浇浇；T=TL时，时，t=
13、t1；上式积分后得：；上式积分后得：式中式中 TL-合金的液相线温度，合金的液相线温度，T浇浇-合金的浇注温度，合金的浇注温度，第二阶段（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TCdVdATTddt)(*1*1型*1*1c式中式中 -合金在合金在TL到到Tk（停止流动温度）温度范围内的密度，近似地取（停止流动温度）温度范围内的密度，近似地取*=1 -合金在合金在TL到到Tk温度范围内的当量比热，近似地取温度范围内的当量比热，近似地取kLTTkLcc1*1 k-停止流动时液流前端的固相数量停止流动时液流前端的固相数
14、量 L-合金的结晶潜热，合金的结晶潜热，J/kg)(*11型TTdTPcFdt当当t=t1时，时，T=TL;t=t2时时,T=Tk,上式积分后得上式积分后得 型型TTTTPcFtkLln*112液态金属总的流动时间液态金属总的流动时间t=t1+t2 vxTTTTcTTTTcPFtLkL)lnln(1*11型型浇型型 液态金属的充型能力液态金属的充型能力l xTTTTcTTTTcPFvvtlLkL)lnln(1*11型型浇型型将对数项展开取第一项：将对数项展开取第一项：型型型型TTTTTTTTkLkLln型型浇型型浇TTTTtTTTLLln并近似地以并近似地以(型TTL)代替代替 型TTk型浇型
15、型浇型型TTTTckLTTTTcTTTTcLkLkL)(lnln11*1型浇TTTTckLPFvlLk)(11略去略去 x项项 gHv2型浇TTTTckLPFHlLk)(2g11四、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施四、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施第一类因素第一类因素金属性质方面：金属性质方面：1，c1,1,L,T(结晶特点结晶特点)第二类因素第二类因素铸型性质方面：铸型性质方面：2，c2,2,T型型，涂料层，透气性，涂料层，透气性第三类因素第三类因素浇注条件方面：浇注条件方面：T浇浇，H(压头压头)，外力场，外力场第四类因素第四类因素铸件结构方面：铸件结构方面：铸件厚度，结构复
16、杂程度铸件厚度，结构复杂程度(型腔型腔)型浇TTTTckLPFHlLk)(2g111 金属性质方面的因素金属性质方面的因素1）合金成分合金成分 合金的流动性与其成分之间存在着一定的规律性。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。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，合金合金成分对流动性的影响，主要是成分不同时，
17、合金的结晶特点不同造成的。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。合金的根本原因。图图 Fe-C合金状态图与流动性的关系合金状态图与流动性的关系 铸铁的结晶温度范围一般都比铸钢的宽，可是铸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，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
18、使钢液失去流动快，很快就析出一定数量的枝晶使钢液失去流动能力。能力。初生晶的形态影响流动性，如果初生晶为树枝晶，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。园形、方形等形态，对流动的阻碍就小。2）结晶潜热）结晶潜热 结晶潜热约占液态金属热含量的结晶潜热约占液态金属热含量的85%90，但是，它，但是，它对不同类型合金流动性的影响是不同的。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
19、固定温度下凝固，在一般的浇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。行得越缓慢，流动性就越好。对于结晶温度范围较宽的合金，散失约对于结晶温度范围较宽的合金，散失约20潜热后，晶潜热后，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发挥,所以对流动性的影响不大。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
20、并非最大值，而在合金的流动性，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。小的机械强度，不形成坚强的网络，结晶潜热得以发挥。硅相的结晶潜热比硅相的结晶潜热比 相大三倍。相大三倍。3）金属的比热、密度和导热系数）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持流动的时
21、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。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 粘度对层流运动的流速影响较大；对紊流运动的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，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，由于通道面积缩小的最后很短的时间内，由于通道面积缩小,或由于液流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中出现液固混合物时，而此时因温度下降粘度显著增加
22、，粘度对流动性才表现出较大的影响。加，粘度对流动性才表现出较大的影响。5）表面张力）表面张力 造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角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。率半径超小，表面张
23、力的影响则越大。2铸型性质方面的因素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。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 铸型的蓄热系数表示铸型从金属吸取并储存热量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较小，使金属与铸型之间在较长时间内保持较大的温
24、差。差。经常采用涂料调整铸型的蓄热系数和导热系数。经常采用涂料调整铸型的蓄热系数和导热系数。2222Cb 铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数 2）铸型的温度）铸型的温度 预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高其充型能力。其充型能力。3）铸型中的气体）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浇注条件方面的因素 1）浇注温度）浇注温度 浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的影浇注温度对液态金属的充型能力
25、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。高而直线上升。2）充型压头）充型压头 液态金属在流动方向上所受的压力越大，充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、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。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 浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，在静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。压头相同的情况下，充型能力就越降低。4.铸件结构方面的因素铸件结构方面的因素（1）铸件的折算厚度）铸件的折算厚度R)()()()(断面的周长铸件的断面积或铸件的散热表面积铸件的体积PFRSVR铸件的壁越薄，铸件的壁越薄，R就越小，不易被充满。就越小，不易被充满。（2）铸件的复杂程度）铸件的复杂程度铸件越复杂，厚薄部分过度面多，则型腔结构复杂，铸件越复杂，厚薄部分过度面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，铸型充填困难。流动阻力大，铸型充填困难。作业作业
