液态金属的流动与充型

上大冶金先进凝固技术中心第一章液态金属的结构和性质第一节金属的膨胀及熔化第二节液态金属的结构第三节液态金属的性质第四节液态金属的研究方法上大冶金先进凝固技术中心司母戊鼎（商朝时期）高133厘米、口长110厘米、口宽79厘米、重875公斤（中国历史博物馆）上大冶金先进凝固技术中心第二章液态金属的流动与充型第一节基本概念第二节液态金属停止流动机理第三节影响充型能力的因素第四节充型过程与铸坯质量上大冶金先进凝固技术中心液态金属的充型作为金属液态加工的第一步，不仅影响着铸坯的外观形状，同时也直接影响着铸坯的内在质量。铸坯内部的气孔（blowhole/gasporosity）、夹杂(inclusion)和冷隔(coldshut)等许多缺陷都与充型过程有关。由于液态金属充型能力与其流动性密切相关，因此，本次课同时介绍流动与充型这两个密切相关又有区别的问题。引言上大冶金先进凝固技术中心充型能力(mold-fillingcapacity)：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。充型能力与金属液本身的流动能力及铸型性质等因素有关。流动性(fluidity)：液态金属本身流动的能力。流动性与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。表2-1给出了一些合金的流动性。充型能力与流动性的关系：充型能力是外因（铸型）和内因（流动性）的共同结果。外因一定时，流动性就是充型能力。第一节基本概念上大冶金先进凝固技术中心金属的流动性对于排出其中的气体、杂质和补缩、防裂，获得优质铸件有影响。金属的流动性好，气体和杂质易于上浮，使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸件。良好的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到金属的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的弥合，因此有利于这些缺陷的防止。液态金属的流动性上大冶金先进凝固技术中心流动性好的合金充型能力强，流动性差的合金充型能力也就较差。但是，可以通过改善外界条件提高其充型能力。在不利的情况下，由于液态金属的充型能力不好，则可能在铸件上产生“浇不足”、“冷隔”等缺陷。液态金属的流动性上大冶金先进凝固技术中心液态金属的流动性是用浇注“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，以试样的长度或试样某处的厚薄程度表示该合金的流动性。液态金属的流动性上大冶金先进凝固技术中心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，常常用固定条件下所测得的合金流动性表示合金的充型能力。因此，可以认为合金的流动性是在确定条件下的充型能力。液态金属的流动性上大冶金先进凝固技术中心一般用测定给定条件下的流动性来表示液态金属的充型能力。测定方法有：螺旋试样法（spiralsampletest）真空流动性测定法(vacuumfluiditytest)液态金属的流动性上大冶金先进凝固技术中心螺旋试样法（spiralsampletest）上大冶金先进凝固技术中心螺旋试样法（spiralsampletest）如图2－1所示，该方法有两个特点，一是在浇口杯上设置了高坝和低坝溢流槽，从而有效地控制浇注过程中金属液静压头的变化。二是将试样制成螺旋试样，一方面可以保证金属液流动的长度，同时可以减小铸型摆放不平对测量结果的影响。这种方法由于操作简单，在生产和科研中广泛应用。上大冶金先进凝固技术中心螺旋试样法（spiralsampletest）优点：操作简单、灵敏度高、对比形象、可供金属液流动相当长的距离，铸型水平度影响较小。缺点：金属流线弯曲，沿途阻力损失较大，流程越长，散热越多，故金属的流动条件和温度条件都在随时改变，这必然影响到所测流动性的准确度。此外，各次试验所用的铸型条件也很难精确控制，每做一次试验要造一次铸型，这都影响流动性的测量精度。上大冶金先进凝固技术中心螺旋试样法（spiralsampletest）表2-1一些合金的流动性（螺旋形式样，沟槽断面8×8mm）上大冶金先进凝固技术中心真空流动性测定法(vacuumfluiditytest)优点：铸型条件和液态金属的充型压头稳定；真空度可以随液态金属的密度不同而改变，使各种金属能在相同的压头下填充，从而增加了试验结果的可比性；可以观察充填过程，记录流动长度与时间的关系。缺点：实验装置比较复杂。上大冶金先进凝固技术中心研究液态金属停止流动机理的目的是考察影响液态金属流动性能的因素，并进而提高液态金属的充型能力。典型合金流动性比较实验：以纯金属Al和宽结晶温度范围的Al-Sn5%合金为例(图2－3)。纯Al无结晶温度范围，Al-Sn5%结晶温度范围为425℃，过热温度为83℃。实验结果如表2－2所示。第二节液态金属停止流动机理上大冶金先进凝固技术中心典型合金流动性比较实验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。上大冶金先进凝固技术中心合金流动性试样的宏观组织是等轴晶，离入口处越远，晶粒越细，试样前端向外突出。说明液态金属的温度是沿程下降的，液流前端冷却最快，首先结晶，当晶体达到一定数量时，便结成了一个连续的网络，发生堵塞，停止流动。上大冶金先进凝固技术中心典型合金流动性比较实验上述实验结果表明纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金与宽结晶温度范围合金的流动状况有明显的差异，这种差异很大程度上取决于金属停止流动的机理。上大冶金先进凝固技术中心实验结果表明纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金与宽结晶温度范围合金的流动状况有明显的差异，这种差异很大程度上取决于金属停止流动的机理。液态金属停止流动机理纯金属、共晶合金、窄结晶温度范围合金上大冶金先进凝固技术中心所示，纯金属和窄结晶温度范围合金停止流动的过程可以分为以下几个阶段:(a)过热量未完全散失前为纯液态流动（图2-4a)。(b)冷的前端在型壁上凝固结壳（图2-4ｂ)。(c)后边的金属液在被加热的管道中流动，冷却强度下降。如图２-４ｃ所示，由于液流通过I区终点时，尚有一定的过热度，将已经凝固的壳重新熔化，为第II区。所以，该区是液态金属停止流动机理先形成凝固壳，又被完全熔化。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IV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。前端液态金属凝固收缩，形成吸力，产生喇叭状缩孔。上大冶金先进凝固技术中心－5a所示，宽结晶温度范围的合金停止流动的过程可以分为以下几个阶段：有过热，纯液态流动。)温度低于液相线，析出晶体。析出的晶体顺流前进，并不断长大。前端冷却快，晶粒粗大。前端晶粒达到一定数量，结成一个连续的网络，阻碍后边的液态金属流动，通常液态金属前端析出15－20％的固相时，流动停止。所连成的网受到后面液态金属向前的推力，造成前突特征。液态金属停止流动机理宽结晶温度范围合金上大冶金先进凝固技术中心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，是一个不稳定的传热过程。因此，液态金属对铸型的填充也是一个不稳定的流动过程。由于影响此过程的因素很多，因此从理论上对液态金属的充型能力进行计算很困难。许多学者为简化计算，对过程作了各种假设，并且由于对液态金属停止流动机理的不同认识，得出了许多不同的计算公式。第三节影响充型能力的因素上大冶金先进凝固技术中心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（图2-6）。在一定的浇注条件下：I=vτ(2-1)式中v—在静压头H作用下液态金属在型腔中的平均流速；τ—液态金属进入型腔到停止流动的时间，可近似地认为等于浇注时间τ浇。液态金属充型能力的计算上大冶金先进凝固技术中心从水力学中已知：式中H—液态金属的静压头；μ—流量消耗系数。这里关键是流动时间τ的计算。根据液态金属不同的停止流动机理，τ有不同的计算方法。液态金属充型能力的计算上大冶金先进凝固技术中心对于宽结晶温度范围的合金，其液流前端不断地与型壁冷的表面接触，当阻塞区Δx的固相量达到某一临界值时，流动停止。在这种情况下可利用牛顿定律建立热平衡方程式。为使问题简化，对过程作如下假设：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液流横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，液流表面无热辐射，沿液流方向无热流