液态金属的流动性及充型能力

液态金属的流动性及充型能力
液态金属充填过程是铸件形成的第一阶段，铸件的许多缺陷是在这个过程中形成的。

为了获得优质健全的铸件，必须掌握和控制这个过程。

为此，研究液态金属充满铸型的能力，以便得到形状完整、轮廓清晰的铸件，防止在充型阶段产生缺陷
一、充型的概念
液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性又叫做充型能力。

液态合金的流动性愈好，不仅易于铸造出轮廓清晰，薄而形状复杂的铸件，而且有助于液态合金在铸型中收缩时得到补充，有利于液态合金中的气体及非金属夹杂物上浮与排除。

若流动性不好，则易使铸件产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩松等缺陷
液态金属充填铸型是一个复杂的物理、化学和流体力学问题，涉及到金属液的各种性质，如密度、黏度、表面张力、氧化性、氧化物的性质及润湿性等。

充型能力的大小影响铸件的成型，充型能力较差的合金难以获得大型、薄壁、结构复杂的健全铸件
而良好的流动性能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到液态金属的补充，铸件在凝固末期受阻出现的热裂可以得到液态金属的充填而弥合，有利于防止缺陷产生液态合金流动性的好坏，通常以螺旋形流动性试样的长度来衡量。

如图2-3所示，
将液态合金注入螺旋形试样铸型中，冷凝后，测出其螺旋线长度。

为便于测量，在标准试样上每隔50mm 作出凸点标记，在相同的浇注工艺条件下，测得的螺旋线长度越长，合金的流动性越好。

常用合金的流动性如表2-1所示。

其中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铝合金次之，铸钢最差
通常，流动性好的合金，充型能力强;流动性差的合金，充型能力差，在实际的铸造生产中，可以通过改善外界条件来提高其充型能力，根据铸件的要求及合金的充型能力采取相应的工艺措施以获得健全的优质铸件。

二、影响充型能力的因素
影响充型的因素是通过两个途径发生作用的:一是影响金属与铸型之间的热交换条件，从而改变金属液的流动时间；二是影响液态金属在铸型中的水力学条件，从而改变金属液的流速。

影响液态金属充型的因素很多，可以归纳为四类:
①第一类因素，属于金属性质方面的，主要有金属的密度、比热、导热系数、结晶潜热、动力黏度、表面张力及结晶特点等。

不同的合金，其流动性有很大差异，对同种合金而言，化学成分不同，其流动性也不同。

当熔化至液相线以上相同温度时，纯金属、共晶成分和化合物具有最大的充型能力，而位于结晶温度间隔最大处的合金其充型能力最小。

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。

纯金属、共晶成分和化合物是在固定温度下凝固的，已凝固的固体层从铸件表面逐层向中心推进，与尚未凝固的液体之间界面分明，且固体层内表面比较平滑，对液体的流动阻力小，即流动速度大。

另外，这几类合金在析出较多的固相时，才停止流动，流动的时间较长，所以它们的流动性好。

具有宽结晶温度范围的合金在型腔中流动时，由于在铸件断面上既存在着发达的树枝晶，又有未凝固的液体与固相混杂的两相区，而且越靠近液流前端枝晶数量越多，所以当液流前端枝晶数量达到临界值时，金属液就停止流动;合金的结晶温度间隔越宽，两相区就越宽，枝晶也就越发达，金属液就越早地停止流动，所以流动性差。

主要是由于树枝晶使固体层内表面粗糙，增加了对液态合金流动的阻力。

合金的结晶温度范围愈宽，则液固两相共存的区域愈宽，液态合金的流动阻力愈大，故流动性愈差。

显然，合金成分
愈接近共晶成分，流动性愈好。

图2 -4所示为 Fe-C合金的流动性与含C量的关系。

由图图2-4 可见，
亚共晶铸铁随含C量的增加，结晶温度范围减小，流动性提高
②第二类因素属于铸型性质方面的主要有铸型的蓄热系数、密度、比热、导热系数、温度、涂料层和发气性、透气性等。

铸型的阻力影响金属液的充填速度，铸型与液态金属的热交换强度影响其流动时间。

因此，通过调整铸型的热物理性质来改善金属的充型能力往往能收到良好的效果。

比如，预热铸型能减少金属液与铸型的温度差，减少两者的热交换，从而提高其充型能力
铸型材料的导热速度愈大，液态合金的冷却速度愈快，从而使其流动性变差。

如液态合金在金属型中的流动性比在砂型中差; 铸件壁厚过小，形状复杂，会增加液态合金的流动阻力，也会降低合金的流动性。

因此，设计铸件时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值，并力求形状简单
型砂含水分多或铸型透气性差，会使浇注时产生大量气体且又不能及时排出，造成型腔内气体压力增大，使液态合金流动的阻力
增加，从而降低合金的流动性。

因此，提高铸型的透气性，减少型砂的水分，多设出气口等，有利于提高液态合金的流动性
当铸型具有一定的发气能力时，在液态金属和铸型之间形成一层气膜，减少流动的摩擦力，有利于充型。

根据实验研究，湿砂型中加入小于6%的水和小于7%的煤粉时，液态金属的充型能力提高，但水和煤粉含量过高时，充型能力则下降。

水、煤粉和其他有机物含量过高时，液态金属的冷却速度加大，在金属液的热作用下，型腔中的气体膨胀，铸型中的水分大量蒸发，煤粉及有机物燃烧产生大量气体，如果不能及时排出，则会阻碍金属液流动
③第三类因素，属于浇注条件方面的，主要有液态金属的浇注温度、静压头，浇注系统中压头的损失及外力场拯力、真空、离心、振动勘的影响等
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，浇注温度提高，增加了合金的过热热量，合金单位体积的热含量增加，充型能力随浇注温度的提高而直线上升;超过一定温度后，由于金属吸气增多，氧化严重，充型能力则下降
充型压头越大，液态金属在流动方向上所受的压力越大，液态金属流动速度越大，充型能力越好。

生产中常用增加液态金属静压头的方法提高充型能力，但是，液态金属充型速度过高时，会发生喷射和飞溅现象，增加金属液的氧化，产生“铁豆”缺陷，而且型腔中气体来不及排出，反压增加，造成浇不足或冷隔缺陷
浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，静压头相同时，充型能力越差。

在铝合金、镁合金铸造中，为使金属液流动平稳，常采用蛇形及扁平状直浇道，流动阻力越大，充型能力显著下降
中减少薄壁铸件的浇不足、冷隔等缺陷的重要措施。

但浇注温度过高，铸件易产生缩孔、缩松、黏砂、气孔、粗晶等缺陷，在保证铸件薄壁部分能充满的前提下，浇注温度不宜过高。

各种合金的浇注温度范围是:铸铁为1230-.14500C;铸钢为1520-16200C; 铝合金为680--780gC。

薄壁复杂件取上限，厚大件取下限
④第四类因素，属于铸件结构方面的，主要有铸件的折算厚度，及由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失
在铸件体积相同、浇注条件一致时，折算厚度大的铸件，由于其与铸型接触的表面积小，散热慢，则充型能力好。

铸件壁越薄，折算厚度越小，则不易被充满。

铸件结构复杂，薄壁部分过渡面多，型腔的结构复杂程度增加，流动阻力大，充型能力也会下降
三、常用提高充型能力的措施针对影响充型能力的因素提出改善充型能力的措施，仍然可以从上述四类因素入手
①合金设计方面，在不影响铸件使用性能的情况下，可根据铸件大小、厚薄和铸型性质等因素，将合金成分调整到共晶成分附近;采取某些工艺措施，使合金晶粒细化，也有利于提高充型能力
由于夹杂物影响充型能力，故在熔炼时应使原材料清洁，并采取措施减少液态金属中的气体和非金属夹杂物
②铸型方面，对金属铸型、熔模型壳等提高铸型温度，利用涂料增加铸型的热阻，提高铸型的排气能力，减小铸型在金属填充期间的发气速度，均有利于提高充型能力
③浇注条件方面，适当提高浇注温度，提高充型压头，简化浇注系统均有利于提高充型能力
④铸件结构方面能提供的措施则有限
应该指出的是:在采取上述措施时，往往会带来其他问题，这
时要抓住主要矛盾，解决主要问题，由此引起的其他问题应是次要的，且可用另外的措施来解决
在生产中，尤其是对要求高的铸件，在合金成分及铸件结构设计两方面采取措施都是不现实的。

对大型薄壁铸件，一般采用以下三条措施来改善成型问题
①提高浇注温度
②增加充填速度。

这里所说的速度不是液流的线速度，而是充填的体积速度。

增大浇口面积可在线速度较小的情况下很快充型
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