材料成形工艺学讲稿(2)

第二章金属液态成形工艺原理§2.1液态金属充型过程的水力学特点液体金属充满铸型型腔的过程称为充型过程。§2.1液态金属充型过程的水力学特点液体金属充满铸型型腔的过程称为充型过程。在充型异常的条件下会产生液态金属成形过程的一些缺陷：浇不足、冷隔、砂眼、抬箱、侵入性气孔、夹砂结疤充型过程存在：热作用机械冲击冲刷物理化学反应研究液态金属充型过程的运动规律和特性非常必要。§2.1液态金属充型过程的水力学特点研究方法：研究液态金属充型过程的运动规律和特性非常必要。物理模拟计算机数值模拟工业试验经验总结§2.1液态金属充型过程的水力学特点液态金属中存在夹杂物（固相）和气体（气相）1、多相黏性流动夹杂物（非金属化合物）：（尺寸50μm）氧化物——Al2O3,SiO2,MnO,FeO,TiO2,MgO等氮化物——AlN,ZrN,TiN等硫化物——Ni3S2,CeS,Cu2S等气体：（总量4X10-4%）CO,CO2,H2,N2,O2等例如连铸的钢水中：8R3Cogv另相另一相临界升降速度§2.1液态金属充型过程的水力学特点金属由固态转变成液态，金属键被部分破坏，原子之间仍然保持一定的结合力，因此液态金属在流动过程中有内摩擦阻力，呈现粘性流动的水利学特点。影响因素：温度合金成分金属液纯净度1、多相黏性流动§2.1液态金属充型过程的水力学特点充型过程中液态金属的流速、流态在不断变化。2、非稳定流动流路截面变化流路方向变化流路温度变化§2.1液态金属充型过程的水力学特点3、紊流流动液体的流动可分为层流和紊流两种状态，并可用雷诺数Re来判断。DvRe（流速×管路直径/流体运动粘度）Re临=2300大于Re临为紊流小于Re临为层流例如，某钢种在连铸工艺过程中结晶器的管道直径为0.15m，如果结晶器有电磁搅拌的条件下钢水的平均旋转周向速度为0.12m/s，浇注温度为1535℃，运动粘度为0.407×10-6m2/s，计算出：）（临23004422610407.015.012.06eeRvDR对于某些合金，在浇注温度下（高于液相线温度50~100℃）有：铸件材质铸铁铸钢铝合金γ（m2/s）0.55×10-60.4×10-60.6×10-6在浇注系统中，即使D很小（如取0.4cm），在保证充型的最低流速下，其雷诺数也大于Re临。所以：金属液在浇注系统中的流动为紊流流动。又由于浇注系统流路回转，使紊流程度加重。§2.1液态金属充型过程的水力学特点4、在“多孔管”中流动浇注系统及铸型的型腔都具有一定的透气性§2.1液态金属充型过程的水力学特点综上所述液态金属在充型过程中的水力学特点与理想液体相比有明显的区别。但是，液态金属在充型时间较短的过程中，一些水力学的规律在一定程度上也适用于液态金属的流动过程。§2.2液态金属充型过程的水力学计算一、浇注系统的结构浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。§2.2液态金属充型过程的水力学计算一、浇注系统的结构浇注系统的构成（基本组元）：①浇口杯②直浇道③直浇道窝④横浇道⑤内浇道§2.2液态金属充型过程的水力学计算连续铸钢浇注系统的构成：①钢水包②长水口③中间包④浸入式水口⑤结晶器一、浇注系统的结构§2.2液态金属充型过程的水力学计算一、浇注系统的结构根据浇注系统基本组元截面积比例关系分为：①开放式浇注系统F直F横F内②封闭式浇注系统F直F横F内F直、F横、F内分别为直、横、内浇道截面积之和。§2.2液态金属充型过程的水力学计算二、计算模型液态金属充型过程计算模型：H0——金属充型压头P——上型腔高度C——型腔高度（铸件高度）§2.2液态金属充型过程的水力学计算二、计算模型为了保证金属液顺利充满型腔：直浇道要有一定高度（提供充型压头）；浇道要有合适的截面积。§2.2液态金属充型过程的水力学计算三、计算过程和结果计算条件：a.浇注系统为充满流动封闭式浇注系统；对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。b.浇口杯液面保持不变1.充填下半型设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：ihgvPgvPH202220内腔杯杯（2-1）1.充填下半型设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：式中：P杯——浇口杯液面压力P腔——型腔内的液面压力v杯——浇口杯液面金属流动速度v内——内浇口出口金属流动速度hi——浇注系统中某段的流体压头损失γ——重度（=ρg）ihgvPgvPH202220内腔杯杯（2-1）1.充填下半型设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：ihgvPgvPH202220内腔杯杯（2-1）因为gvhPPviii202腔杯杯其中:头损失系数。为浇注系统中某段的压i1.充填下半型所以002211gHgHvi内（2-2）整理式（2-1）得220(1)22iivvHhgg内内式中为流量系数。ihgvPgvPH202220内腔杯杯（2-1）1.充填下半型（2-3）所以0112gHtmF内通过内浇道的金属流量为0112gHFtm内（流量=时间*流速*截面积）2.充填上半型设充填上半型时需要金属液m2，充填时间为t2。以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：jihhgvPgvPH202220内内杯杯（2-4）2.充填上半型设充填上半型时需要金属液m2，充填时间为t2。以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：因为gvhgvhhPPPPvjjjiii22'022腔内腔杯杯其中:失系数。为型腔中某段的压头损失；为型腔中某段的压头损平面的距离；为型腔中液面到内浇道jjhh'jihhgvPgvPH202220内内杯杯（2-4）2.充填上半型所以均内gHhHgvji2''2110（2-5）整理式（2-4）得)1(2'20jigvhH内式中为充型平均静压头。为流量系数，均H'jihhgvPgvPH202220内内杯杯（2-4）2.充填上半型（2-6）所以均内gHtmF2'22均阻gHFtm2'22（流量=时间*流速*截面积）通过内浇道的金属流量为3.通式由于同一个铸件浇注系统的内浇道的断面积应该是一个，因此写成通式：（2-7）均内gHtmF2为流量系数。为充填时间；；为充填铸型所需金属液tm式中这就是奥赞（Osann）公式，它是浇注系统计算的基本公式。假设型腔断面积沿高度无变化。4.平均静压头H均的确定液态金属充型过程计算模型：H0——金属充型压头P——上型腔高度C——型腔高度（铸件高度）假设型腔断面积沿高度无变化。a.按实际系统与计算系统浇注做功相同来确定：b.按实际系统与计算系统浇注时间相同来确定：（2–8a）CPHH220均（2–8b）20020112HPHPCCHH均4.平均静压头H均的确定本次课结束谢谢大家§2.3液态金属充型能力及停止流动机理一、充型能力液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力称为液态金属的充型能力。在钢的连铸工艺中称为钢的可浇性。充型能力影响：浇注（或浇钢）过程铸件（或铸坯）的完整性和表面质量一、充型能力影响充型能力的主要因素：液态金属的流动能力（主要因素）外界条件铸型性质——导热能力、温度浇注条件——浇注温度、浇注压头铸件结构——热模数、复杂程度用金属的流动性来反映液态金属的流动能力。流动性取决于液态金属的成分、温度、杂质含量。一、充型能力用金属的流动性来反映液态金属的充型能力。测试方法：用稳定工艺条件下的砂型三螺旋线法。螺旋形流动性试样截面：1068一、充型能力用金属的流动性来反映液态金属的充型能力。某些合金的流动性：合金浇注温度/℃螺旋线长度/mm铸铁（C+Si=6.2%）（C+Si=5.9%）（C+Si=5.2%）（C+Si=4.2%）1300180013001000600铸钢（C=0.4%）16001640100200镁合金（Mg-Al-Zn）700400~600硅黄铜（Si=1.5~4.5%）11001000二、停止流动机理不同的合金其充型能力不同的根本原因在于它们的停止流动机理不同。1.纯金属、共晶合金和结晶温度区间很窄的合金具有一定过热度的液态金属在管道中流动，靠近管壁的液态金属首先降到凝固温度并开始在管壁上凝固，一般是以柱状晶组织从管壁向里推进，而中心的过热液态金属继续向前流动，并且能够全部或部分地熔化正在向里生长的柱状晶，过热度逐渐减小。当流动的液态金属没有过热度时，柱状晶一直生长到中心，液态金属在流动前端的后部被堵塞而停止流动。结晶特点是在一定的温度点开始凝固。二、停止流动机理不同的合金其充型能力不同的根本原因在于它们的停止流动机理不同。2.结晶温度区间宽的合金结晶特点是在一定的温度范围内开始凝固。具有一定过热度的液态金属在管道中流动，不断接触管壁的液态金属前端首先达到凝固温度，并开始有部分的固相以枝晶析出。此时液态金属中虽然有部分固相，但还可以继续向前流动，但流动阻力越来越大，流动速度逐渐减慢。当液态金属前端区域的固相析出量在15~20%左右时，在流动的前端被堵塞而停止流动。二、停止流动机理不同的合金其充型能力不同的根本原因在于它们的停止流动机理不同。得出结论：纯金属、共晶合金的流动时间相对较长，流动性好，充型能力强。结晶温度范围较宽的合金流动时间相对较短，流动性差，充型能力弱。所以，浇注同样结构的铸件，结晶温度范围宽的合金要适当提高浇注温度。三、提高充型能力的措施1.合金方面：选择共晶或结晶温度范围窄的合金提高液态金属的纯净度2.铸型方面：刷保温涂料3.浇注工艺：适当提高浇注温度调整浇注位置，提高浇注压头§2.4液态金属凝固方式一、液态金属凝固动态曲线铸件在凝固过程中，断面上一般都存在三个区域：§2.4液态金属凝固方式一、液态金属凝固动态曲线铸件在凝固过程中，断面上一般都存在三个区域：对于纯金属和共晶成分的合金，不存在凝固区。固相区凝固区液相区固液部分液固部分：晶体处于悬浮状态而未连成片，液相可以自由移动晶体已连成骨架，液相可以在其间移动晶体连成封闭骨架，骨架间的少量液相互不沟通（a）金属凝固体断面的温度—时间曲线（b）凝固动态曲线依据凝固体断面上实际测得的温度随时间变化曲线，在凝固体断面上不同位置与时间的座标下，确定金属在凝固过程中典型温度点（液相温度，固相温度，共晶温度等），把凝固体断面上实际测得的温度随时间变化曲线上确定的温度点投影到凝固体断面上不同位置与时间的关系图中，把不同时间、不同位置的同一温度点连接起来，即得到金属凝固动态曲线。§2.4液态金属凝固方式一、液态金属凝固动态曲线根据凝固体断面各位置的温度与时间的关系曲线，在位置与时间的坐标图上绘制成的凝固体典型温度的连线图称为凝固动态曲线。典型温度：液相线温度固相线温度共晶温度等根据凝固动态曲线，可以推断凝固体断面不同时刻的凝固状态和凝固区的宽窄（范围）。§2.4液态金属凝固方式二、液态金属凝固方式液态金属的凝固、冷却过程是决定铸件或铸坯内部质量的关键，而金属在凝固过程中凝固区的宽窄可以作为判断铸件或铸坯内部质量的依据。根据液态金属的凝固动态曲线，可以判断出铸件在凝固不同时间的凝固区的宽窄（结晶温度范围）。金属凝固区的宽窄决定凝固体的凝固方式，不同的凝固方式直接影响着金属凝固体的组织状态和凝固过程的缺陷。§2.4液态金属凝固方式二、液态金属凝固方式§2.4液态金属凝固方式二、液态金属凝固方式1.逐层凝固方式恒温下结晶的金属恒温下结晶的金属（纯金属或共晶成分合金），在凝固过程中其凝固体断面上的凝固区宽度等于零