液態(tài)金屬鑄造補縮的力學性能

0乳液金屬補縮的力學性能在硬化過程中，液體金屬的體積收縮是鑄造中收縮孔和收縮的根本原因。對縮孔進行補縮的動力有:液態(tài)金屬的表面張力,液態(tài)金屬的壓力包括液態(tài)金屬的靜壓力和外界的附加壓力.阻礙液態(tài)金屬補縮的力有:補縮液體流向縮孔時的粘性摩擦力,晶間通道的局部阻力,低壓和差壓鑄造中的金屬液自重力.在固定的生產(chǎn)條件下,液態(tài)金屬的體收縮率及結(jié)晶潛熱無法改變,而其余各因素是制約還是促進補縮,將是本文要探討的內(nèi)容.1鑄造補縮通道的參數(shù)以低壓和差壓鑄造為例,探討由上至下順序凝固的補縮問題.這涉及到固相骨架基本形成時的狀態(tài),如圖1所示.在固相骨架形成初期,晶間通道可相互連成一片,且認為凝固過程無偏析存在,即液態(tài)金屬的表面張力σ、密度ρ及結(jié)晶溫度間隔ΔT均不變.此時,可將補縮過程簡化為縫隙層流運動,如圖2所示.推動液態(tài)金屬進行補縮的力F1為其中B、δ分別為補縮通道的寬度和厚度.阻礙補縮的力F2為式中u——液態(tài)金屬補縮速度;g——重力加速度;μ——液態(tài)金屬的動力粘度.式(2)中加號前的部分為縫隙間層流運動的粘性阻力.由于所流經(jīng)的并非是平板間的平行通道,而是彎曲的晶粒間隙,因而阻力要比按平板間平行縫隙進行計算時大很多倍.令該倍數(shù)為ξ,則式(2)可寫成F2=12μLuBδ?ξ+BδLρg(3)ξ與形成固相骨架的液固共存區(qū)厚度、晶粒大小和數(shù)量及晶粒在空間的排列狀態(tài)、取向有關(guān),一般可近似表示為ξ=ΔΤG?ηD?φ(4)式中ΔT——合金的結(jié)晶溫度范圍,ΔT≥0;G——合金在液固共存區(qū)的溫度梯度,G>0;η——補縮通道的實際長度與液固共存區(qū)的厚度之比,一般η>1;D——晶粒的平均直徑;φ——系數(shù).由于在補縮通道的曲折路徑里,越伸向已凝固的固體層,液相體積分數(shù)越少,溫度亦越低,路徑亦越窄小,加之液態(tài)金屬粘度迅速增加,因而每出現(xiàn)一次曲折,其阻力增加的值足以同假設(shè)的間隙δ不變時的整個沿程阻力相當,故系數(shù)φ是一個接近于“1”的數(shù).式(3)中加號后部分由于低壓及差壓鑄造時的重力將阻礙補縮,因而將其放在阻礙補縮式內(nèi).式(1)與式(3)的差值將造成液態(tài)金屬薄層向上運動的力.由牛頓第二運動定律知dudt+12μξρδ2u=(2σδ+Ρ)/Lρ-g(5)上式的解析解難以求出,須進行近似處理,即認為液態(tài)金屬是以均速進行補縮,亦即dudt=0,則式(5)可寫成u=δ212μξ[1L(2σδ+Ρ)-ρg](6)由于L=(ΔT/G)·η(L>0),因而要求G>0,將L,ξ代入式(6),得u=δ2DG12μΔΤφη[GΔΤ?η(2σδ+Ρ)-ρg](7)將速度u的單位取為液態(tài)金屬單位時間內(nèi)流過的晶粒個數(shù),則式(7)可寫成uD=δ2G12μ?ΔΤ?φ?η[GΔΤ?η(2σδ+Ρ)-ρg](8)隨著溫度的降低,原來連成片的補縮通道將縮小成類似孔隙的通道,這時可用毛細管的模型來計算其補縮情況,則式(8)可寫成uD=d2G32μ?ΔΤ?φ?η[GΔΤ?η(4σd+Ρ)-ρg](9)式中d——毛細管內(nèi)徑.比較式(8)與式(9)可知,其機理完全一致,只是毛細管模型的補縮速度比平板模型的補縮速度更小一些.所以動力粘度μ可表示為μ=k1ek2/Τ(10)式中k1——與金屬原子間作用有關(guān)的常數(shù);k2——與原子移動的激活能有關(guān)的常數(shù);T——液態(tài)金屬在凝固點的溫度.液態(tài)金屬層厚度δ可表示為δ=δ0-2k3√t(11)式中δ0——當時間t=0時液態(tài)金屬層的厚度;k3——與鑄型性質(zhì)有關(guān)的常數(shù).將μ、δ代入式(8),有uD=(δ0-2k3√t)2?G12k1?ek2/Τ?ΔΤ?φ?η[GΔΤ?η(2σδ0-2k3√t+Ρ)-ρg](12)由式(12)可知,隨著t增加,(δ0-2k3√t)→0,而ek2/T將由于T的降低而劇增,因而u/D將很快趨于零,亦即停止補縮.對于重力鑄造,金屬液自重力為補縮動力.因而對于平板層流模型,補縮速度u′的表達式為u′D=(δ0-2k3√t)2G12k1?ek2/Τ?ΔΤ?φ?η[GΔΤ?η(2σδ0-2k3√t+Ρ)+ρg](13)對于毛細管模型,表達式為u′D=d2G32μ?ΔΤ?φ?η[GΔΤ?η(4σd+Ρ)+ρg](14)2gh16鑄造工藝首先對各種鑄造方法的壓力P做如下說明.重力鑄造Ρ=Ρ0+ρgh(15)差壓鑄造Ρ=Ρ1-ρgh(16)低壓鑄造Ρ=Ρ0+ΔΡ-ρgh(17)真空低壓鑄造Ρ=Ρ0-ΔΡ-ρgh(18)以上各式中P0——大氣壓;h——冒口上沿(或坩堝液面)到液固界面的高度;P1——同步進氣壓力;ΔP——保壓時的壓力(或真空度).1將“上式”數(shù)據(jù)納入上式令n為差壓鑄造與重力鑄造補縮能力之比,則由式(9)、式(14)有n=[Gη?ΔΤ?ρg(4σd+Ρ1-ρgh)-1][Gη?ΔΤ?ρg(4σd+Ρ0+ρgh)+1](19)將101鋁合金數(shù)據(jù)代入上式:ΔT≈30℃;P0≈105Pa;σ≈520×10-3N/m;ρ≈2.55×103kg/m3;g≈9.81m/s2并令d≈10-3m,P1=7×105Pa,則有n=(77.5?Gη-1)(17.5?Gη+1)(20)砂型差壓鑄造底注法生產(chǎn)薄壁殼體件時,其下面溫度可達700℃左右,而上面溫度經(jīng)常可達凝固點,即500℃左右.若件高為1m,則G=200℃/m.令η=10,代入式(20)可得n=4.8.這說明差壓鑄造的補縮能力比砂型鑄造約強4～5倍.2真空補縮能力測定同理得n=[Gη?ΔΤ?ρg(4σd+Ρ0+ΔΡ-ρgh)-1][Gη?ΔΤ?ρg(4σd+Ρ0-Ρ′-ρgh)-1](21)一般地,ΔP≈0.05MPa,P′≈0.08MPa,將數(shù)據(jù)代入式(21)得(其它數(shù)據(jù)同前)n=(15?Gη-1)(138?Gη-1)(22)令G=200℃/m,η=10,則有n=3/(-0.474).由此可知,真空低壓鑄造的補縮能力與低壓鑄造相差甚遠,這正是真空低壓鑄造不能得到廣泛應(yīng)用的原因.3金屬型差壓鑄造n根據(jù)文獻可知,金屬型溫度梯度可比砂型大近百倍,因而式(20)又可寫成n=[77.5?G金η-1][17.5?G砂η+1]≈[77.5×100-ηG砂][17.5+ηG砂]≈510(23)由式(23)可知,金屬型差壓鑄造的補縮能力遠大于砂型重力鑄造,是一種很有前途的鑄造方法.3分析數(shù)學模型3.1真空補縮能力a.溫度梯度G:當G增大時,u亦增大,即補縮能力增強;當G為零時,u=0,即同時凝固,無補縮可能,合理.b.合金結(jié)晶溫度區(qū)間ΔT:當ΔT增大時,u急劇變小,即補縮能力劇減,此時為粥狀凝固,不易補縮,合理.c.金屬液的動力粘度μ:μ增大,u變小,合理.d.液態(tài)金屬的表面張力σ:σ大,u亦大.但由于σ值較小,故影響不明顯.真空鑄造時σ的作用才較大些,這也是正確的.e.外界壓力P:P大,u則大,它是整個數(shù)學模型的主值項.由式(16)知差壓鑄造的P很大,因而補縮能力大為增強.而由式(18)知,真空低壓鑄造的補縮能力劇減,故高真空度低壓鑄造在生產(chǎn)中應(yīng)用并不多.f.液態(tài)金屬的密度ρ:ρ大時在重力鑄造中將強化補縮,而在反重力鑄造時會削弱補縮,合理.g.液態(tài)金屬的補縮速度u:設(shè)二種金屬凝固時的體收縮率分別為β1、β2,其形狀相同,體積均為V0,凝固后要得到?jīng)]有縮孔的組織.所需補縮金屬液體積分別為β1V0、β2V0,這些液體都要通過收縮縫隙進入被補縮部位.但收縮縫隙的體積總和也分別為β1V0、β2V0.因此這些通道的過流面積也應(yīng)對應(yīng)為β1V0L、β2V0L.如果這兩種金屬是在相同的時間內(nèi)完成凝固,則補縮通道內(nèi)的液態(tài)金屬流速應(yīng)為u1=β1V0β1?V0?tL=Lt;u2=β2V0β2?V0?tL=Lt,即u=u1=u2.因此,無論液態(tài)金屬凝固時的體收縮率多大,其補縮時的液流速度均不變.因而對于體收縮大的金屬不必增加補縮壓頭,只要提供足夠的補縮液體即可.3.2離心鑄造補縮效率的實現(xiàn)途徑由式(9)可知,u與G2成正比,與ΔT2成反比,故決定補縮能力的關(guān)鍵是G與ΔT.δ、d是鑄件凝固時從大到小都要必經(jīng)的,沒有研究價值.從數(shù)量級分析可知:P?4σ/d;(GP/ΔT·η)?ρg,因而決定u的主導量是P.事實上式(9)中μ、ΔT、σ、ρ在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下無法改變.而δ、d又是不能控制的從大到小必經(jīng)的量,比較方便且可以變化的量只有P、G.因而為了使補縮能力增強,只能增加P和G,這說明使用金屬型差壓鑄造是最佳選擇.由(9)式可知,表面張力σ及壓力P都是表面力,若要參與補縮,則必須克服液態(tài)金屬在晶間通道中的流動阻力.因此,σ與P都必須與G/ΔT·η相乘.而ρ·g是質(zhì)量力,它可直接參與補縮而不受晶間通道的制約,因而其補縮效率要比σ與P高.但由于ρ·g的數(shù)量級比P小很多,因而在實踐中才沒有引起人們的重視.但在離心鑄造中,它的數(shù)量級猛增到106(ρRW2)左右,此時質(zhì)量力就成為補縮作用的主導項.由此可知:離心鑄造特別適合于密度大,結(jié)晶溫度范圍寬而溫度梯度又較小的這類金屬.由以上分析可知,通過下列途徑可以提高補縮效率.a.對結(jié)晶溫度范圍寬的合金,為減少縮孔,最好的辦法是增加溫度梯度G,或增大凝固時的外界壓力P.由式(9)可算出:當G增大一倍時,則相當于減小ΔT一倍;而凝固時每增大外界壓力n倍,就相當于使結(jié)晶溫度間隔變?yōu)棣う?n,即減小1/n倍.正如文獻所指出:用差壓鑄造法生產(chǎn)鑄件時,用AЛ9合金(相當于我國的101鋁合金),其密度增大0.007g/cm3;在韌性方面,δAЛ9增大30%;而δAЛ19增大43%.這說明寬結(jié)晶溫度間隔的合金用增大P的差壓鑄造方法更能提高其性能.b.由式(9)可知:真空條件下凝固的鑄件,其致密性遠不如高壓條件下凝固的鑄件.鈦合金鑄件最好的成型方式是在充滿惰性氣體的高壓爐內(nèi)澆注成型.真空低壓鑄造不僅不利于補縮,而且由于外界壓力劇減,溶解于金屬液內(nèi)的氣體更易析出,形成較多的氣孔,這種鑄造方法是沒有前途的.c.由式(9)的數(shù)量級分析可知:由于ρgh?P0,且ρgh?P1,因而在補縮動力中因冒口高度h所造成的分量是很小的,而補縮動力主值項是壓力P.差壓鑄造時P=P1-ρgh;重力鑄造時P=P0+ρgh.由此看來,完全沒有必要在鑄件的補縮工藝中去增大冒口高度,而只要保證有足夠的貯備液即可.保溫發(fā)熱冒口由于可大大延長冒口的凝固時間,可大大減小冒口的體積和高度,這并未影響冒口的補縮效果.無論何種鑄件,其冒口形狀都應(yīng)以模數(shù)最大為好.此外,從式(9)亦可知:對于