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【热坛学习】谈谈铸铁的流动性

 一兵个人图书馆 2022-01-17
铸造微课堂 热加工行业论坛 2022-01-16 22:29

    【热坛学习】谈谈铸铁的流动性

    铸造合金的流动性反应该液态合金的流动能力。流动性是铸造合金的重要工艺性能。它是决定液态合金能否充满铸型,形成外观完整、轮廓清晰铸件的主要因素,也直接影响铸件的补缩效果及其他铸造缺陷的产生。

    铸造合金液的流动性通常经历两个温度范围。首先是过热溶液的纯液相流动;其次是在低于液相线温度下,液固两相混合流动。

    衡量合金流动性的方法是浇注流动性试样,一般为螺线形,可以在大气环境中浇注,也可以采用真空浇注。需要注意的是这个数值只是一个相对量,在不同的工艺条件下不同材质的数据并不具备可比性。

    纯液相流动能力受熔液-铸型之间的摩擦力与熔液内部摩擦阻力的影响。内部摩擦阻力与熔液内部运动黏度呈正比。内部摩擦阻力增大熔液黏滞性,抑制其流动,其流动能力减弱。黏度值容易测定,因此常用黏度的倒数来衡量流动性,但这只适合于层流运动。

    熔液温度和合金成分都会对流动能力产生一定的影响。熔液温度降低,黏度增大,其流动能力下降。在充型的过程中,熔液热量不断逸散,其流动能力不断变化,直至停止流动。

    化学成分的影响表现在几个方面:改变熔体结构和密度,使其黏度发生变化;改变液相线温度;元素形成化合物,提高熔液黏度。但是更显著的影响是合金的结晶温度范围。纯金属和共晶合金是在各自的固定温度下结晶,达到此温度,即迅形成固相。在铸型中将在冷却最快的型壁上形成凝固壳层。随着温度降低,壳层越来越厚,熔液流动通道相应减小,直至完全抑制熔液流动。如果熔液发生内生凝固,在一个温度范围内析出固溶相。固溶相悬浮在熔液中,使熔液黏度增加。不断增加的 固溶相将会聚集、熔合,在流动通道中形成网络,提高对熔液流动的阻力。当阻力达到某一临界值时,流动即告终止。

    结晶温度范围的宽窄对合金流动性有显著的影响。不同成分的合金,其结晶温度范围是不同的。温度范围宽,则析出的固相发育较为充分,停流的临界阻力出现得比 较早,流动能力相对较差。反之,结晶温度范围窄,固溶相析出过程比较接近于纯金属和共晶合金,熔体流动能力较强。

    析出固相时产生结晶潜热。一般来说,结晶潜热提高熔液温度,对于熔液流动有重要的影响,特别是对纯金属和共晶合金的影响十分显著。

    在各种铸造合金中,灰铸铁的流动性是比较好的。以螺线试样长度计算,在同等工艺条件下,其流动能力约为铸钢的2-2.5倍(这项数据并不科学,这是直观反应不同合金的流动性不同)。

    铸铁的流动性与其过热温度密切相关。对于亚共晶铸铁,随着碳含量的增加,由液相析出奥氏体的温度范围逐渐减小,液相线温度逐渐降低,相应铁水的过热温度增加,流动性也相应增加。对于过共晶铸铁,凝固时先析出相是初生石墨。石墨的结晶潜热约为铁的14倍。析出石墨可以补偿铁水流动过程中散失的一部分热量。另外石墨很轻,易于随铁水一起流动,对铁水的流动阻力很小。因此,过共晶铁水的流动性在相同的浇注温度下高于亚共晶铁水。

    铸铁中的硅有助于改善铁水的流动性。锰本身对流动性没有太大的影响,但它的脱硫作用有利于提高流动性。硫的化合物可使铁水的黏度增加,降低铁水的流动性。硫锰化合物形成的夹杂应及时清除干净,否则这些夹杂物会产生抑制铁水流动性的作用。磷可以生成低熔点的磷共晶,存在于晶粒之间的高磷熔液有助于残余铁水在已形成的大量固相空隙中流动,从而降低铁水的停流温度,增加铁水的流动性。但磷共晶是高硬度脆性物质,会显著增加铸铁的脆性。因此,除了一些特定用途的铸件,如耐磨铸件、活塞环、汽缸套、艺术铸件等,一般不采用加磷的方式来提高铸铁的流动性。(曾给某寺院铸造过铁香炉,周身刻满经文,为保证每个字都清晰, 特意提高了磷含量到0.8以上)

    铸铁中加入合金元素,一般会使铁水热导率下降。热导率下降意味着热量散失速率较慢,铁水温度下降缓慢,流动性相应提高。此外,某些合金元素改变液相线温度,导致流动性发生变化。

    铁水过热温度是影响其流动性的最重要因素。在纯液相流动的温度范围内,铁水具有最强的流动能力。提高过热温度对改善流动性有重要的意义。但从铸件生产的经济性来考虑,过高的过热温度并没有什么好处。因此应针对铸件的实际需要确定浇注温度。低碳高强度灰铸铁选用较高的浇注温度是必要的。近共晶成分灰铸铁可以 选用较低的浇注温度。

    球墨铸铁一般选择共晶或过共晶成分,凝固温度范围窄。一部分球状石墨直接从液相析出,产生结晶潜热。球状石墨易于随熔液流动,产生的流动阻力相对较小。球墨铸铁的流动性在相同温度下不低于灰铸铁。

    白口铸铁的共晶转变温度低于灰铸铁,碳当量比较低,结晶温度范围比灰铸铁宽。虽然共晶转变时初生奥氏体枝晶已充分发育。白口铸铁流动过程中,固液双相混合流动的比例高于灰铸铁。因此白口铸铁的流动性在相同的浇注温度下是低于灰铸铁的。

    铁水良好的流动性是获得外形完整铸件的必要条件。此外,铸铁的凝固性质决定了铸铁件易于产生缩松缺陷。如果铁水流动性良好,可以通过缩松区晶粒之间弯弯曲曲的通道充填其中孔隙,减少或消除缩松缺陷,提高铸件的致密度。流动性好的铁水可以在较低的温度下浇注,避免粘砂或其他的表面缺陷。型腔中铁水的热对流会使已经形成的气泡及夹杂物沿热对流方向运动。良好的流动性能减少运动阻力,促进气泡、夹杂物移至表面,从而减少铸造缺陷。

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