鑄造合金流動(dòng)性測(cè)定試驗(yàn)與研究

邢小穎，湯 彬，徐江波，馬 運(yùn)

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

鑄造性能是一個(gè)復(fù)雜的綜合性能，不是單一的物理性質(zhì)，通常用充型能力、收縮性、偏析程度等來衡量。充型能力一般指液態(tài)金屬填充鑄型的能力。合金的流動(dòng)性取決于化學(xué)成分和澆注條件。一般情況下影響液態(tài)合金流動(dòng)性的因素主要有3個(gè)方面。

（1）合金的種類。不同的合金種類，具有不盡相同的螺旋線長(zhǎng)度，即其流動(dòng)性不一樣。

（2）化學(xué)成分和結(jié)晶特征。純金屬和共晶成分的合金，由于是在恒溫下結(jié)晶的，液態(tài)合金從表層逐漸向中心凝固，固液界面比較光滑，對(duì)液態(tài)合金的流動(dòng)阻力較小。同時(shí)，共晶成分合金的凝固溫度最低，可獲得較大的過熱度，推遲了合金的凝固，所以流動(dòng)性最好。其他成分的合金是在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的，由于初生樹枝狀晶體與液體金屬兩相共存，粗糙的固液界面使合金的流動(dòng)阻力加大，合金的流動(dòng)性大大下降。一般來說，合金的結(jié)晶溫度區(qū)間越寬，流動(dòng)性越差。

（3）鑄型及澆注條件。鑄型的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、導(dǎo)熱性越好，合金的流動(dòng)性就越差。提高合金的澆注溫度和澆注速度、增大靜壓頭的高度，會(huì)使合金的流動(dòng)性增加。鑄鋼的澆注溫度為（1520～1620）℃，鑄鐵為（1230～1450）℃，而鋁合金為（680～780）℃。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料有3種，分別為純鋁、鋁硅共晶合金和 ZL101。分析合金流動(dòng)性時(shí)，常將合金液在凝固過程中停止流動(dòng)的溫度稱為零流動(dòng)性溫度，而將合金液加熱到零流動(dòng)性溫度以上所測(cè)得的流動(dòng)性稱為真正流動(dòng)性，將在同一澆注溫度下測(cè)得的流動(dòng)性稱為實(shí)際流動(dòng)性（圖1）。零流動(dòng)性的溫度不太容易被確定，因此，如果沒有單獨(dú)說明，流動(dòng)性則指實(shí)際流動(dòng)性。

圖1 各種流動(dòng)性的示意

螺旋試樣法是測(cè)定鑄造合金流動(dòng)性最常用的方法，分為標(biāo)準(zhǔn)法和簡(jiǎn)易法。 標(biāo)準(zhǔn)法采用同心三螺旋流動(dòng)性測(cè)試裝置，而本試驗(yàn)采用簡(jiǎn)易法單螺旋流動(dòng)性測(cè)試裝置（圖2、圖3）。螺旋線形試樣按內(nèi)澆口位置又可分為內(nèi)流式與外流式，內(nèi)流式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外流式的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，測(cè)定結(jié)果的精確度較高。在測(cè)試過程中：環(huán)境溫度一般為（10～30）℃；上下鑄型保持一致，不能有錯(cuò)位現(xiàn)象；所做砂鑄鑄型一般不能超過1 h；所采用的熱電偶和二次儀表應(yīng)在澆包內(nèi)進(jìn)行溫度的測(cè)量，并控制澆注溫度在合金相線以上（50～90）℃；當(dāng)測(cè)得的溫度到達(dá)要求時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行澆注，澆注液流應(yīng)平穩(wěn)；澆注完成后等待30 min進(jìn)行落砂處理，處理完成即可測(cè)出螺旋試樣長(zhǎng)度；測(cè)量完成后，判定合金流動(dòng)性的標(biāo)準(zhǔn)就是所測(cè)試樣長(zhǎng)度和澆注時(shí)的溫度。標(biāo)準(zhǔn)法的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是以每次測(cè)試的3個(gè)同心螺旋線的算術(shù)平均值為結(jié)果，而簡(jiǎn)易法的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是以3次相同合金同樣的澆注溫度下的單螺旋線長(zhǎng)度的算術(shù)平均值為結(jié)果。每次測(cè)試時(shí)，因?yàn)殍T型條件和澆注條件不能保證完全一致，特別是澆注速度、流量等波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大的影響，所以采用這種測(cè)試方法最為重要的一點(diǎn)是穩(wěn)定金屬壓頭。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)定合金的流動(dòng)性，測(cè)定步驟如下。

（1）造型。純鋁、ZL101、鋁硅共晶合金共3種鑄造合金的單螺旋流動(dòng)性砂型試樣各3個(gè)。金屬型型腔噴刷涂料并預(yù)熱。

（2）熔化、除氣精煉、澆注。其中，純鋁液溫度為（700～750）℃，ZL101液溫度為（670～720）℃，鋁硅共晶合金液溫度為（640～690）℃。

圖2 單螺旋流動(dòng)性試樣形狀及尺寸

圖3 簡(jiǎn)易法測(cè)試合金流動(dòng)性的鑄型合型

（3）取純鋁、ZL101、鋁硅共晶合金共3種材料的熱分析試樣各1個(gè)，分別用熱分析裝置測(cè)試其冷卻曲線。

（4）澆注后30 min打箱，用鋼絲刷刷去試樣表面型砂。

（5）澆注單螺旋流動(dòng)性金屬型試樣各3個(gè)。

（6）用卡尺測(cè)量砂型和金屬型螺旋試樣的長(zhǎng)度。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.2.1 凝固曲線（圖4）

由圖4可以看出，3種材料的溫度下降均呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，而且都存在一段溫度變化不大的恒溫階段。以純鋁、硅鋁共晶合金、ZL101的順序，保持恒溫的時(shí)間越來越長(zhǎng)。

2.2.2 流動(dòng)性測(cè)定（表1）

（1）合金材料。比較2-1和3-1，可知在其他條件都相同時(shí)，鋁硅共晶合金試樣明顯比ZL101試樣長(zhǎng)，即鋁硅共晶合金充型能力比ZL101充型能力好。

（2）鑄型條件。比較 1-1和 1-4，2-3和 2-4，3-1和 3-4，可知使用金屬型比砂型，試樣長(zhǎng)度更短。

（3）澆注溫度。比較1-1和1-2，2-1 和 2-3，3-1 和 3-2，可知澆注溫度越高、試樣長(zhǎng)度越長(zhǎng)，流動(dòng)性越好。

（4）澆注時(shí)間。比較1-2和1-3，可知澆注時(shí)間越短、試樣長(zhǎng)度越長(zhǎng)，流動(dòng)性越好。

綜上所述，影響鑄造合金充型因素主要有合金材料、鑄型條件、澆注溫度和澆注時(shí)間。

3 結(jié)論

（1）在澆注溫度、澆注時(shí)間和鑄型都相同的情況下，鋁硅共晶合金流動(dòng)性比ZL101流動(dòng)性好。

（2）對(duì)于同一種鑄造合金，鑄造溫度越高，螺旋試樣長(zhǎng)度越長(zhǎng)，金屬的流動(dòng)性越好。

（3）對(duì)于同一種鑄造合金，澆注時(shí)間越短，螺旋試樣長(zhǎng)度越長(zhǎng)，金屬的流動(dòng)性越好。

圖4 3種材料的凝固曲線

表1 3種材料的流動(dòng)性測(cè)定數(shù)據(jù)

（4）對(duì)于相同的鑄造合金，在砂型中的流動(dòng)性比在金屬型中的流動(dòng)性好，這是因?yàn)榻饘傩偷男顭嵯禂?shù)比砂型的蓄熱系數(shù)大，激冷能力強(qiáng)，因此在金屬型中的流動(dòng)性比較差。