立式离心铸造液态合金自由表面形状

[大][中][小] 2013-05-20 18:06

   
    在重力场中,向铸型中浇注金属液,其自由表面总呈水平状态,如果不考虑凝固收缩的因素,铸型中与空气接触的铸件上表面也应该是平面。
    离心铸造时,通常不用型芯铸出中空的回转体铸件,其内表面是在离心力的作用下形成的,液态金属的自由表面形状决定了铸件内表面的形状,所以很有必要研究离心铸造时液态合金自由表面的形状。
    在旋转的铸型中,浇注到铸型中的液态合金经过一定时间后就获得了与铸型相同的角速度而处于相对静止状态。由于自由表面上的每一点都与大气接触,各点所受的压力都为一个大气压,因此自由表面为等压面。液态合金的自由表面形状为一旋转抛物面,所获得的铸件上部壁薄,下部壁厚。当铸件高度越小,内径越大,转速越高时,铸件上下部壁厚差越小;反之,壁厚差越大。所以立式离心铸造多用来浇注高度不大于内孔直径的铸件。
    离心力场中金属液内异相质点的径向移动
    进入铸型中的金属液常常不是均匀单一组成的液体,金属液中常会夹有固态的夹杂物、不能与金属液共溶的渣液和气态的气泡。对不能相互共溶的多组元合金而言,不同的组元机械地混合在一起,很不均匀。铸型中金属液在凝固过程中也会析出固态的晶粒和气态的气泡,这些夹杂、气泡、渣液、晶粒等,都可被称为异相质点。这些异相质点被金属液的主体所包围,由于它们的密度与金属液主体部分的密度不一样,在重力场中,它们就会上浮或下沉,一般重力场情况下,异相质点的上浮或下沉的速度v可用斯托克斯公式表示,即如为正值,它是异相质点的下沉速度;如为负值,则它是异相质点的上浮速度。
    离心铸造时所形成离心力场中,与重力场中的情况相似,密度比金属液主体密度小的异相质点会向自由表面作径向移动;而密度比金属液密度大的异相质点则向金属液的外表面移动,其移动速度v 也可用斯托克斯公式计算。但需注意的是,在重力场中异相质点的上浮、下沉是由于重力的作用而发生的,离心铸造时异相质点在金属液中的沉、浮速度比在重力铸造时大G倍。因此,那些密度比金属液低的夹杂物、渣液、气泡等将易于从旋转的金属液中内浮至自由表面,所以离心铸件中的夹杂物、气孔缺陷比重力铸件中少得多。而且由于离心铸件的凝固顺序主要由铸件外壁向铸件内表面进行,因为旋转铸型外壁上的散热很强,而铸件内表面只与对流较弱的空气接触,能带走一部分热量,并且不易辐射散热,所以这种离心铸件的凝固顺序更利于夹杂、渣液、气孔等有害异相质点自铸件内部排出或逸出。
    对在凝固时析出的晶粒而言,在大多数场合,它们的密度大于金属液的密度,因此离心铸造时,在金属液凝固时析出的晶粒移向铸件外壁的趋势比重力铸造时大得多;同理,金属液中较冷的金属液集团也较易向铸件外壁集中。再结合前面已经谈到的离心铸造时的金属散热主要通过铸型壁进行的特点,所以离心铸件由外向内的定向凝固特点非常突出,使晶体由外向内生长的速度加剧,缩小了结晶前沿的固液相共存区,很容易在钢铸件、铝合金铸件中形成柱状晶,顺序凝固的金属层容易得到补缩,离心铸件内不易形成缩孔、缩松等缺陷,因此离心铸件的组织致密度较大。
    离心铸件的较大组织致密度还与离心力场中金属液具有较大的有效重度(即离心力)有关,因为有效重度大还可促使金属液具有更大的流动能力,通过凝固晶粒间的细小缝隙,对在晶粒网间的小缩松进行补缩。当金属液在细小补缩缝隙中流动时,其旋转半径r随着向外补缩流动而增大,离心力也越来越大,克服晶粒间缝隙阻力进行流动的能力也越来越大,移动速度加快,为随后进入晶间缝隙的金属液流动创造了更好的条件,这也是离心铸件内缩松少、组织致密的重要原因。    
    但离心铸造时异相质点径向移动的加剧也会给铸件质量带来不利的影响,它能增强铸件的重度偏析,如铅青铜离心铸件上常出现的铅易在铸件外层中聚集的偏析现象;而在铸钢、铸铁的离心铸件横断面上,易出现碳、硫等元素在铸件内层含量较高的偏析现象。
    如果金属凝固时析出的晶粒的密度比金属液的密度小,析出的晶粒会以较大的速度向自由表面移动,使金属液从自由表面开始出现凝固,而在已出现凝固层的铸件内表面的外侧铸件体积中,还有液态的金属,这部分金属液凝固时由于体积收缩而形成的空问便无法得到金属液的补缩,从而在铸件内表面下形成缩孔、缩松。有时,若已凝固的离心铸件内表面下的金属液凝固收缩形成的空间较大,已凝固的内表面层如同悬空的圆环,在里层金属液上“滚动”,受本身离心力的作用或其他如冲击的外力影响,此内表面凝固层会开裂,最后在离心铸件的内表面上出现纵横交叉、宽度不一、深浅不同的裂纹。在情况严重时,甚至会使铸件内表面出现高低不一、与铸件连在一起的碎块,如同黄河凌汛时形成的冰冻河面。如离心铸造球墨铸铁管的内表面,尤其是砂型离心铸造球墨铸铁管的内表面上极易出现上述现象。
    离心铸造时,铸件内表面的提前凝固也与自外表面的定向凝固速度太小、在内表面上的散热速度太大(如大直径的铸件自由表面和铸型两端都有空气对流的孔)有关。这种既有自铸件外壁向内的凝固顺序,又有自铸件内表面向外的凝固顺序的现象称为双向凝固。离心铸造时不希望出现双向凝固。而防止离心铸件重度偏析及双向凝固的有效工艺措施为:降低浇注温度和加强对铸型的冷却(即加速铸件的凝固)。

 

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