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1、第一章液态金属成形过程及控制本章的主要内容为：液态金属充型过程的水力学特性及流动情况；浇注系统及设计；液态金属凝固收缩过程的工艺分析；冒口和冷铁和设计。即让学生了解和掌握液态金属铸造成形的两个基本过程充型和凝固对铸件质量的影响规律，并提出其控制方案和措施。本章的重点：(1)、充型过程及其控制；(2)、凝固过程及其控制。引言铸造的定义：让金属液流入并凝固在预先制备的铸型中，获得特定形状的毛坯或零件(铸件)的方法或技术。铸造成形的基本过程是充型和凝固：充型的主要目的：使金属液充满铸型，从而实现对型腔形状、尺寸以及表面的复制。充型的有效性：是否能够充满型腔；充型的平稳性：是否卷入气体或杂质；充型的顺
2、序性：调整充填后的温度分布。凝固的主要目的：使不具备机械性能的液相转变为具备特定机械性能的固相。凝固的速度：晶粒大小及形态；凝固的顺序：是否有助于补缩；凝固末期的温度场：应力大小及分布、变形、热裂的产生与控制第一节 液态金属充型过程的水力学特性及流动情况充型过程对铸件质量的影响很大可能造成的各种缺陷，如冷隔、浇不足、夹杂、气孔、夹砂、粘砂等缺陷，都是在液态金属充型不利的情况下产生的。正确地设计浇注系统使液态金属平稳而又合理地充满型腔，对保证铸件质量起着很重要的作用。一、液态金属充型流动过程的水力学特性目前在实际铸造生产中，砂型仍占相当大的分量，而液态金属在砂型中流动时呈现出如下水力学特性：1.
3、 粘性流体流动：液态金属是有粘性的流体。液态金属的粘性与其成分有关，在流动过程中又随液态金属温度的降低而不断增大，当液态金属中出现晶体时，液体的粘度急剧增加，其流速和流态也会发生急剧变化。2. 不稳定流动：在充型过程中液态金属温度不断降低而铸型温度不断增高，两者之间的热交换呈不稳定状态。随着液流温度下降，粘度增加，流动阻力也随之增加；加之充型过程中液流的压头增加或和减少，液态金属的流速和流态也不断变化，导致液态金属在充填铸型过程中的不稳定流动。3. 多孔管中流动：由于砂型具有一定的孔隙，可以把砂型中的浇注系统和型腔看作是多孔的管道和容器。液态金属在“多孔管”中流动时，往往不能很好地贴附于管壁，
4、此时可能将外界气体卷入液流，形成气孔或引起金属液的氧化而形成氧化夹渣。4. 紊流流动：生产实践中的测试和计算证明，液态金属在浇注系统中流动时，其雷诺数Re大于临界雷诺数Re临，属于紊流流动。例如ZL104合金在670浇注时，液流在直径为20mm的直浇道中以50cm/s的速度流动时，其雷诺数为25000，远大于2300的临界雷诺数。对一些水平浇注的薄壁铸件或厚大铸件的充型，液流上升速度很慢，也有可能得到层流流动。轻合金优质铸件浇注系统的研究表明，当Re20000时，液流表面的氧化膜不会破碎，如果将雷诺数控制在400010000，就可以符合生产铝合金和镁合金优质铸件的要求。有人通过水力模拟和铝合金
5、铸件的实浇试验证明：允许的最大雷诺数，在直浇道内应不超过10000，横浇道内不超过7000，内浇道内不超过1100，型腔内不超过280。综上分析，影响金属液流动的平稳性的主要因素是金属液的流动速度和浇注系统的形状及截面尺寸。为此，有必要研究液态金属在浇注系统中的流动情况。二、液态金属在浇注系统中的流动情况浇注系统是液态金属流入型腔的通道，通常由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等单元组成（图1-1浇注系统的基本形式）。分析液态金属在浇注系统中的流动规律、对正确地设计浇注系统有重要的作用。1. 液态金属在浇口杯中的流动情况1)、浇口杯的作用：承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇注；减轻
6、液流对型腔的冲击；分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔；增加充型压力头。2)、浇口杯的结构形状分类：漏斗形、池形。漏斗形浇口杯结构简单，挡渣作用差，由于金属液易产生绕垂直轴旋转的涡流，易于卷入气体和熔渣，因此这种浇口杯仅适用于对挡渣要求不高的砂型铸造及金属型铸造的小型铸件。池形浇口杯效果较好，底部设置凸起有利于浇注操作，使金属液的浇注速度达到适宜的大小后再流入直浇道。这样浇口杯内液体深度大，可阻止垂直轴旋转的水平旋涡的形成，从而有利于分离渣滓和气泡。3)、浇口杯内一旦出现水平旋涡会带入渣滓和气体，必须注意防止。漩涡产生的原因：当合金液从各个方向流入直浇道时，各向流量不均衡，某一流股的流向偏离直浇道中
7、心，就会形成水平涡流。根据水力学原理，水平涡流愈靠近中心部位压力愈低，液面愈低，这样浮在液面上的渣滓会沿着弯曲的液面，一面旋转，一面和空气一同进入直浇道，就有可能形成氧化夹渣等铸造缺陷。浇口杯内金属液的高度对漩涡产生的影响：水力模拟试验表明，影响浇口杯内水平旋涡的主要因素是浇口杯内液面的深度，其次是浇注高度，浇注方向及浇口杯的结构等。浇口杯内合金液面深度和浇注高度的影响如图1-2所示。液面深度大时不易出现水平旋涡（图1-2a），液面浅时易出现水平旋涡（图中b）。浇包嘴距浇口杯越高，水平旋涡越易于产生（图c）。液面浅和浇注高度大时，偏离直浇道中心的水平流速较高，因而易出现水平旋涡。（图1-2 液
8、面深度和浇注高度的影响）使用浇口塞抑制漩涡的产生：为了减轻和消除水平旋涡，对于重要的中、大型铸件，常用带浇口塞的浇口杯（图1-2）。先用浇口塞堵住浇口杯的流出口，然后进行浇注，当浇口杯被充填到一定高度，熔渣已浮起时，才拔起浇口塞，使合金液开始流入直浇道。浇口塞可用耐火材料或铸铁材料制成，其结构应能保证拔起浇口塞时不产生涡流。有时也用一金属薄片盖住浇口杯的流出口，当浇口杯被充填到一定的高度时，金属薄片受热熔化，浇口杯的流出口就被打开。为了有利于熔渣上浮到液面，浇口杯应有一定的高度，并将浇口杯与直浇道相连的边缘作成凸起状以促使浇口杯中液流形成垂直旋涡。垂直旋涡能促使熔渣和气泡浮至液面，对挡渣和分离
9、冲入的气泡有利。2. 液态金属在直浇道中的流动情况1)、直浇道的作用：将来自浇口杯的液流引入横浇道、内浇道或直接进入型腔。通过调整直浇道的高度，可获得足够的压头以保证金属液能克服沿程阻力损失，在规定的时间内以适当的速度充满型腔。直浇道越高，则压头越大，金属液进入型腔的速度越快，对充满薄壁铸件有利，但同时对铸型的冲击也愈大。2)、液态金属在直浇道中的流动特征：负压、离壁，容易吸入空气；控制方法：增大流动阻力、降低流动速度、减小直浇道尺寸。过去不少资料认为液态金属在直浇道中流动时，会呈负压状态，出现吸气现象。对液态金属在直浇道中的流动状态进行理论分析和水力模拟试验证明，对只有浇口杯和直浇道组成的浇
10、注系统、直浇道上口为尖角，浇道截面为等截面时，会出现液流离壁现象且有一定的负压存在。对液态金属在砂型直浇道中的流动状态进行模拟试验和摄影观察还得出：液态金属在直浇道中存在充满式流动和非充满式流动。在等截面的圆柱形和上小下大的倒锥形直浇道中液流呈非充满状态。在非充满的直浇道中，流股自上而下呈渐缩形，流股表面压力接近大气压力，微呈正压。流股表面会带动表层气体向下运动，并能冲入型内上升的金属液内。而在上大下小的锥形直浇道中液流呈充满状态，无负压和吸气现象。直浇道入口形状对液流流态影响较大，当入口为尖角时，增加了流动阻力和断面收缩率，常导致非充满式流动。要使直浇道呈充满状态，要求入口处圆角半径rd/4
11、（d为直浇道上口直径）。实际生产中常用的直浇道结构形式见图13。图中a型直浇道制造方便，应用广泛。对于极易氧化的铝、镁合金铸件，为了增大阻力降低流速，也可采用b、c、d所示的直浇道。常用直浇道都存在各种局部阻力，只要合理选用浇注系统的结构形式，就不会出现离壁和负压现象。（图1-3 砂型铸造用直浇道形式及常用断面形状）3)、浇口窝的作用有：缓冲作用。液流下落的动能有相当大的一部分被窝内液体吸收而转变为压力能，再由压力能转化为水平速度流向横浇道，从而减轻了对直流道底部铸型的冲刷。缩短拐弯处的高度紊流区。浇口窝可缩短高速紊流区（过渡区），也改善了横浇道内的压力分布（图14），压力分布特性说明过渡区的
12、存在。这对减轻金属氧化、阻渣和减少卷入气体都有利。当内浇道距直浇道较近时，应采用浇口窝。改善内浇道的流量分布。设置浇口窝，有利于内浇道流量分布的均匀化，例如在F直F横F内=12.55的试验条件下，无浇口窝时，两等断面的内浇道的流量分配为31.5%（近直浇道者）和68.5%（远者）；而有直浇道窝时流量分配为40.5%（近者）和59.5%（远者）。减少浇道拐弯处的局部阻力系数和水头损失。3液态金属在横浇道中的流动情况1）、横浇道是连接直浇道和内浇道的中间通道，它的功用主要有稳流、分配液流和挡渣三个方面。2）、横浇道的稳流作用及其实现液流从直浇道落下时，速度大不平稳，而经过浇口窝进入横浇道后，液流转
13、向并趋于平稳。3）、横浇道的流量分配作用及其实现液流充满横浇道的同时，即由横浇道分配给各个内浇道。同一横浇道上有多个等断面的内浇道时，各内浇道的流量不等。一般条件下远离直浇道的流量大，近直浇道的流量小。各内浇道的流量主要取决于合金液柱的高度、横浇道的长度、内浇道在横浇道上的位置以及各浇道断面积之比。（图1-5 浇注系统结构形式对流量不均匀性的影响）4）、横浇道的挡渣作用及其实现横浇道是浇注系统的主要挡渣单元，其挡渣作用与熔渣特性、横浇道本身结构、各浇道的相互配置关系有关。在横浇道中采取重力分离除渣原理如图1-6所示（图1-6 横浇道挡渣原理图）。随合金液进入横浇道的杂质，其运动受两个速度的作用
14、，即随液流向前运动的速度横和由于密度差引起的上浮或下沉速度浮，最后杂质以两者的合速度合向前上方运动。横浇道的挡渣设计，则应使杂质在合金液流入内浇道之间就上浮到合金液的表面。在横浇道中渣的上浮速度受流态影响比较复杂，影响上浮速度和横浇道挡渣作用的主要因素有：、杂质与合金液的密度差越大，渣子越易上浮除去。、渣团半径R越大，渣子上浮速度越大，越易除去。、合金液在横浇道中的流动速度横越大，液流在横浇道中的紊流程度越大，杂质上浮所遇到的干扰越大。当横达到一定程度时，杂质就浮不上来，而始终悬浮在液流中，此时的横临界速度称为悬浮速度。、合金液的粘度越大，则渣团上浮越慢，越难除去夹杂。根据以上对横浇道挡渣作用
15、原理的分析，为强化挡渣作用，在设计横浇道时常采用以下措施：、降低合金液在横浇道的流动速度。为此，在实际生产中常采用增加横浇道的水力学阻力的措施，例如采用搭接式横浇道或双重横浇道（图1-7）。采用扩张式浇注系统、增大横浇道的截面积也有利于降低横。 横浇道应呈充满状态，这样有利于使渣团上浮到横浇道顶部而不进入内浇道。减小浇注系统的扩张程度，采用底注式浇注系统等措施均有利于使横浇道呈充满状态。 内浇道的位置关系要正确。内浇道距直浇道应有一定距离，使渣团能浮上横浇道顶部而不进入内浇道。横浇道末端应有一定的延长段，以容纳最初进入横浇道的低温、含气及有夹杂的金属液，还可在末端设置集渣包。 在横浇道上设置过
16、滤网以滤除渣团，如图1-7（a）所示。 在横浇道上设置集渣槽是常用的除渣措施，而在铸铁件生产中则常用带有离心集渣包的浇注系统。金属流入集渣包因断面积突然增大，流速降低并在集渣包内产生旋涡，使密度较小的渣团向旋涡中心集中并浮起。5）、横浇道的结构形状横浇道的断面形状，可有圆形、半圆形、梯形等多种形式。以圆形的热损失最小和流动最平稳，但造型工艺较复杂。为了使直浇道与横浇道和内浇道连接方便和造型工艺简单，一般都采用高度大于宽度（高宽1.21.5）的梯形断面的横浇道。4液态金属在内浇道中的流动情况 1）、内浇道的作用：把液体金属引入型腔的最终单元，其功用是控制充型速度和方向，分配液态金属。可同时调节铸
17、件各部位的温度分布和凝固次序，并对铸件有一定的补缩作用。因此内浇道的位置、数量、尺寸大小等对铸件的质量有很大的影响。2）、内浇道与横浇道的相对位置是否正确，对浇注系统的稳流和挡渣作用影响极大。为了浮渣和挡渣，第一个内浇道不要离直浇道太近，最后一个内浇道距横浇道末端要有一定距离。而在高度方向上，内浇道一般应置于横浇道的中部，其底面与横浇道的底面平齐。3）、内浇道与铸件的相对位置和内浇口数量的选择应服从所选定的凝固顺序和补缩方式。为使铸件实现同时凝固，对壁厚不太均匀的铸件，内浇道应开设在薄壁处；对壁厚均匀的铸件则应开设较多的内浇道，并且分散、均匀地分布。为使铸件实现顺序凝固，内浇口应设在有冒口的厚
18、壁处，最好是通过冒口进入型腔，使冒口的温度较高，使厚大部位得到补缩。对于较高大的铸件，则应首先保证铸件自下而上的顺序凝固，水平方向上同时凝固，内浇道位置应尽可能使水平方向的温度分布均匀，通常把内浇道均匀地设置在铸件的薄壁处，在厚壁部位放置冷铁。4）、液流不要正对着冲击细小砂芯和型壁，以避免因飞溅、涡流等使铸件产生氧化夹渣、气孔和夹砂等缺陷。导入位置应选择沿着型壁方向，必要时切向引入，使金属液快速、平稳而均匀地充满型腔。5）、应仔细分析液流在型腔中的流动情况，其开设位置应使金属液在型腔中流程尽量短。6）、内浇道位置最好选择在铸件平面或凸出部位，以利于铸件的清理和打磨。7）、内浇道的形状多为扁矩形
19、。其宽度和厚度之比应按铸件壁厚和所要求的凝固形式而定。一般情况下，尽量采用薄的内浇道，其厚度为铸件壁厚的1/22/3。在铝、镁合金铸件生产中，对某些局部厚大部位，需要内浇道直接起补缩作用，内浇道结构形状及厚度则不受此限制。5液态金属通过过滤装置的流动情况在浇注系统中常用的过滤方法有：1）、过滤网过滤 铸造生产中常使用的过滤网是将耐热纤维织成的过滤网布（网眼尺寸为22mm），用数层叠放在横浇道的搭接面上。而在铝、镁合金铸件生产中也常使用厚度为0.20.5mm的钢片冲制而成的过滤网，过滤网可将大部分杂质阻留于过滤网前。同时由于液流通过网孔时遇到过滤网的阻力和断面突然扩大，使流动速度降低，也有利于使
20、一部分已挤过网孔的气泡和杂质上浮而阻留于过滤网背后的浇道中。过滤网的放置对挡渣效果影响很大，一般过滤网有如图18所示的几种放置位置。为了避免减少浇道的有效截面积，安置过滤网处的浇道应局部放大。浇道截面积局部放大程度，可用下式计算： （11）式中，F扩为浇道扩大部分的截面积；F原为浇道原来的截面积；a为过滤网的孔洞率；b为过滤网的通过效率，孔小而密的过滤网，b=90%，孔大而稀的过滤网b=80%。2）、过滤片过滤 国内外近年来采用泡沫陶瓷过滤片滤除合金液中的杂质，对滤除非金属夹杂物效果很好，当采用细孔泡沫陶瓷时，甚至可以滤除1m的夹杂物。过滤片孔隙尺寸越小，厚度越大，过滤压力越小，效果就越明显。
21、泡沫陶瓷过滤片适用于多种铸造方法，如砂型铸造、金属型铸造和低压铸造等。过滤片通过以图1-9所示的两种方式安放在浇注系统中的各个部位。金属液流经过滤片时，增加了局部阻力。为了保证一定的充型速度，应将放置过滤片处的截面积扩大或增加直浇道的高度以提高静压头。（图1-9 泡沫陶瓷过滤片在浇注系统中的放置位置）第二节 浇注系统的设计一、浇注系统的类型及应用浇注系统类型的选择是正确设计浇注系统的重要问题之一。它与铸件的合金成分、结构、大小、技术要求和生产要求有关。1按液态金属导入铸件型腔的位置分类1）、顶注式（又称上注式）浇注系统 、定义：金属液从铸件型腔顶部引入的浇注系统称为顶注式浇注系统。图1-10。
22、、优点：液态金属从铸型型腔顶部引入，在浇注和凝固过程中，铸件上部的温度高于下部，有利于铸件自下而上顺序凝固，能够有效地发挥顶部冒口的补缩作用。液流流量大，充型时间短，充型能力强。造型工艺简单，模具制造方便，浇注系统和冒口消耗金属少，浇注系统切割清理容易。、缺点：液体金属进入型腔后，从高处落下，对铸型冲击大，容易导致液态金属的飞溅、氧化和卷入气体，形成氧化夹渣和气孔缺陷。、适用范围：质量不大、高度不高、形状简单的中小铸件，铝合金和镁合金铸件在使用顶注式浇注系统时必须考虑液流在型腔内下落高度不能太大。2）、底注式（又称下注式）浇注系统 、定义：内浇道设在铸件底部的称为底注式浇注系统。图1-11、优
23、点：合金液从下部充填型腔，流动平稳。无论浇道比多大，横浇道基本处于充满状态，有利于挡渣。、缺点：充型后铸件的温度分布不利于自下而上的顺序凝固，削弱了顶部冒口的补缩作用。铸件底部尤其是内浇道附近容易过热，使铸件产生缩松、缩孔、晶粒粗大等缺陷。充型能力较差，对大型薄壁铸件容易产生冷隔和浇不足的缺陷。造型工艺复杂，金属消耗量大。、适用范围：底注式浇注系统广泛应用于铝镁合金铸件的生产，也适用于形状复杂，要求高的各种黑色铸件。（图1-11 底注式浇注系统）3）、中注式浇注系统 、定义：液态金属引入位置介于顶注和底注之间。图1-12、其优、缺点也介于顶注与底注之间。、适用范围：普遍应用于高度不大、水平尺寸
24、较大的中小型铸件，在铸件质量要求较高时，仍应控制合金液的下落高度即下半型腔的深度。采用机器造型生产铸件时，广泛使用中注式浇注系统。此时多采用两箱造型，内浇道开在分型面上，工艺简单，操作容易。（图1-12 中间注式浇注系统）4）、阶梯式浇注系统 、定义：在铸件不同高度上开设多层内浇道的称为阶梯式浇注系统。图1-13、优点：金属液自下而上充型，充型平稳，型腔内气体排出顺利。充型后上部金属液温度高于下部，有利于顺序凝固和冒口的补缩。充型能力强，易避免冷隔和浇不到等铸造缺陷。利用多内浇道，可减轻内浇道附近的局部过热现象。、缺点：造型复杂，有时要求几个分型面，要求正确的计算和结构设计，否则容易出现上下各
25、层内浇道同时进入金属液的“乱浇”现象，或底层进入金属液过多，形成下部温度高的不理想的温度分布。、适用范围：阶梯式浇注系统适用于高度大的大中型铸钢件、铸铁件。在铝合金、镁合金铸造生产中为了提高顶部冒口中金属液的温度，增强补缩作用，也可采用两层阶梯式浇注系统（即底层充填铸件，上层充填冒口）。5）、缝隙式浇注系统 、定义：合金液由下而上沿着整个铸件高度开设的垂直缝隙状内浇道，平稳地进入型腔，这种浇注系统称为缝隙式浇注系统。图1-14、优点：充型过程十分平稳，有利于铸件自下而上的顺序凝固液流充型过程十分平稳，不仅不会产生新的氧化夹渣，而且有利于熔渣上浮于立筒和铸件顶部的冒口中。在理想情况下，由缝隙进入
26、型腔的金属液每增加一层，其温度都比下一层高，从而建立了类似顶注式的温度分布，有利于铸件自下而上的顺序凝固，有利于上部冒口的补缩。、缺点：消耗液体金属多，工艺出品率低，浇道的切割既麻烦又费工。、适用范围：广泛应用于轻合金铸造中，尤其适合于缩松倾向较大的镁合金铸件。来说，它是常用的浇注系统类型之一。但由于切割困难、在铸钢件、铸铁件生产中较少应用。2按浇注系统各单元断面积比例分类浇注系统按直浇道、横浇道及内浇道断面积的比例关系，可分为收缩式、扩张式和半扩张式三种。1）、收缩式浇注系统、定义：直浇道、横浇道和内浇道的断面积依次缩小（即F直F横F内）的浇注系统称为收缩式浇注系统。、优点：易于浮渣，合金液
27、消耗少。此种浇注系统在充型的最初阶段直至整个充型过程，都保持充满状态，金属液中的渣子易于上浮到横浇道上部，避免进入型腔。此外，这种浇注系统所占体积较小，减少了合金的消耗。、缺点：液流不平稳，易引起喷溅和剧烈氧化。液态金属在这种浇注系统中流动时，由于浇道截面积越来越小，流动速度越来越大，从内浇道进入型腔的液流，流动速度很大，对型壁产生冲击，易引起喷溅和剧烈氧化。、适用范围：这种浇注系统主要用于不易氧化的铸铁件。2）、扩张式浇注系统、定义：直浇道、横浇道和内浇道截面积依次扩大的浇注系统（即F直F横F内）称为扩张式浇注系统。、优点：金属液在横浇道和内浇道中流速较慢，在进入型腔时流动平稳。、缺点：不足
28、之处是横浇道在充填初期不易充满，在开始阶段浮渣作用较差。、适用范围：易氧化的铝合金和镁合金要求液流平稳，大、中型铸件一般都采用扩张式浇注系统。3）、半扩张式浇注系统 、定义：F直F横F内，而且F内F直的浇注系统叫半扩张式浇注系统。、优缺点介于扩张式与收缩式之间，液流比较平稳，充型能力和挡渣能力比较好。、适用范围：适合于一般小型、结构简单铸件。在浇注系统设计中，其浇道比对铸件质量有较大的影响，所以正确选择浇道比也是浇注系统设计中一个重要内容。在生产实践中，对浇道比的选择已积累了不少经验，也有不少专著文献。但由于铸件结构、生产工艺等具体条件不同，很难归纳出一个行之有效，简单易行的确定方法。有关资料
29、和设计手册也列举了不同合金、不同结构铸件的浇道比，可供选择时参考。二、浇注系统的尺寸计算在浇注系统的类型和引入位置确定以后，就可进一步确定浇注系统各基本单元的尺寸和结构。目前大都采用水力学近似公式或经验公式计算出浇注系统的最小截面积，再根据铸件的结构特点、几何形状等确定浇道比，确定各单元的尺寸和结构。1按流体力学公式计算浇注系统求算最小断面面积以流体力学为基础的计算方法，是把合金液视作普通流体，浇注系统视为通道，对于扩张式浇注系统，其最小断面积为直浇道底部的横断面积。如果以浇口杯中的合金液面为一端，直浇道出口处为另一端，在两个断面之间应用伯努力方程则可推导出计算浇注系统最小断面积的公式为： （
30、1-2）式中，G为名充填铸型的液体金属重量（kg）；F为直浇道出口处的断面积（cm2）；为流量消耗系数；为浇注时间（s）；为液体金属的密度（g/cm3）；Hp为平均计算静压头（cm）对于收缩式浇注系统，其最小断面积为内浇口的截面积，用伯努力方程也可推导得到以上计算公式，按此公式，仔细确定式中各因素的数值，即可算出浇注系统的最小截面积。（1）G和的确定 在计算的铸件确定以后，即已确定。铸件图上一般已标出了铸件的重量，再加上浇注系统和冒口的重量即为G值。但此时浇注系统和冒口尚未设计出，可根据经验对铸件重量乘以适当的系数来求得。对铝镁合金、铸钢件G值一般为铸件重量的23倍，铸铁件为1.11.4倍。（
31、2）流量系数值的确定 是合金液在充填浇注系统和铸件型腔的过程中，由于遇到各种摩擦阻力、水力学局部阻力和合金液与铸型的热作用、物理化学作用等的影响，引起液流速度下降，流量消耗的一个修正系数。影响值的因素很多，难于用数学计算方法确定，一般都按生产经验和参考实验结果选定。铸铁和铸钢件的流量系数在0.250.50之间选取。对于航空铝、镁合金铸件所用的扩张式浇注系统，其值可在0.30.7之间选取。实际铸造时可根据铸件合金种类、浇注温度和铸件结构选择。（3）浇注时间值的确定 合适的浇注时间应根据铸件的具体结构、合金种类和铸造工艺方法来确定。有关资料中列举了大量的计算浇注时间的经验公式和图表可供设计时选用。
32、这些公式大部分不很完善，铸铁等不易氧化的合金铸件，主要依据铸件重量来定。而航空产品铝合金和镁合金铸件常以液面在型腔中适宜的上升速度为确定浇注时间的基本依据。（4）平均计算静压头Hp的确定 金属液平均计算静压头依简单的水力学推导可得出如下公式： （1-3）式中，H为内浇道以上至浇口杯中合金液面的高度（cm）；P为内浇道以上型腔高度（cm）；C为铸件型腔的总高度。在确定了、及Hp 之后，就可用公式（1-3）求出浇注系统的最小截面积（如计算收缩式浇注系统，最小断面积应是内浇道出口处的断面积），再按已选定的浇注系统各单元断面积之比以及各单元的结构形式即可初步确定浇注系统的具体尺寸。由于在最初计算时预定
33、的G、的数值是估算值，并且各单元断面积的实际比例与选定的也有出入，所以计算结果还需经过验算和调整。2用反推法确定浇注系统截面尺寸 对铝、镁合金类易氧化的合金铸件的生产实践证明：内浇道的位置、数量、断面形状和大小对铸件质量影响很大，采用上述方法，有时不能满足实际生产的要求。因此，在生产实践的基础上成功地总结出利用“反推法”来确定浇注系统各单元的尺寸。所谓“反推法”，就是根据铸件的具体生产工艺、首先确定内浇道的数量及其断面积的大小，然后根据内浇道的总断面积和已选定的浇道比，再确定其它单元的尺寸和结构，其具体步骤如下：1）根据铸件结构特点，选择浇注系统的类型和结构形式。2）根据合金种类、铸件结构特点
34、和生产工艺等具体情况，凭经验确定内浇道的数量和总断面积。一般都根据现场生产经验数据，通过归纳和总结，制定出表格形式，供设计同类铸件的浇注系统时选用。各种资料列举的表格很多，此处不再一一详述。3）根据与内浇道相连接的铸件壁厚，选择内浇道的厚度、宽度和长度。4）根据铸件特点选择浇道比，确定横浇道直浇道等各单元的尺寸。3缝隙式浇注系统的尺寸计算 缝隙式浇注系统的常见的结构形式如图1-15所示，这种浇注系统的作用和效果主要取决于立缝和立筒的结构形式及尺寸大小，它的设计方法与一般的浇注系统不同，如果把立缝和立筒视为一般的内浇道和集渣道来依次进行计算的话，不仅达不到预期目的，甚至会出现相反的结果。缝隙式浇
35、注系统的设计步骤和方法大致如下。（1）立缝数量和位置的确定 确定立缝的数量，首先应考虑对铸件要有充分的补缩作用。如果立缝数量不足，超出立缝补缩的部位将因组织不致密而使机械性能降低，或因产生缩松而使铸件报废。增加立缝的数量不仅使铸件得到补缩，还能使水平方向的温度分布更趋均匀，这对获得优质铸件有重要的意义。立缝数量的增加，显然会使金属液的消耗、立缝的切割和清整工作量增加，提高了铸件生产成本。立缝数量主要取决于铸件外廓尺寸和铸件的质量要求，对于中等大小的铸件，立缝数量一般可按下列经验公式确定。 （1-4）式中，n为立缝的数量；P为铸件外廓周长（mm）；为立缝的厚度（mm）。上式适用于质量要求一般的铸
36、件。航空航天产品对铸件质量要求比较高，铸件比较薄，横向补缩比较困难，采用的立缝数量应比较多，一般为上式计算值的1.52倍。立缝应尽可能均匀地分布在铸件外廓上，应设置在铸件的厚壁部位。在铸件的复杂型面上，最好不要设置立缝，以简化立缝切割和铸件清整工作。（图1-15 常见的缝隙式浇注系统示意图）（2）立缝和立筒尺寸的确定 立缝的厚度（）对缝隙式浇注系统的效果具有直接的影响。立缝厚度一般取连接处铸件厚度的80%150%。航空产品镁铸件，有时立缝厚度可达铸件壁厚的200%300%。（图1-16 立缝和立筒断面结构图）立缝常作成由下向上逐渐扩大的锥形，其锥度一般为23。为加强补缩，立缝在宽度方向也可作成
37、向着立筒逐渐扩大的形式。立缝的宽度一般控制在1535mm范围内。立缝与铸件相连处圆弧过渡。立筒主要起调节温度、补缩铸件的作用。立筒的直径根据立缝的大小来取，一般为立缝厚度的46倍。立缝与立筒的连接处也应倒成圆弧。主缝和立筒的高度通常与型腔的高度相等，即立缝和立筒都是自下而上地与型腔相连接。（3）其它各单元的设计 缝隙式浇注系统除了立缝和立筒外，还有直浇道、横浇道及将金属液导入立筒的内浇道。它们的作用、结构形式和尺寸确定办法与一般的底注式浇注系统相同。应用和设计缝隙式浇注系统时，还应注意与冒口、冷铁配合使用。对于高大的圆筒状铸件使用缝隙式浇注系统时，通常需要在铸件底部放置厚度较大的冷铁激冷，促使
38、下部金属液迅速降温，而在铸件顶部放有较大的冒口，将冒口和立缝、立筒自下而上地连通起来，这样可以加强冒口的补缩作用，对充分发挥缝隙式浇注系统的作用更有利。第三节 液态金属凝固收缩过程的工艺分析一、液态金属凝固过程的工艺特点液态金属成形的另一重要过程是凝固过程。这一节主要介绍凝固过程的工艺特点和工艺方法。本节的有关内容同学们在材料成形原理课程中学习过，现简单地回顾与复习一下。重点是在对液态金属凝固过程的工艺特点进行分析的基础上，为下一节的冒口与冷铁的设计打下基础。1铸件的凝固方式铸件的凝固方式可分为三种类型：逐层凝固、糊状凝固和中间凝固方式。凝固方式取决于凝固区的宽度。凝固区宽度主要受合金结晶温度
39、间隔和铸件断面上温度梯度两个因素的影响。1）、合金结晶温度间隔的影响 在断面温度梯度相近的情况下，合金结晶温度间隔越大，则凝固区域越宽，越易呈现为糊状凝固方式。纯金属和共晶合金，凝固过程中凝固区域宽度很小趋近于零，一般呈典型的逐层凝固方式。而对结晶温度间隔很大的合金，断面上的温度梯度又比较小时，铸件凝固期间各个时刻凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面，这时凝固则呈现为典型的糊状凝固或整体凝固。大部分铸造合金都有一定的结晶温度间隔，凝固区宽度可介于上述两种情况之间。2）、温度梯度的影响 合金的结晶温度间隔确定之后，凝固区域宽度主要取决于温度梯度。当温度梯度很大时，宽结晶温度间隔的合金可以有较小的凝
40、固区域，趋于中间凝固甚至逐层凝固。如高碳钢在金属型中的凝固情况就趋近于这种情况。当温度梯度很小时，凝固区域宽度一般均较大，甚至趋于体积凝固。例如工业纯铝在砂型中凝固时，为典型的体积凝固，而在金属型中铸造时则为逐层凝固。3）、凝固方式对铸件质量的影响 凝固方式对铸件质量的影响是多方面，影响到铸件的充型能力、补缩条件、缩孔类型、热裂纹愈合能力等，从而影响铸件的致密性和健全程度。逐层凝固时，凝固区域窄，凝固前沿较平滑，充型通道光滑，阻力小，充型能力好。液体补缩的通道短，阻力小，补缩比较容易。当铸件凝固后期收缩受阻出现热裂纹时，裂纹为液体重新充填而愈合的可能性较大。逐层凝固便于获得致密而健全的铸件。体
41、积凝固时，凝固区域宽，枝晶发达，由于流动阻力大，流速小，充型能力差。液体补缩通道长，补缩困难，结果形成分散的缩孔和缩松，一般铸造条件下难以排除。体积凝固时热裂倾向严重，铸件的致密性差。2铸件的凝固方向铸造生产中在铸造合金和铸型都已确定的情况下，由于铸件结构及浇注位置、浇口引入位置的不同，冒口或冷铁的设置等原因，铸件各部位凝固的先后次序及凝固进程也可能不同。凝固方向的研究是以铸件纵断面即铸件长度方向的断面为研究对象。在凝固方向上，根据凝固次序的不同可分为顺序凝固和同时凝固。1）、顺序凝固 图1-17为平板铸钢件轴线方向某瞬间的凝固情况示意图。远离冒口端由于多一个散热面，冷却较快、始终保持较低温度
42、且有较大的温度梯度，先于其它部位凝固，然后逐步向冒口部位推近。冒口附近的金属液保持在高温的时间最长、凝固最晚。铸件的相邻部位按一定先后次序和方向结束凝固过程叫顺序凝固。顺序凝固的铸件，其凝固前沿纵断面呈楔形，如图1-17中的角，角是两侧等固（液）相线间的夹角，称扩张角或补缩通道扩张角。越大，顺序凝固特征越突出、补缩越容易（图1-17 铸钢板形件凝固过程示意图）。顺序凝固的实现主要由铸件结构来决定。在铸造生产中可以采用必要的工艺措施来改变和影响凝固的顺序，如浇注系统形式不同，在铸件不同部位使用冒口和冷铁，都会改变铸件纵向上的温度分布，有利于形成顺序凝固和加强顺序凝固的程度。在顺序凝固的铸件或铸件
43、区段内，始终存在较大的温度梯度，凝固有先后之分，先凝固部分可以得到后凝固部分的补缩。在顺序凝固条件下，若冒口设计适当，可以防止铸件缩松、缩孔缺陷，铸件致密性好。这是顺序凝固的最大优点。顺序凝固的缺点是，由于铸件纵向温度较大，凝固先后不同，热裂可能在强度和塑性都比较小的区段产生。若凝固后冷却过程中仍保持较大的温度梯度，铸件中将产生应力和变形。此外，为了实现顺序凝固还需设置冒口、补贴及冷铁等工艺措施，将增加金属的消耗和生产费用。2）、同时凝固 铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性，称作同时凝固。在同时凝固的铸件或铸件区段，纵断面
44、温度梯度很小或没有温度梯度，图117所示平板铸钢件的中段，距离冒口和冷端都较远，则表现出无明显凝固方向的同时凝固的特征。许多均匀的薄壁铸件多属于同时凝固。同时凝固的铸件断面上扩张角为零，也不存在补缩通道。同时凝固条件下，由于不存在补缩通道，因此补缩条件差，铸件不致密。缩松的分布形式因凝固方式的不同而不同。体积凝固时，铸件断面各处都会有缩松；逐层凝固时，缩松主要集中在断面中心，称轴线缩松。同时凝固时铸件各处温度均匀，产生热裂的危险性小，也不易引起大的应力和变形。同时凝固所用冒口小甚至不用冒口或补贴，因而节约金属、简化工艺。研究铸件凝固过程及规律的目的是利用其规律获得健全优质的铸件。为此，应对凝固
45、过程进行必要而有效的控制。设计和使用冒口、冷铁及工艺补贴等都是最常用而且最有效的工艺措施。二、液态成形收缩过程的工艺特点及对铸件质量的影响液态金属成形过程是高温液态金属在铸型中冷却、凝固冷却至常温固态的过程，在这个过程中，会出现收缩。合金收缩会在铸件中产生缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等缺陷，在铸造工艺设计过程中必须予以控制和防止。1、缩孔和缩松缺陷的形成对于逐层凝固成形的铸件，当合金的液态收缩与凝固收缩之和大于其固态收缩，则会出现缩孔。缩孔一般在铸件顶部或最后凝固部位，如果在这些部位设置冒口，缩孔将被移入冒口中。当铸件为了体积凝固成形时。凝固区中的结晶骨架将残余的金属液分割，甚至封闭在枝
46、晶之间，液态收缩和凝固收缩的体积，将由被分割成分散的残余液相分担。若合金的固态收缩小于液态收缩与凝固收缩的总和，且其差值无以补偿，则在相应部位形成分散的收缩孔洞，即缩松。2、缩孔缩松产生的原因及部位（1）铸件结构 当铸件壁厚不均匀时，在局部厚大部位或内角处，因散热缓慢而形成热节，当热节部位得不到相邻部位对它的补缩，就会出现缩孔和缩松。均匀壁厚的厚壁铸件，板壁轴线部位凝固最晚，补缩最难，将出现轴线缩松。（2）工艺因素 当浇冒口设计不合理时，可能造成局部过热或补缩能力降低，在这些部位形成缩孔或缩松；冷铁的尺寸或布置不当，将阻隔补缩来源也会引起缩孔和缩松；金属液含气量过高，成分不当，氧化严重，变质处
47、理不良，浇注温度及浇注工艺不合理也都会引起缩孔缩松。3缩孔、缩松缺陷的防止防止铸件中产生缩孔、缩松是对铸件的基本要求之一。应根据合金凝固收缩的特点及对铸件质量的要求采取必要的预防措施。（1）采取适当的凝固方式及凝固方向 倾向于采取逐层凝固的方式和顺序凝固的方向，为此首先要减少凝固区域宽度。采用冷铁或其它激冷材料以提高铸型激冷能力，是以实现逐层凝固的有效并常用的方法。金属型在铝合金铸造中广泛应用；铸钢件及铝镁合金铸件中大量使用冷铁、铬铁矿砂、镁砂等激冷能力强的造型材料都是这一原则的体现。采取不同的凝固控制手段来实现顺序凝固的，常用手段有合理地设计冒口冷铁和补贴；有利于顺序凝固的浇注系统；合理地浇注温度和浇注速度；金属液从冒口引入内浇道等。顺序凝固和同时凝固是对立的统一。同时凝固原则在某些特定情况下也是合理的。铸件结构一般比较复杂，在生产中往往将两者综合应用之。（2）加压补缩 将铸
