一種金屬流動(dòng)性測(cè)試裝置的研究

周志明，宋小放，陳元芳，唐麗文，劉 春，肖志佩

·實(shí)驗(yàn)技術(shù)·

一種金屬流動(dòng)性測(cè)試裝置的研究

周志明，宋小放，陳元芳，唐麗文，劉 春，肖志佩

（重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054）

文中設(shè)計(jì)并制造了一種具有成本低、操作簡(jiǎn)單方便的新型金屬流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?，并結(jié)合實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，研究了澆注溫度、澆注高度、模具結(jié)構(gòu)以及預(yù)熱溫度等不同條件下鋁合金金屬的流動(dòng)情況。

金屬流動(dòng)性；實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?；澆注溫度；澆注高?/p>

流動(dòng)性是指液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力［1］。在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬流動(dòng)性的好壞直接決定了合金能否鑄造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件。若金屬的流動(dòng)性不好，熔液則無法完全充滿型腔；反之，良好的流動(dòng)性是獲得輪廓清晰、尺寸完整、結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件的前提，同時(shí)，良好的流動(dòng)性有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮與排除［2－5］。影響流動(dòng)性的因素很多，主要是成分、溫度以及金屬液體中的雜質(zhì)含量，在鑄造過程中，澆注溫度、模具預(yù)熱溫度及澆注壓力（俗稱澆注壓頭）的高低對(duì)流動(dòng)性也有較大的影響。石德全［2］等設(shè)計(jì)了一種提高螺旋試樣法測(cè)試鑄造合金流動(dòng)性準(zhǔn)確性的新裝置，并借助該裝置，研究了鋁合金澆注溫度對(duì)流動(dòng)性的影響，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)性隨澆注溫度的升高呈非線性增長(zhǎng)。韓青有［6］等利用數(shù)學(xué)解析方法，推導(dǎo)合金流動(dòng)性定性數(shù)學(xué)模型，揭示了結(jié)晶間隔與流動(dòng)性的規(guī)律，晶粒大小對(duì)流動(dòng)性的影響規(guī)律，以及合金成分與流動(dòng)性的關(guān)系。常慶明［7］等以鋁鋰合金為對(duì)象，采用石墨型真空澆注及正交試驗(yàn)，找出了影響鋁鋰合金流動(dòng)性的主要因素；基于伯努利方程和能量方程，模擬了鋁鋰合金液在條形試樣中流動(dòng)的速度、溫度場(chǎng)分布及流動(dòng)長(zhǎng)度；采用體積函數(shù)法（VOF法），模擬了二維速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流動(dòng)停止過程，為預(yù)測(cè)和防止冷隔、澆不足等缺陷提供了理論依據(jù)。侯文生［8］分別從理論和實(shí)際操作上分析了電阻絲傳感器在高溫情況下，測(cè)定液體金屬充填鑄型的長(zhǎng)度、速度是可行的。楊鋼［9］等設(shè)計(jì)了一種新型金屬流動(dòng)性測(cè)試裝置，達(dá)到了制作成本低、易操作以及能夠準(zhǔn)確測(cè)量金屬的流動(dòng)性及熱烈性的目的。

1 設(shè)計(jì)理念與模具結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)理念

本文提供了一種金屬流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)裝置，目的在于突破傳統(tǒng)流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)裝置只能在固定的澆注種系統(tǒng)、單一的溫度及流動(dòng)型槽結(jié)構(gòu)下測(cè)定合金液流動(dòng)性的局限性，同時(shí)在型槽下方開設(shè)測(cè)溫孔，可準(zhǔn)確測(cè)量溫度，為實(shí)踐教學(xué)提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

1.2 模具結(jié)構(gòu)

金屬流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該金屬流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)裝置包括對(duì)稱的左、右半澆口杯2、19，左、右半澆道增補(bǔ)塊3、15，上模4等，其中左、右半澆口杯2、19的錐部與左、右半澆道增補(bǔ)塊3、15以及上模4的錐孔均相吻合，無需外加緊固塊可直接保證左、右半澆口杯及左、右半澆道增補(bǔ)塊合模，澆口杯位于澆道增補(bǔ)塊的中間孔內(nèi)，而澆道增補(bǔ)塊又位于上模的中間孔內(nèi)，澆口杯中形成澆口腔1和直澆道17，澆道增補(bǔ)塊用于改變直澆道17的長(zhǎng)度；上模4與下模7用導(dǎo)向銷6連接兼做導(dǎo)向作用，上模4與下模7之間為可替換的中間鑲塊11，鑲塊11用螺釘10連接固定在下模7上，鑲塊11上有螺旋形流動(dòng)型槽12和澆口窩13，直澆道17與流動(dòng)型槽12和澆口窩13相連，流動(dòng)型槽12與直澆道17垂直，在流動(dòng)型槽12下方開設(shè)一測(cè)溫孔14，用于放溫度計(jì)以便測(cè)溫；下模下方設(shè)有熱偶孔9，用于放置熱電偶以調(diào)控溫度。

圖1 金屬流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)定在不同的澆注高度、不同的流動(dòng)型槽以及不同的模具預(yù)熱溫度下液態(tài)金屬的流動(dòng)性，利用自主設(shè)計(jì)并制造的金屬流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?，?duì)在上述不同情況下的液態(tài)金屬進(jìn)行了流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)。

圖2是在相同的澆注高度、澆注溫度下，金屬在模具中的流動(dòng)情況。從圖2可以看出，在不同復(fù)雜程度的模具結(jié)構(gòu)中，金屬在未預(yù)熱模具中的流動(dòng)情況（左側(cè)）與模具經(jīng)預(yù)熱后結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)（右側(cè)）的流動(dòng)距離相比略短。其原因在于金屬表面和模具直接接觸，故與模具直接進(jìn)行熱交換，而對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱有助于降低模具與金屬間的溫度差，提高金屬的流動(dòng)性，使其更容易充填型腔；反之，則降低金屬的流動(dòng)性，其流動(dòng)遇阻。

圖2 相同澆注高度、澆注溫度下，金屬的流動(dòng)情況

圖3 是在澆注高度不同，而其他條件都相同的情況下，金屬在模具中的流動(dòng)情況。從圖3可以看出，不同的澆注高度對(duì)金屬的流動(dòng)性有很大的影響，其中，澆注高度越高（左側(cè)），金屬的流動(dòng)性越好，原因在于澆注高度越高，使金屬流動(dòng)的壓力越大，金屬越容易流動(dòng)；反之，則使金屬流動(dòng)的壓力越小，金屬越不容易流動(dòng)。

圖3 澆注高度不同，其他條件相同，金屬的流動(dòng)情況

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用自制的金屬流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)裝置具有澆注高度可調(diào)、流動(dòng)型槽可變、模具溫度可測(cè)等特點(diǎn)，從澆注高度、澆注溫度以及模具預(yù)熱溫度等角度分別對(duì)金屬的流動(dòng)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：適當(dāng)提高澆注高度和澆注溫度，并對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱處理都有助于金屬材料的流動(dòng)，使金屬材料能夠順利充滿型腔，為金屬流動(dòng)性的實(shí)踐教學(xué)提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

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M easurement Equipment Research on M etal Fluidity

ZHOU Zhiming，SONG Xiaofang，CHEN Yuanfang，TANG Liwen，LIU Chun，XIAO Zhipei
（School of Material Science and Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

In order tomeet the practice teaching，a new metal fluidity experimentwith low costmould and simple operation was designed and manufactured.Combined with the practical teaching experience to study the flow ofmetal，the fluidity ofmetal under different conditions，such as the different pouring temperature，pouring height，themould structure and preheating temperaturewere studied in this paper.

metal liquidity；experimentalmold；pouring temperature；pouring height

TG379；G642.423

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.001

2013－11－08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51101177）；重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目（102201和102109）；重慶市研究生教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目（Yjg110310和Yjg133004）；重慶理工大學(xué)重大教學(xué)成果培育資助項(xiàng)目；重慶理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革資助項(xiàng)目和青年基金資助項(xiàng)目（31－16）。

周志明（1976－），男，博士，教授，主要從事材料成形教學(xué)與管理研究工作。