邢小穎，湯 彬，徐江波，馬 運

（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)合金流動性的因素主要有3個方面。

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

（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，對液態(tài)合金的流動阻力較小。同時，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阻力加大，合金的流動性大大下降。一般來說，合金的結(jié)晶溫度區(qū)間越寬，流動性越差。

（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，會使合金的流動性增加。鑄鋼的澆注溫度為（1520～1620）℃，鑄鐵為（1230～1450）℃，而鋁合金為（680～780）℃。

1 試驗材料及方法

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

圖1 各種流動性的示意

螺旋試樣法是測定鑄造合金流動性最常用的方法，分為標準法和簡易法。 標準法采用同心三螺旋流動性測試裝置，而本試驗采用簡易法單螺旋流動性測試裝置（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)簡單，外流式的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，測定結(jié)果的精確度較高。在測試過程中：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)進行溫度的測量，并控制澆注溫度在合金相線以上（50～90）℃；當測得的溫度到達要求時，應(yīng)立即進行澆注，澆注液流應(yīng)平穩(wěn)；澆注完成后等待30 min進行落砂處理，處理完成即可測出螺旋試樣長度；測量完成后，判定合金流動性的標準就是所測試樣長度和澆注時的溫度。標準法的測試標準是以每次測試的3個同心螺旋線的算術(shù)平均值為結(jié)果，而簡易法的測試標準是以3次相同合金同樣的澆注溫度下的單螺旋線長度的算術(shù)平均值為結(jié)果。每次測試時，因為鑄型條件和澆注條件不能保證完全一致，特別是澆注速度、流量等波動對測試結(jié)果有很大的影響，所以采用這種測試方法最為重要的一點是穩(wěn)定金屬壓頭。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 實驗步驟

本次實驗測定合金的流動性，測定步驟如下。

（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性砂型試樣各3個。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 單螺旋流動性試樣形狀及尺寸

圖3 簡易法測試合金流動性的鑄型合型

（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，分別用熱分析裝置測試其冷卻曲線。

（4）澆注后30 min打箱，用鋼絲刷刷去試樣表面型砂。

（5）澆注單螺旋流動性金屬型試樣各3個。

（6）用卡尺測量砂型和金屬型螺旋試樣的長度。

2.2 實驗數(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，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，保持恒溫的時間越來越長。

2.2.2 流動性測定（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，鋁硅共晶合金試樣明顯比ZL101試樣長，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、試樣長度越長，流動性越好。

（4）澆注時間。比較1-2和1-3，可知澆注時間越短、試樣長度越長，流動性越好。

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、澆注溫度和澆注時間。

3 結(jié)論

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

（2）對于同一種鑄造合金，鑄造溫度越高，螺旋試樣長度越長，金屬的流動性越好。

（3）對于同一種鑄造合金，澆注時間越短，螺旋試樣長度越長，金屬的流動性越好。

圖4 3種材料的凝固曲線

表1 3種材料的流動性測定數(shù)據(jù)

（4）對于相同的鑄造合金，在砂型中的流動性比在金屬型中的流動性好，這是因為金屬型的蓄熱系數(shù)比砂型的蓄熱系數(shù)大，激冷能力強，因此在金屬型中的流動性比較差。