反重力鑄造充型過程的水力學特征和氧化膜卷入機制.pdf

1、反重力鑄造技術具有充型平穩(wěn)優(yōu)勢，被認為是解決氧化膜和夾雜卷入的有效技術手段。然而，在實際生產(chǎn)中，對于結構復雜的鋁（鎂）合金鑄件，在采用反重力鑄造時依然會出現(xiàn)一定程度卷氣、夾雜等缺陷，影響鑄件的冶金質(zhì)量和力學性能。深入揭示反重力鑄造中卷入性缺陷的形成與演化規(guī)律，對制備優(yōu)質(zhì)鑄件，優(yōu)化鑄造工藝具有重要重要的理論意義和實用價值。基于此，本文利用水力學計算、相似物理模擬和生產(chǎn)性驗證相結合的方法，從反重力鑄造充型過程的水力學特征出發(fā)，研究了加壓速度

2、和型腔截面變化對澆口速度的影響，以及澆口速度對充型形態(tài)和充型穩(wěn)定性的作用規(guī)律，明晰了反重力鑄造過程中，表面氧化膜卷入機制，并且給出了避免表面膜卷入的基本工藝原則。此外，本文還分析了澆道結構形式對充型穩(wěn)定性的影響，提出了適用于反重力鑄造的澆道結構形式。
　　建立了與實際工況接近的反重力鑄造物理模型，并根據(jù)型腔截面變化程度設計了4種典型型腔結構，利用VOF兩相流方法，研究了設備參數(shù)、工藝參數(shù)和型腔截面變化對澆口速度的影響規(guī)律。結果表明

3、，根據(jù)澆口速度的變化規(guī)律，突擴結構的充型過程可分為鋪展階段和充型階段。在鋪展階段，澆口速度首先快速增加；在充型階段，隨后隨著加壓速度的不同，澆口速度表現(xiàn)出三種不情況：加壓速度較大時，澆口速度繼續(xù)增加；加壓速度合理時，澆口速度保持不變；加壓速度較低時，澆口速度先降低后保持不變。漸擴結構的鋪展階段所需時間較短，澆口速度增加幅度略小。在充型階段，澆口速度始終不斷增加，加壓速度越大，澆口速度增加越快。澆口速度的增加速度始終低于鋪展階段。突縮結構

4、的充型特點是當金屬液流入小截在后，澆口速度快速降低，隨后開始具有衰減振蕩的特點。在漸縮結構的充型過程中，澆口速度緩慢降低。加壓速度越大，澆口速度下降速度越快，速度振幅越小。在反重力鑄造充型過程中，加壓速度和型腔截面變化對澆口速度的影響同等重要。
　　對充型形態(tài)和速度場的分析表明，升液階段平均速度小于0.12m/s時，鋁液表面的氧化膜能附著到升液管壁上。否則，表面膜將在升液管壁附近被撕裂，漂浮在升液管中部的液面上，進入型腔后存在卷入

5、金屬液內(nèi)部的可能。突擴結構和漸擴結構充型過程中的鋪展階段，由于截面增大，金屬液水平流動，型腔內(nèi)液面升高速度降低。加壓速度越大，下罐壓力和型腔液面高度產(chǎn)生的壓力的差值越大，澆口速度增加越大，射流越嚴重。突擴結構和漸擴結構的臨界澆口速度為0.5m/s。當澆口速度大于0.5m/s時，射流作用使金屬液在自由表面上被抬高，回落到液面時攜裹氧化膜進入金屬液內(nèi)部，形成卷入性缺陷。在突縮結構中，型腔橫截面積變小，金屬液流入小截面后，液面前沿的速度在慣性

6、作用下快速增加，當加壓速度保持不變時，下罐壓力不足以支撐液面的高度，導致液面回流。型腔壁上附著的金屬液快速凝固結殼，當液面再次上升時，形成雙層膜形式的表面裂紋。通過在截面變化處增加加壓速度可以避免突縮結構和漸縮結構充型過程中形成表面裂紋。
　　針對傳統(tǒng)澆道結構在反重力條件下充填時易產(chǎn)生卷氣和液面回流的問題，研究發(fā)現(xiàn)通過減小橫澆道的長度并增加其高度，同時采用較低的加壓速度充填橫澆道能夠避免上述問題，但在實際應用中仍有局限性?！癥”形