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重力铸造的最大临界速度


       在重力驱动的铸造类型中,比如重力砂铸、永久模铸造等工艺,有许多因素会制约充型过程,进而影响最终的铸件品质,其中包括温度、金属液合金成分、杂质含量、型腔造型等因素,然而其中对于充型具有决定性影响的因素是:金属液速度。


 

       上图是三个不同的内浇口金属液速度情况。a图是速度为0的情况,c图是速度很高的情况下的喷射效果,b图是最大临界速度。

 

       对于临界速度的定义是这样的,金属液能够在表面张力的制约下,平静稳定的流动充型,而不突破最上端的自由表面区域,这时的最大金属液速度,就是最大临界速度(Critical Velocity)。

 

       事实上,对于绝大多数流体和金属液来说,最大临界速度的数值是大约为0.5米/。换言之,在入水口速度低于0.5/秒时,金属液的充型会非常稳定,而不发生湍流(C图的效果)。这个数值是基于表面张力与金属液冲量造成的内部压力相平衡的计算结果,具体公式如下:

Vc=2(r/rρ1/2

 

      其中Vc是最大临界速度,r是金属液充填造成的上凸半球半径,ρ为金属液密度,而γ是自由表面张力。

 

       1995年,日本人Itamura通过实验和计算机仿真,佐证了这个0.5m/s的最大临界速度,他的实验结果发现,大于0.5m/s的速度进行充型,会显著增加卷气氧化皮等缺陷的风险。对于不同的金属材料来说,这个最大临界速度也略有差别。对于铸铁、钢和铜而言,最大临界速度约为0.4m/s,对于镁以及镁合金而言,临界速度约为0.55~0.6m/s之间

 

金属液超过最大临界速度的危害

 

       当金属液的速度超过了最大临界速度,那么原有的表面张力不足以对抗金属液的冲速,这样原有的金属液外表面就会被突破,形成湍流。在通常情况下,金属液的表皮部分会覆盖一层氧化物薄层,因为被空气中的氧原子氧化。

 

       注:金属液表面的覆盖层也常有其他物质,比如铁液的表面也常有石墨层,只是氧化物层的情况最为常见

 

        突破了原有金属液的外表面之后,就会形成新的氧化层,在重力的作用下,飞溅的股液会重新落下,这样发生新旧两层氧化皮的折叠堆积(简称Bifilms),当铸件凝固之后,这些氧化皮折叠的区域会表现为铸件上或者内部的缝隙裂痕,造成铸件的可见表面缺陷、降低铸件的机械强度和疲劳寿命、以及铸件气密性不良等问题

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