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重力鑄造的最大臨界速度


       在重力驅動的鑄造類型中,比如重力砂鑄、永久模鑄造等工藝,有許多因素會制約充型過程,進而影響最終的鑄件品質,其中包括溫度、金屬液合金成分、雜質含量、型腔造型等因素,然而其中對于充型具有決定性影響的因素是:金屬液速度。


 

       上圖是三個不同的內澆口金屬液速度情況。a圖是速度為0的情況,c圖是速度很高的情況下的噴射效果,b圖是最大臨界速度。

 

       對于臨界速度的定義是這樣的,金屬液能夠在表面張力的制約下,平靜穩定的流動充型,而不突破最上端的自由表面區域,這時的最大金屬液速度,就是最大臨界速度(Critical Velocity)。

 

       事實上,對于絕大多數流體和金屬液來說,最大臨界速度的數值是大約為0.5米/。換言之,在入水口速度低于0.5/秒時,金屬液的充型會非常穩定,而不發生湍流(C圖的效果)。這個數值是基于表面張力與金屬液沖量造成的內部壓力相平衡的計算結果,具體公式如下:

Vc=2(r/rρ1/2

 

      其中Vc是最大臨界速度,r是金屬液充填造成的上凸半球半徑,ρ為金屬液密度,而γ是自由表面張力。

 

       1995年,日本人Itamura通過實驗和計算機仿真,佐證了這個0.5m/s的最大臨界速度,他的實驗結果發現,大于0.5m/s的速度進行充型,會顯著增加卷氣氧化皮等缺陷的風險。對于不同的金屬材料來說,這個最大臨界速度也略有差別。對于鑄鐵、鋼和銅而言,最大臨界速度約為0.4m/s,對于鎂以及鎂合金而言,臨界速度約為0.55~0.6m/s之間

 

金屬液超過最大臨界速度的危害

 

       當金屬液的速度超過了最大臨界速度,那么原有的表面張力不足以對抗金屬液的沖速,這樣原有的金屬液外表面就會被突破,形成湍流。在通常情況下,金屬液的表皮部分會覆蓋一層氧化物薄層,因為被空氣中的氧原子氧化。

 

       注:金屬液表面的覆蓋層也常有其他物質,比如鐵液的表面也常有石墨層,只是氧化物層的情況最為常見

 

        突破了原有金屬液的外表面之后,就會形成新的氧化層,在重力的作用下,飛濺的股液會重新落下,這樣發生新舊兩層氧化皮的折疊堆積(簡稱Bifilms),當鑄件凝固之后,這些氧化皮折疊的區域會表現為鑄件上或者內部的縫隙裂痕,造成鑄件的可見表面缺陷、降低鑄件的機械強度和疲勞壽命、以及鑄件氣密性不良等問題

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