一种金属流动性测试装置的研究

周志明，宋小放，陈元芳，唐丽文，刘 春，肖志佩

·实验技术·

一种金属流动性测试装置的研究

周志明，宋小放，陈元芳，唐丽文，刘 春，肖志佩

（重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054）

文中设计并制造了一种具有成本低、操作简单方便的新型金属流动性实验模具，并结合实践教学经验，研究了浇注温度、浇注高度、模具结构以及预热温度等不同条件下铝合金金属的流动情况。

金属流动性；实验模具；浇注温度；浇注高度

流动性是指液态金属本身的流动能力［1］。在实际生产中，金属流动性的好坏直接决定了合金能否铸造出结构复杂的铸件。若金属的流动性不好，熔液则无法完全充满型腔；反之，良好的流动性是获得轮廓清晰、尺寸完整、结构复杂铸件的前提，同时，良好的流动性有利于非金属夹杂物和气体的上浮与排除［2－5］。影响流动性的因素很多，主要是成分、温度以及金属液体中的杂质含量，在铸造过程中，浇注温度、模具预热温度及浇注压力（俗称浇注压头）的高低对流动性也有较大的影响。石德全［2］等设计了一种提高螺旋试样法测试铸造合金流动性准确性的新装置，并借助该装置，研究了铝合金浇注温度对流动性的影响，发现流动性随浇注温度的升高呈非线性增长。韩青有［6］等利用数学解析方法，推导合金流动性定性数学模型，揭示了结晶间隔与流动性的规律，晶粒大小对流动性的影响规律，以及合金成分与流动性的关系。常庆明［7］等以铝锂合金为对象，采用石墨型真空浇注及正交试验，找出了影响铝锂合金流动性的主要因素；基于伯努利方程和能量方程，模拟了铝锂合金液在条形试样中流动的速度、温度场分布及流动长度；采用体积函数法（VOF法），模拟了二维速度场、温度场和流动停止过程，为预测和防止冷隔、浇不足等缺陷提供了理论依据。侯文生［8］分别从理论和实际操作上分析了电阻丝传感器在高温情况下，测定液体金属充填铸型的长度、速度是可行的。杨钢［9］等设计了一种新型金属流动性测试装置，达到了制作成本低、易操作以及能够准确测量金属的流动性及热烈性的目的。

1 设计理念与模具结构

1.1 设计理念

本文提供了一种金属流动性实验装置，目的在于突破传统流动性实验装置只能在固定的浇注种系统、单一的温度及流动型槽结构下测定合金液流动性的局限性，同时在型槽下方开设测温孔，可准确测量温度，为实践教学提供了基础实验设备。

1.2 模具结构

金属流动性实验模具结构示意图如图1所示。该金属流动性实验装置包括对称的左、右半浇口杯2、19，左、右半浇道增补块3、15，上模4等，其中左、右半浇口杯2、19的锥部与左、右半浇道增补块3、15以及上模4的锥孔均相吻合，无需外加紧固块可直接保证左、右半浇口杯及左、右半浇道增补块合模，浇口杯位于浇道增补块的中间孔内，而浇道增补块又位于上模的中间孔内，浇口杯中形成浇口腔1和直浇道17，浇道增补块用于改变直浇道17的长度；上模4与下模7用导向销6连接兼做导向作用，上模4与下模7之间为可替换的中间镶块11，镶块11用螺钉10连接固定在下模7上，镶块11上有螺旋形流动型槽12和浇口窝13，直浇道17与流动型槽12和浇口窝13相连，流动型槽12与直浇道17垂直，在流动型槽12下方开设一测温孔14，用于放温度计以便测温；下模下方设有热偶孔9，用于放置热电偶以调控温度。

图1 金属流动性实验模具结构示意图

2 实验结果

为了测定在不同的浇注高度、不同的流动型槽以及不同的模具预热温度下液态金属的流动性，利用自主设计并制造的金属流动性实验模具，对在上述不同情况下的液态金属进行了流动性实验。

图2是在相同的浇注高度、浇注温度下，金属在模具中的流动情况。从图2可以看出，在不同复杂程度的模具结构中，金属在未预热模具中的流动情况（左侧）与模具经预热后结构相对复杂一点（右侧）的流动距离相比略短。其原因在于金属表面和模具直接接触，故与模具直接进行热交换，而对模具进行预热有助于降低模具与金属间的温度差，提高金属的流动性，使其更容易充填型腔；反之，则降低金属的流动性，其流动遇阻。

图2 相同浇注高度、浇注温度下，金属的流动情况

图3 是在浇注高度不同，而其他条件都相同的情况下，金属在模具中的流动情况。从图3可以看出，不同的浇注高度对金属的流动性有很大的影响，其中，浇注高度越高（左侧），金属的流动性越好，原因在于浇注高度越高，使金属流动的压力越大，金属越容易流动；反之，则使金属流动的压力越小，金属越不容易流动。

图3 浇注高度不同，其他条件相同，金属的流动情况

3 结束语

本文利用自制的金属流动性实验装置具有浇注高度可调、流动型槽可变、模具温度可测等特点，从浇注高度、浇注温度以及模具预热温度等角度分别对金属的流动性进行了实验研究，实验结果表明：适当提高浇注高度和浇注温度，并对模具进行预热处理都有助于金属材料的流动，使金属材料能够顺利充满型腔，为金属流动性的实践教学提供了基础实验设备。

［1］刘全坤，祖方遒，李萌盛，等.材料成形基本原理［M］.2版.北京：机械工业出版社，2010.

［2］石德全，李大勇，高桂丽.铸造合金流动性高精度测试装置试验研究［J］.特种铸造及有色合金，2007，27（10）：801－803.

［3］马明臻，曾松岩.TiCp/2024Al复合材料的流动性［J］.特种铸造及有色合金，2000（6）：26－28.

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［5］Sabatino M D，Arnberg L，Rorvik S，et al.The influence of oxide inclusions on the fluidity of Al－7wtSi alloy［J］.Materials Science and Engineering A，2005，413/414（11）：272－276.

［6］韩青有.合金流动性数学模型［J］.北京科技大学学报，1989，11（4）：312－317.

［7］常庆明，叶荣茂，安阁英，等.铝锂合金流动性及其数值模拟的研究［J］.特种铸造及有色合金，1994（5）：1－5.

［8］侯文生.铸造合金流动性的电测［J］.铸造工程·造型材料，2001（1）：22－25.

［9］杨钢，起华荣，王吉坤，等.金属流动性测试装置［P］.中国，ZL200520022619.9，2006－9－13.

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

国家自然科学基金资助项目（51101177）；重庆市高等教育教学改革研究重点资助项目（102201和102109）；重庆市研究生教育教学改革研究资助项目（Yjg110310和Yjg133004）；重庆理工大学重大教学成果培育资助项目；重庆理工大学实验教学改革资助项目和青年基金资助项目（31－16）。

周志明（1976－），男，博士，教授，主要从事材料成形教学与管理研究工作。