合金的化学成分和热物理性质详解

（一）成分的影响

合金的流动性与其成分之间存在一定规律性。在状态图上，对应共晶、纯金属、金属化合物的成分，流动性出现极值（最高点）；对应结晶温度范围大的成分，流动性出现低值，见图6-9。

图6-9　Sb—Cd合金的流动性

Fe—C合金的流动性和状态图的关系见图6-10，左边表示的是在一定过热度（Δt=常数）条件下的流动性，右边表示在一定浇注温度下的流动性。可见，在常用的亚共晶铸铁中，C量增加，流动性增高。共晶成分的铸铁具有最高的流动性。实践中，铸件是在一定温度范围内浇注的，人们的体验是低碳钢的流动性不如高碳钢，虽然前者的结晶温度范围小。但铸铁的流动性比铸钢好，铸钢的过热度小，特别是低碳钢的过热度更小，是其原因之一。

合金元素对Fe—C合金的流动性影响如下：

（1）P。使铸铁的液相线温度下降，且是表面活性物质，降低黏度和表面张力，能显著地提高铸铁的流动性。但磷使铸铁变脆。对不受载荷的艺术品铸件；适当提高含磷量，可获得清晰的花纹和轮廓。对机械铸件，通常不采用增磷法来提高流动性。磷对铸铁流动性的影响见图6-11。

（2）Mn和S。锰单独存在时，对铸铁的流动性无显著影响。硫单独存在时，由于降低铸铁的黏度和表面张力，故提高流动性。但硫增加铸铁脆性和裂纹倾向，一般都限制其含量。铸铁中总是同时含有锰和硫的，因此，随着硫量增加，会增加MnS夹杂物，悬浮在铁液中使黏度升高。含硫高的铸铁液表面容易形成氧化膜，导致铸铁流动性显著降低。

图6-10　Fe—C合金的流动性和状态图的关系

（3）Ni、Cu和Cr。镍和铜降低铸铁的液相线温度，而铬提高铸铁的液相线温度。由于普通铸铁中这些元素含量很低，对流动性之影响甚微。

（4）Mg和稀土元素。在同样浇注温度和化学成分的条件下，含微量稀土、镁元素的球墨铸铁的流动性，高于经纯镁处理的球墨铸铁，和灰铸铁相同或微优。经过球化处理和孕育处理的球墨铸铁液，一方面因稀土、镁有脱硫、去气作用，排除了一些夹杂物，使铁水纯净，因而可提高铁液的流动性；另一方面，处理中也带入一些非金属夹杂物，又会使流动性降低。实际上，由于球化处理、孕育处理，使铁液温度下降，故浇注时实际充型能力低于一般灰铸铁。

（5）铸钢。w si＜0.6%时，增加硅量，流动性升高；w Mn＜2%时，锰量变化对钢的流动性无显著影响；w Mn=2%～14%时，增加锰，提高流动性；w P＞0.05%时，增加钢的流动性，但使铸件变脆，硫因形成MnS、Al2 S等夹杂物而降低钢的流动性，铜提高钢的流动性。(www.xing528.com)

（二）合金性质的影响

合金液的密度ρ1、比热容c 1和熔化热L值越大，则充型能力越高。可以想到，密度和比热容的乘积（c1ρ1）代表单位体积合金液的比热容，在同样过热度的条件下，密度和比热容乘积大的合金，单位体积内含有较多的过热热量，因而保持液态时间长，故流动性好。熔化热值高的合金或金属，结晶时释放的潜热值高。熔化热约占纯金属液总热含量的85%～90%。纯金属和共晶合金在一定温度下（或很窄的温度范围内）结晶，释放的结晶潜热愈大，凝固时间也愈长，充型能力也愈好；对宽结晶范围的合金，当其流头部分散失约15%～20%的结晶潜热时即失去流动能力，故熔化热值高，对合金流动性增长并不明显。这是一般规律。

图6-11　磷对铸铁流动性的影响

（铸铁中w C=3%，w Si=2%）

图6-12　AI—Si合金的流动性与状态图的关系

某些特例，如铝硅合金、铸铁和铅锑合金，由于熔化热值大，使得过共晶合金的流动性依然很高。过共晶铝硅合金的初生相为块状硅晶体，硅的结晶潜热为14l×104 J/kg，比亚晶铝硅合金的初生相的结晶潜热大3倍。过共晶石墨铸铁的初生相为石墨，石墨的熔化热为383×104 J/kg，为Fe的14倍。这两种合金的初生相是非金属且熔化热值高，初生相的强度低，也不形成坚固的结晶网络。因而，液—固混合相有很好的流动性和充型能力。铝硅合金的流动性和状态图的关系见图6-12。

金属的热导率小，热量散失慢。金属或合金保持的流动时间被延长，且铸件断面上固—液两相区相对较窄，故流动阻力小，增加流动性。

合金元素大都使金属的导热性降低，故有利于流动性。但也有些元素降低合金的流动性。例如，Fe、Ni使铝合金的初晶成为发达的树枝晶，还出现针状的FeAl3。Cu扩大铝合金的结晶温度范围，从而降低其流动性。

（三）黏度和表面张力的影响

黏度大，合金流动中的内摩擦力大，导致阻力损失增加，因而降低流速，使流动性减小。黏度还影响流动状态，黏度大的合金易成层流状态。依水力学知，层流时，水头损失和流速成正比；紊流时，水头损失与流速的m（m＞1）次方成正比，还与雷诺数及型壁的相对粗糙度有关。实际上合金液在浇注系统中都呈紊流状态，正常温度浇注时，黏度的影响并不明显。只在浇温过低时，这时黏度很大，对流动性才有显著的影响。

表面张力σLG的影响可分为两种情况：当合金液不润湿型壁时（θ＞90°），依式（6 15）知，σLG越大，则越不利于铸件细薄部分的充填，因为需要更高压力头来克服表面张力形成的负压力头。但能更有效地阻止机械粘砂。σLG越小则对充型越有利；当合金润湿型壁时（θ＜90°），有利于充型能力的提高，但易引起严重的机械粘砂。