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立式离心铸造液态金属中气泡的运动规律
立式离心铸造液态金属中气泡的运动规律
——
离心铸造种铸造及有色合金2010年第30卷第12期
立式离心铸造液态金属中气泡的运动规律
刘爱辉.隋艳伟李邦盛.郭景杰.傅恒志.
(1.淮阴工学院机械工程系;2.中国矿业大学材料科学与工程学院;3.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院)
摘要研究了对立式离心力场下液态金属中,气泡的临界运动直径以及气泡的运动规律,建立了气泡的I临界运动直径和
运动速度方程,并进行了试验验证.结果表明,在立式离心力场下,临界运动直径随着旋转角速度和离心半径的增加而减
小;气泡的运动分解为上浮运动和向心运动,无论是竖直上浮方向还是水平向心方向,气泡开始运动后速度均增大,加速度
减小,当阻力和动力相等时,加速度为0,此时运动速度最大,之后速度逐渐减小;气泡的合成速度随着旋转角速度和离心半
径的增加而增大,旋转角速度和离心半径越大,气泡运动越快,气孔缺陷的形成越困难.试验结果与理论分析结果相符合.
关键词离心铸造;液态金属;气泡;临界直径;运动规律
中图分类号TG249.4文献标志码A文章编号1001—2249(201O)12—1I30一O5
DOI:10.387O/tZZZ.2010.12.018
离心铸造具有生产工艺简单,生产效率高,组织致
密等优点[1].然而在离心铸造合金中不可避免地存
在气孔缺陷,这不仅会减少铸件的有效截面积,在局部
造成应力集中,成为零件断裂的裂纹源,而且能明显地
降低铸件的气密性I5].因此有必要开展离心铸造条
件下气孔形成规律的研究.盛文斌等]以钛铝合金排
气阀金属型离心铸造过程为例,探讨了离心力场下排气
阀内部卷入性气孔的产生原因,谭银元n..研究了离心
铸造铝合金中气孔的产生原因及防治措施,Suzuki
等n]以及wu.ME等研究了离心铸造条件下合金中
的气孔缺陷.但是这些研究主要集中在试验方面,缺乏
深入的理论分析.
液态金属中的气泡长大到临界直径时,就会在力的
作用下脱离形核表面发生运动,气泡运动的速度关系到
气泡能否由液态金属中排出,因此对于离心力场下液态
金属中气泡的运动规律研究十分重要,而目前对于离心
铸造气泡运动规律的定量公式还未见报道.因此,本课
题对立式离心力场下液态金属中气泡运动时的临界直
径以及气泡的运动规律进行了理论研究,建立了气泡运
动时的临界直径和速度方程,并进行了试验验证.
1气泡运动时的临界直径
在液态金属中,当依附在外来表面的气核形成后,
溶解在金属液中的气体原子在浓度差和压力差的作用
下向气泡内扩散,使气泡体积不断增加,当气泡的体积
增加到一定值时气泡从依附的外来表面脱离,开始运
动,这一过程见图1[1引.
气泡脱离外来表面开始运动时的临界尺寸,由气泡
脱离时的动力和使气泡保持在固体表面的附着力决
定,即:
(b)gt;90
图1气泡形成过程示意图
Cl(pM—pB)ga—C2o(1)
上
do—A『.](2)Ltp
MPB,gJ
式中,d.为气泡脱离表面时的临界直径;C,C,A为常
数;pM为液态金属的密度;pB为气体的密度;为液态
金属与气泡间的表面张力;g为重力加速度.
在离心力场下,一切质点所受到的离心力相对于重
力增加了cc,r/g倍[1引,忽略重力影响,因此由式(2)得
到离心力场下的临界直径:
_{
do—A[]
式中,cU为旋转角速度;r为距离旋转中心的距离.
对比式(2)和式(3)可以看出,离心力场下气泡的临
界运动直径减小为重力场时的(gA,.r)寺倍,这说明离
心力场下形成的气泡比重力场下形成的气泡更容易脱
离形核基底而发生运动.
对式(3)求偏微分得到:
一一
A[南]吉
收稿日期:2009—11-20;修改稿收到日期:2010—10—22
基金项目:国家自然科学基金重点资助项目
第一作者简介:刘爱辉,女,1976年出生,博士,淮阴工学院机械工程系,江苏淮安(223003),电话E—mail:hlglah@tom.corn
1130
(4)
立式离心铸造液态金属中气泡的运动规律刘爱辉等
一一
南]jr专㈣
从式(4)和式(5)中可以看出.离心力场下临界直径
随着旋转角速度和离心半径的增加而减小.并且减小的
幅度变小.
2立式离心力场下气泡的运动
当离心力场下气泡直径大于临界直径时,气泡在压
力差的作用下开始运动,将合成运动速度分解为竖直向
上的上浮速度和向旋转中心的水平速度,见图2,图2
中M代表气泡.
\f一,
图2气泡运动速度分解示意图
2.1气泡的竖直上浮运动
当气泡的直径大于临界直径时.气泡在密度差的作
用下开始上浮.由于气泡处于液态金属中,此时气泡上
浮时受到的阻力,根据雷诺数不同,阻力表达式存在形
式上的差异.为了便于推导,只讨论阻力为Stokes
公式形式时的情
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