液態金屬
| 液態金屬 |
液態金屬是指一種不定型金屬，液態金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。液態金屬也是一種不定型、可流動液體的金屬。液態金屬成形過程及控制，液態金屬充型過程的水力學特性及流動情況充型過程對鑄件質量的影響很大可能造成的各種缺陷，如冷隔、澆不足、夾雜、氣孔、夾砂、粘砂等缺陷，都是在液態金屬充型不利的情況下產生的。正確地設計澆注系統使液態金屬平穩而又合理地充滿型腔，對保證鑄件質量起着很重要的作用。單質中只有水銀是液態金屬，鎵、銣、銫是低熔點金屬。
目錄
簡介
液態金屬在砂型中流動時呈現出如下水力學特性：1.粘性流體流動：液態金屬是有粘性的流體。液態金屬的粘性與其成分有關，在流動過程中又隨液態金屬溫度的降低而不斷增大，當液態金屬中出現晶體時，液體的粘度急劇增加，其流速和流態也會發生急劇變化。2.不穩定流動：在充型過程中液態金屬溫度不斷降低而鑄型溫度不斷增高，兩者之間的熱交換呈不穩定狀態。隨着液流溫度下降，粘度增加，流動阻力也隨之增加；加之充型過程中液流的壓頭增加或和減少，液態金屬的流速和流態也不斷變化，導致液態金屬在充填鑄型過程中的不穩定流動。3.多孔管中流動：由於砂型具有一定的孔隙，可以把砂型中的澆注系統和型腔看作是多孔的管道和容器。液態金屬在「多孔管」中流動時，往往不能很好地貼附於管壁，此時可能將外界氣體捲入液流，形成氣孔或引起金屬液的氧化而形成氧化夾渣。4.紊流流動：生產實踐中的測試和計算證明，液態金屬在澆注系統中流動時，其雷諾數Re大於臨界雷諾數Re臨，屬於紊流流動。例如ZL104合金在670℃澆注時，液流在直徑為20mm的直澆道中以50cm/s的速度流動時，其雷諾數為25000，遠大於2300的臨界雷諾數。對一些水平澆注的薄壁鑄件或厚大鑄件的充型，液流上升速度很慢，也有可能得到層流流動。輕合金優質鑄件澆注系統的研究表明，當Re<20000時，液流表面的氧化膜不會破碎，如果將雷諾數控制在4000～10000，就可以符合生產鋁合金和鎂合金優質鑄件的要求。有人通過水力模擬和鋁合金鑄件的實澆試驗證明：允許的最大雷諾數，在直澆道內應不超過10000，橫澆道內不超過7000，內澆道內不超過1100，型腔內不超過280。綜上分析，影響金屬液流動的平穩性的主要因素是金屬液的流動速度和澆注系統的形狀及截面尺寸。
評價
和簡單的非金屬液體有許多共同點，20世紀60年代以來對它研究較多。但人們對它的結構細節仍不清楚。熔融金屬的X射線或中子散射可得其徑向分布函數g(r)，它在平均意義上描述熔體結構。當r<σ(σ為原子有效直徑,圖1)，g(r)=0，說明原子似硬球，不能互相貫穿，r大於2～3nm時，原子完全無規排列,g(r)→1。原子周圍最近鄰的原子數叫配位數Z，其中ρ0是熔體粒子數密度。絕大多數金屬熔化時體積約增大5%，原子序數Z減小，金屬鍵不變。少數「反常金屬」（如Ga、Ge、Bi、Sb等）熔化時體積約收縮5%，Z增加，共價鍵部分地變為金屬鍵。各種金屬熔化後結構趨於相近，Z在9～12左右。熔體的Z和r1隨溫度上升而稍改變，但g(r)基本特點不變。液態金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。自由電子受到「贗原子」（它由正離子和起屏蔽作用的自由電子云組成）的很弱的勢作用。兩個正離子間，除了直接的靜電排斥勢外，還有一種間接的通過自由電子氣而相互作用的勢，上述兩種勢的疊加稱為原子-原子的有效勢φ(r)。理論分析指出：φ(r)在長程內有振盪（圖2）。人們已建立聯繫φ(r)和g(r)的積分方程，可以從φ(r)求解g(r)，或從g(r)求期φ(r)。用「硬球模型」可很好地闡明液態金屬的結構和某些熱力學性質。倘若取φ(r)為「硬球勢」，並配以合適的硬球直徑，同樣能得到與實驗一致的g(r)。通過傅里葉變換由衍射強度求得的g(r)總有一定誤差，人們至今不能肯定或否定熔體φ(r)振盪的存在。 [1]