1.2 金屬充填鑄型的形態

壓鑄過程中，金屬液充填壓鑄模型腔的形態與鑄件的質量（致密度、氣孔、力學性能、表面粗糙度等）有著很大的關系，長期以來，人們對此進行了廣泛的研究。

在壓鑄過程中，金屬液充填壓鑄模型腔的時間極短，一般為百分之幾或千分之幾秒，在這一瞬間內，金屬液的充填形態是極其復雜的。它與鑄件結構、壓射速度、壓力、壓鑄模溫度、金屬液溫度、金屬液黏度、澆注系統的形狀和尺寸大小等都有著密切的關系。因而金屬液充填形態對鑄件質量起著決定性的作用，為此，必須掌握金屬液充填形態的規律，了解充填特性，以便正確地設計澆注系統，獲得優質鑄件。

1.2.1 金屬充填理論

金屬液充填壓鑄模型腔的過程是一個非常復雜的過程，它涉及流體力學和熱力學的一些理論問題。研究充填理論的目的在于運用這些理論以更好地指導選擇合理的工藝方案和工藝參數，從而消除壓鑄生產中出現的各種缺陷，以獲得優質的壓鑄件。充填過程主要有以下3種現象。

（1）壓入。壓射系統有必需的能量，對注入壓室內的金屬液施加高壓力和高速度使熔液經壓鑄模的澆口流向型腔。

（2）金屬液流動。熔液從內澆口注入型腔，而后熔液流動并充填型腔的各個角落，以獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件。

（3）冷卻凝固。熔液充填型腔后冷卻凝固，此現象在充填過程中自始至終地進行著，必須在完全凝固前充滿型腔各個角落。

為了探明壓鑄時液態金屬充填型腔的真實情況，許多壓鑄工作者進行了一系列的實驗研究工作，提出了各種充填理論。國內外壓鑄工作者對金屬液充填形態提出的各種不同觀點歸納起來有3種：噴射充填理論、全壁厚充填理論、三階段充填理論。

1．噴射充填理論

這是最早提出的一種金屬充填理論，它是由弗洛梅爾（L. Frommer）于1932年根據鋅合金壓鑄的實際經驗并通過大量實驗而得出的。實驗鑄型是一個在一端開設澆口的矩形截面型腔。通過研究，人們認為金屬液的充填過程可以分為兩個階段，即沖擊階段和渦流階段。在速度、壓力均保持不變的條件下，金屬液進入內澆口后仍保持內澆口截面的形狀沖擊到對面的型壁（沖擊階段）。隨后，由于對面型壁的阻礙，金屬液呈渦流狀態，向著內澆口一端反向充填（渦流階段）。這時，鑄型側壁對此回流金屬流的摩擦阻力以及此金屬流流動過程中溫度降低所形成的黏度迅速增高，使此回流金屬流的流速減慢。與此同時，一部分金屬液積聚在型腔中部，導致液流中心部分的速度大于靠近型壁處的速度。圖1-3所示為金屬液在型腔內的充填形態。

大量的實驗證實，這一充填理論適用于具有縫形澆口的長方形鑄件或具有大的充填速度以及薄的內澆口的鑄件。

根據這一理論，金屬液充填鑄型的特性與內澆口截面積Ag和型腔截面積A1的比值有關，壓鑄過程中應采用Ag/A1＞（1/4～1/3），以控制金屬液的進入速度，從而保持平穩充填。在此情況下，應在內澆口附近開設排氣槽，使型腔內的氣體能順利排除。

2．全壁厚充填理論

該理論是由布蘭特（W. G. Brandt）于1937年用鋁合金壓入試驗性的壓鑄型中得出的。實驗鑄型具有不同厚度（0.5～2mm）的內澆口和不同厚度的矩形截面型腔。內澆口截面積與型腔截面積之比Ag/A1在0.1～0.6的范圍內，用短路接觸器測定金屬液在型腔內的充填軌跡。

該理論的結論如下。

（1）金屬液通過內澆口進入型腔后，即擴展至型壁，然后沿整個型腔截面向前充填，直到整個型腔充滿金屬液為止。其充填形態如圖1-4所示。

（2）整個充填過程中不出現渦流狀態，在實驗中沒有發現金屬堆積在型腔遠端的任一實例，凡是遠端有欠鑄的鑄件，在澆口附近反而完全填實。因此認為噴射充填理論是不符合實際情況的，并且推翻了噴射充填理論所提出的將復雜鑄件看成若干個連續矩形型腔的說法。同時認為，無論Ag/A1的值大于或小于1/4～1/3，其結果并無區別。

按這種理論，金屬的充填是由后向前的，流動中不產生渦流，型腔中的空氣可以得到充分的排除。至于充填到最后，在進口處所形成的“死區”，完全符合液體由孔流經導管的水力學現象。

3．三階段充填理論

此充填理論是巴頓（H. K. Barton）于1944—1952年提出的。

按三階段充填理論所做的局部充填試驗表明，其充填過程具有3個階段，如圖1-5所示。

第一階段：金屬液射入型腔與型壁相撞后，就相反于內澆口或沿著型腔表面散開，在型腔轉角處，由于金屬液積聚而產生渦流，在正常均勻熱傳導下，與型腔接觸部分形成一層凝固殼，即為鑄件的表層，又稱為薄殼層。

第二階段：在鑄件表層形成殼后，金屬液繼續充填鑄型，當第二階段結束時，型腔完全充滿，此時，在型腔的截面上，金屬液具有不同的黏度，其最外層已接近于固相線溫度，而中間部分黏度很小，還處于液態。

第三階段：金屬液完全充滿型腔后，型腔、澆注系統和壓室是一個封閉的水力學系統，在這一系統中各處壓力是相等的，壓射力通過鑄件中心還處于液態的金屬繼續作用。

在實際生產中，大多數鑄件（型腔）的形狀比充填理論試驗的型腔要復雜得多。通過對各種不同類型壓鑄件的缺陷分析和對鑄件表面流痕的觀察可知，金屬在型腔中的充填形態并不是由單一因素決定的。例如，在同一鑄件上，工藝參數的變動也會引起充填形態的改變；在同一鑄件上，其各部位結構形式的差異亦可能產生不同的充填形態。至于采取哪種形態，則是由金屬流經型腔部位的當時條件而定的。

上述3種充填理論，在不同的工藝條件下都有其實際存在的可能性，其中，全壁厚充填理論所提出的充填形態是最理想的。

1.2.2 理想充填形態在三級壓射中的獲得

壓鑄件的氣孔、冷隔、流痕等缺陷都是由金屬充填型腔時產生的渦流和裹氣所引起的。渦流和裹氣現象又是金屬液高速射向型壁或兩股金屬流相對碰撞的結果。因此，理想充填形態的獲得，應保證在金屬液充滿型腔的條件下，以最低的充填速度及澆注溫度，使金屬流形成與型腔基本一致的金屬液柱，從一端順利地充滿型腔，排出氣體。

但這一形態的獲得，即使在適宜的澆注系統中使金屬液起到較完善的整流和定向作用，若沒有其他工藝條件的配合，亦難達到充填過程中各階段的要求。

三級壓射速度的定點壓射是改善充填形態的有效方法。所謂三級壓射速度定點壓射是指壓射缸在壓射過程中，按充填各階段的要求，分為三級壓射速度，每一級壓射的始終位置均有嚴格的控制。

在第一級壓射時，壓射沖頭以較慢的速度推進，以利于將壓室中的氣體擠出，直至金屬液即將充滿壓室為止。

第二級壓射則是按鑄件的結構、壁厚選擇適當的流速，以在充滿型腔過程中金屬液不凝固為原則，用糊狀金屬把型腔基本充滿。

第三級壓射是在金屬液充滿型腔的瞬間以高速高壓施加于金屬液上，增壓后使鑄件在壓力的作用下凝固，以獲得輪廓清晰、表面質量高、內部組織致密的優質鑄件。

由上述充填過程可知，三級壓射可避免一般充填中所發生的裹氣和渦流現象。在第二級壓射中，金屬液流進內澆口后，溫度有所下降，黏度相應提高；同時，金屬液在流入型腔后，因容積突然增大，向外擴張，當金屬液接觸到型壁后，金屬液流隨型腔而改變形狀，此時由于金屬液對型壁有黏附性，更使它的流動性降低。這樣，在型腔表面形成一層極薄的表皮，隨后按金屬流向逐步充填鑄型。因此，在適當的鑄型溫度及金屬液溫度下，第二級壓射形成了金屬流端部的金屬柱后，即使再增加壓射速度，亦不致有產生渦流的危害。所以，第二種充填形態的獲得有利于避免氣孔，特別對厚壁鑄件功效更大。

1.2.3 金屬液在型腔中的幾種充填形態

圖1-6所示為在某一壓力下金屬的充填形態。當改變內澆口截面積與鑄件截面積之比時，充填所需的時間也不同，當Ag/A1=1/3時，充填所需時間最短。

圖1-7所示為在一般壓力下，內澆口在型腔一側時的充填形態。

圖1-8所示為型腔特別薄時（對鋅合金可以薄到0.4mm）的充填形態。金屬流厚度接近于型腔，故金屬流入型腔后，即與型腔的一側或兩側接觸（見圖1-8（a）、（b））。與型腔接觸的金屬因冷卻而溫度降低，中間的金屬從冷凝金屬層1上面滑過去，又與前方的型腔壁接觸，而新的金屬液2從兩側逐漸冷卻凝固的金屬層中通過（見圖1-8（c）、（d））。

圖1-9所示為金屬流在型腔轉角處的充填形態。金屬液流入型腔轉角處會產生渦流（見圖1-9（b）），基本上沒有向前流動的速度，在型腔垂直部分充滿以前向左移動甚慢（見圖1-9（c）），在垂直部分充滿以后，后面的金屬推動前面的金屬向左流動（見圖1-9（d））。

圖1-10所示為型腔表面是一圓弧面時的金屬充填形態。金屬液有靠近外壁流動的趨勢，因此，靠近內壁處的空氣無法排出，易產生缺陷。