液态加工中黏度对产生的影响

1）黏度对液态金属净化的影响

黏度在液态加工过程中的意义首先表现在对液态金属净化的影响。液态金属中存在各种夹杂物及气泡等，大部分情况下必须尽量去除，否则会影响材料或成形件的性能，甚至发生灾难性的后果。

被卷入液态金属中的杂质，密度和液态金属不同，一般杂质密度均小于液态金属密度，在大多数情况下要上浮至液态金属的表面。液态金属中杂质的上浮或下沉速度由杂质所受液体的排斥力和杂质的运动阻力所决定。

杂质进入液态金属后，无论是上浮还是下沉，在最初非常短的时间内它以加速度运动，以后便是匀速运动，这说明杂质所受到的诸力很快处于平衡。设杂质的体积为Q，液态金属的密度为ρ1，杂质的密度为ρ2，则杂质受到液态金属的排斥力P为

据斯托克斯（Stokes）试验，液态金属对半径小于0.1cm的球形杂质的运动阻力Pc为

式中，v——杂质的运动速度；

　　r——杂质半径；

　　η——液态金属的黏度；

　　g——重力加速度。

作用在杂质上的力处于平衡时：

因此，杂质的匀速上浮速度为

对于球形杂质，其上浮速度为

式（2-10）就是著名的Stokes公式。

从斯托克斯公式可知，杂质在液体金属内部的上浮速度的影响因素有：

①与杂质和金属之间的密度差（ρ1-ρ2）成正比；

②与杂质颗粒半径成正比，颗粒越大上浮速度越快；(www.xing528.com)

③与液态金属的黏度成反比，温度越高，黏度越低，将有利于杂质上浮。

杂质沉浮的速度非常重要，若此速度大则易于去除，使液态金属得以净化，有利于获得优质铸件，否则就难以净化。

在液态加工过程中，应用Stokes原理，为了精炼去除非金属夹杂物，金属液需加热到较高的过热度，以降低黏度，加快夹杂物和气泡的上浮速度。另一方面，在用直接气泡吹入法制备金属多孔材料时，为防止气泡上浮脱离，需向液态金属中加入大量的氧化物等颗粒状增稠剂，提高金属液的黏度，防止气泡逸出，才能成功制备气孔均匀分布的多孔材料。

2）黏度对对流态和流动阻力的影响

液体的流动状态取决于雷诺准则数Re，根据流体力学可知，临界雷诺数Re>2 300为紊流，Re<2 300为层流。雷诺准则数Re的表达式为

式中，D——管道直径；

　　U——流体平均流速；

　　υ——运动黏度。

设f为流动阻力系数，则有

从以上两式可知，液态金属的流动阻力在层流流动时受黏度的影响远比在紊流流动时大，在一般浇注情况下，液态金属在浇道中和型腔中的流动皆为紊流，在型腔的细薄部位，或在充型的后期，由于流速显著下降，才可能呈现层流流动。

3）黏度对成形质量的影响

影响铸件轮廓的清晰程度：在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层流。此时，为降低液体的黏度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。

影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向：由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均属于层流性质，此时黏度对流动的影响会直接影响到铸件的质量。

影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧：在铸造合金熔炼及焊接过程中，这些冶金化学反应均是在金属液与熔渣的界面进行的，金属液中的杂质元素及熔渣中的反应物要不断地向界面扩散，同时，界面上的反应产物也需要离开界面向熔渣内扩散。这些反应过程的动力学（反应速度和反应进行到的程度）受到反应物及生成物在金属液和熔渣中的扩散速度的影响，若金属液和熔渣的动力学黏度η低，则有利于扩散的进行，从而有利于脱去金属中的杂质元素。