第三章液态成形过程的传热概要

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1、1,第三章 液态金属成形过程的传热,2,合金从液态转变为固体的状态变化，称为一次结晶或凝固。 一次结晶和凝固的区别： 前者主要从物理化学观点出发，研究液态金属的生核、长大、结晶组织的形成规律。 后者主要从传热学的观点出发，研究铸件与铸型的传热过程，铸件断面上凝固区域的大小，凝固方式与铸件质量的关系，以及铸件的凝固时间等。,3,第一节 液态成形过程的传热特点与方式 第二节 铸件凝固温度场 第三节 铸件凝固时间的确定 第四节 铸件的凝固方式及其对铸件质量的影响,4,第一节 液态成形过程的传热特点与方式,液态成形过程即铸件的凝固过程。液态金属从浇铸开始，便开始了铸件与铸型的热交换过程。 金属液接触到

2、铸型，因此存在热传导。 液态金属受到铸型壁的激冷，其流动特性发生改变，影响金属的强制对流程度，从而影响对流热交换。 辐射热交换,三个基本传热方式,5,液态金属注入铸型中后随即发生两个过程: 1、液态金属的温度不断下降； 2、铸型的温度不断上升 。 铸件的外表温度和铸型的内表面温度是否相同？ 凝固收缩产生铸件与铸型的间隙和涂料都导致铸件表面温度与铸型型腔表面温度不同。 因此，铸件与铸型之间是一个“铸件中间层铸型”的不稳定热交换系统。,第一节 液态成形过程的传热特点与方式,6,下面分别讨论四种典型的热交换特点,1.铸件在非金属型中冷却 非金属型（一般指砂型）的导热系数比金属铸件导热系数小，所以铸件

3、冷却缓慢，其断面的温度梯度小。同样，铸型的内表面被加热到很高的温度，而外表面温度还很低，断面温差大。铸件和中间层断面上的温差相比较，是相当小的，可忽略不计。 可认为铸件断面上的温度分布实际上是均匀的，铸型内表面的温度接近铸件的温度。所以砂型铸造时铸件的冷却强度主要取决于铸型的热物理参数。,7,2.铸件在金属型中冷却 （1）铸件的冷却和铸型的加热都不十分激烈。 在这种系统中，大部分温度降在中间层上，当金属型的铸型工作表面涂有较厚的涂料时，就属此种情况。 特点：铸件断面上的温差和铸型断面上的温差与中间层的温差相比，可忽略不计。可以认为，铸件和铸型断面上的温度分布实际上是均匀的，传热过程主要取决于涂

4、料层的热物理参数。,8,2.铸件在金属型中冷却 （2）铸件的冷却和铸型的加热都很激烈。 在这种系统中，铸件和铸型断面上都有很大的温度降，当金属型的涂料层很薄时，就属此种情况。 特点：中间层断面的温差与铸件和铸型相比较，就显得很小，可忽略不计。可认为铸型内表面温度和铸件表面温度相同，传热过程取决于铸件和铸型的热物理性质。,9,金属型的两种情况说明，采用金属型铸造完全可以通过调节涂料层厚度和其热物理性质控制铸件的冷却强度。 在实际生产中，铸铁件的金属型铸造就是利用涂料和衬料防止铸铁产生白口。 在冒口用的涂料中加入一定比例的石棉粉，增加热阻，以提高冒口的补缩效果。,10,3.非金属铸件在金属型中冷却

5、 铸件的导热系数小，其内部热量不能及时传递至外表面，所以冷却缓慢，断面温差大。相反，金属型的导热系数大，断面温差小。 熔模精密铸造中用金属型制备腊模及在金属型中制造塑料制品，就属此种情况。 特点：中间层和金属铸型断面上的温差很小，可忽略不计，传热过程主要取决于非金属铸件本身的物理性质。,11,通过以上四种不同类型铸造条件的分析，可以看出，“铸件中间层铸件”系统中各组员的热阻对系统的温度分布影响很大，而热阻最大的组员是传热过程的决定性因素。因此，利用该因素是最有效的控制铸件凝固的方法。,12,温度场：某一时刻铸件各个部位的温度分布。 根据温度场的变化：预计凝固区域大小的变化 微观组织的形成 凝固

6、前沿向中心推进的速度 缩孔缩松的产生位置 凝固时间 凝固次序等 在此基础上进行工艺的设计：浇注系统、冒口、冷铁、及其他的工艺措施。 研究温度场的方法：实测法、数学解析法、数值模拟法。,第二节 铸件凝固温度场,13,数学解析法,原理：是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程(或模型)，得到用函数形式表示的解，也就是解析解。,优点 ：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响。 但铸件在铸型中的凝固极为复杂： 1.不稳定的传热 2.铸件的传热大多为三维传热 3.释放结晶潜热 4.铸件、铸型的热物理参数随温度而变,缺

7、点 ：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到不同程度的影响。目前，只有简单的 一维温度场（ “ 半无限大”）能够求解，对于复杂物体，如二维、三维问题，有时得不到解析解。,第二节 铸件凝固温度场 研究温度场的方法一,14,15,16,数值模拟法,原理：又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解（数值解） ，又称为数值模拟或计算机模拟。,差分法 : 差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布 的温度问题，转化为求在时间领域和空间领域内有限个离散点的温度值问题，再用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布。差分法的解题基础是用差商来代替微商，这样

8、就将热传导微分方程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组，得到各节点的数值解。,有限元法 : 有限元法是根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法。有限元法的解题步骤是先将连续求解域分割为有限个单元 组成的离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩阵。,第二节 铸件凝固温度场 研究温度场的方法二,17,18,第二节 铸件凝固温度场 研究温度场的方法三,测温法,19,影响铸件温度场的因素,1.金属性质的影响： 变大铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度梯度小，温度分布曲线平坦；液态铝合金的导温系数比液态铁碳合金的到温系数高911倍

9、，而且铝的c较小，所以铝合金的断面温度曲线要平坦的多。具有较小的温度梯度。合金钢的导温系数比普碳钢要小的多。 （2）结晶潜热 L上升，则向铸型传热的时间长，铸型内表面被加热的温度也高，铸件断面的温度梯度减小，铸件的冷却速度下降，温度曲线平坦。,（1）金属的热扩散率 ：,第二节 铸件凝固温度场,20,（3）金属的凝固温度 tL越高，在凝固中铸件表面和铸型内表面的温度越高，铸型内外表面温度差越大， 温度梯度升高。有色金属温度场平坦， 铸铁件、铸钢件较陡，因为有色合金tL低。 2.铸型性质的影响 铸型的吸热速度越大，则铸件的凝固速度越大，断面的温度场的梯度也就越大。 （1）铸型的蓄热系数b2 b2越

10、大，冷却能力强，铸件中的gradt越大 （2）铸型的预热温度： 铸型温度上升，冷却作用小 ，gradt下降 熔模铸造的型壳预热至600800， 金属型加热至200400，提高铸件精度减少热裂。,第二节 铸件凝固温度场,影响铸件温度场的因素,21,22,3浇注条件的影响 砂型中 t浇上升 导致铸型温度上升，铸件温度梯度下降 金属型导热能力较大，热量迅速导出，浇注温度影响不明显,第二节 铸件凝固温度场,影响铸件温度场的因素,23,4.铸件结构的影响： （1）铸件的壁厚 壁厚越大， 温度梯度变小；壁厚越小，温度梯度变大 （2）铸件的形状 铸型中被液态金属包围的突出部分，型芯以及靠近内浇道附近的铸型部

11、分，由于大量金属液通过，被加热到很高温度，吸热能力显著下降，对应铸件部分的温度场较平坦。,影响铸件温度场的因素,第二节 铸件凝固温度场,24,4.铸件结构的影响： L 、T形等固相线位置（不同时刻）外角的冷却速度平面壁内角；内角面热裂 直内角改成圆内角，散热条件得到改善，减少热裂需要直角处，应采取措施（冷铁）。,第二节 铸件凝固温度场,影响铸件温度场的因素,25,铸件的凝固时间，是指液态金属充满铸型后至凝固完毕所需的时间；包括两个阶段（1）导出金属液过热热量所需的时间；（2）从液相线温度冷却至凝固完毕的时间。两个阶段没有严格界限。 单位时间凝固层增长的厚度为凝固速度。 铸件的凝固控制，实质上是

12、采取相应的工艺措施控制铸件各部分的凝固速度，例如合理设立冒口的尺寸和正确布置冷铁的位置。对于大型或重要铸件，为了掌握打箱时间，也需要对凝固时间进行估算。,第三节 铸件凝固时间的确定,26,确定铸件凝固时间的方法：计算法和实验法。,第三节 铸件凝固时间的确定,一、凝固时间的理论计算 采用两个阶段时间相加原则进行计算，计算结果如下：,对铸件的凝固时间进行理论计算，必须知道铸件和铸型的热物理参数，金属液的浇注温度，铸型的初始温度和铸件铸型的界面温度，计算比较麻烦。因此，在实际使用中应用较少。,27,二、经验计算法 1.“平方根定律”计算法 利用单位面积铸型在时间内从铸件吸收的热量等于在此时间内铸件凝

13、固了厚度所放出的热量原理进行计算。,第三节 铸件凝固时间的确定,令,28,K是铸件的凝固系数，是最初单位时间内的凝固厚度。K值和很多因素有关，在实际中常用实验方法测得。,29,二、经验计算法 1.“平方根定律”计算法,所以铸件的凝固速度为：,图2-7是根据公式得出的凝固层厚度和凝固速度v与时间的关系曲线。可以看出，- 是抛物线关系，凝固初期增长很快，以后逐渐缓慢；在浇注后最初瞬间v 值很大，过一段时间凝固速度急剧下降，以后则变化很小。 实际上，铸件凝固末期有加快现象，如虚线。因为在凝固末期，逐渐中心剩余的液体金属体积与散热面积之比，远小于凝固初期的比值。,30,二、经验计算法 2.“折算厚度法

14、则”计算法,凝固时间（min）； V铸件体积（cm3）； S铸件散热表面积（cm2）， R铸件折算厚度（cm） K凝固系数（cm/min1/2）,令,当铸件合金、铸型和浇注条件确定之后，铸件凝固时间取决于铸件体积与散热表面积之比，即折算厚度（模数）。由于考虑了铸件结构形状的影响，计算值更接近实际，是对“平方根定律”的发展。,31,二、经验计算法 2.“折算厚度法则”计算法,莔： 如果让你设计冒口，在造型条件允许的情况下， 你觉得那种形状的冒口最合适？,32,二、经验计算法 2.“折算厚度法则”计算法,应用此法计算铸件凝固时间时，可将复杂的铸件化为简单的平板、圆柱、球、长方体等。 图2-8 铸钢

15、件凝固时间与折算厚度的关系组合，分别计算各简单体的折算厚度，其中R最大的简单体的凝固时间即为铸件的凝固时间。,33,二、经验计算法 2.“折算厚度法则”计算法,折算厚度法也是近似的方法，对于大平板、球和长的圆柱体较为准确。对于短而粗杆和立方体铸件，由于边缘和棱角散热效应的影响较大，计算结果一般比实际凝固时间长约1015。如果被金属包围的型芯，其直径或厚度较小时，因型芯很快达到热饱和，与型芯接触的铸件表面可不纳入铸件散热面积。,34,第三节 铸件凝固时间的确定,实验法 两种方法：测温法和残余液体倾出法,倾出法是研究铸件凝固过程最早的一种方法，这种方法简单。通常用一个模样（通常是球形或圆柱）制造几

16、个铸型，将同一炉液态金属在同一温度下浇铸入所有铸型中，经过不同时间间隔，分别把铸型翻转过来，或拔掉预先嵌在铸型底部的泥塞，使铸型中尚未凝固的残余液态金属流出，留下固态硬壳。根据凝固厚度和时间的关系即可得到铸件的凝固系数。,35,倾出法的缺点： （1）只能测铸件凝固速度。不能得到铸件内部温度分布。 （2）此方法只限凝固初期，凝固后期很难打穿铸件外壳或保持一条通道至铸件中心的液体里。 （3）对于有结晶范围的合金，因为结晶产生树枝晶，会阻碍一部分液体的流出。 故此方法只适合纯金属或者结晶温度范围很小的合金。,36,第四节 铸件凝固方式及其对铸件质量的影响,一.凝固动态曲线,37,第四节 铸件凝固方式及其对铸件质量的影响,二.凝固区域及其结构,断面区域划分,固相区 凝固区 液相区,液相等温面 固相等温面,38,凝固结构示意图,39,三.铸件的凝固方式及其影响因素,（1）逐层凝固方式,恒温下结晶的纯金属或共