铸件的凝固方式基础知识

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1、铸件的凝固方式基础知识铸件的凝固方式基础知识 第 2 章铸件的凝固 4 4 铸件的凝固时间 铸件的凝固时间 铸造必定具有凝固这一过程 绝大多数的铸造缺陷是伴随凝固过程 而产生的 所以 认识铸件的凝固规律 研究凝固过程的控制途径 对 于铸造缺陷的防治 改善铸件质量 提高铸件的性能从而获得优质的铸 件 有着十分重要的意义 本章主要内容 本章主要内容 1 1 铸件的温度场 铸件的温度场 铸件的凝固方式 铸件的凝固方式 金属的凝固方式与铸件质量的关系 金属的凝固方式与铸件质量的关系 2 1 2 1 铸件与铸型的热交换特点铸件与铸型的热交换特点 液态金属注入铸型以后 随即发生两个过程 一是液态金属的温度

2、不断下降 二是铸型受热温度上升 实践证明 铸型的内表面温度与其接近的铸件表面温度是不 同的 这个现象说明 在铸件和铸型之间存在着一个中间层 该中间层可能是由于金属收缩使铸件各方向的尺寸缩小和 铸型受热后发生膨胀形成的 可能是铸型表面的涂料层 也 可能是间隙和涂料兼而有之的中间层 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 下面分析 铸件 中间层 铸型 不稳定热交换系统在一瞬 间的热交换特点 为了使问题简化 就假设铸件是无限大的板件 其厚度 X方向 为铸型所限 长和宽伸展到无穷远 即Y Z方向 无热流 并假设系统中各组元的温度场是按直线规律分布的 1 1 铸件在绝热铸型

3、中的凝固 铸件在绝热铸型中的凝固 砂型 石膏型 陶瓷型材料的导热 系数比金属铸件小得多 可称为绝 热铸型 铸件在绝热铸型中冷却凝固时 由 于铸型导热系数小 所以铸件冷却 缓慢 其断面上温差很小 同样 铸型内表面被铸件加热至很高的温 度 而其外表面仍处于较低的温度 断面上的温差很大 绝热铸型本身的热物理性质是决定 整个系统热交换过程的主要因素 亦即铸件的冷却强度主要取决于铸 型的热物理参数 2 2 金属铸型界面热阻为主的金属型中的凝固 金属铸型界面热阻为主的金属型中的凝固 较薄的铸件在工作表面涂有较 厚涂料的金属型中铸造时 就属 于这种情况 铸件的冷却和铸型的加热都 不十分激烈 大部分温度降在中

4、 间层上 故这类型的传热特点是 铸件断面上的温差和铸型断面 上的温差与中间层温差相比显得 很小 可以忽略不计 所以 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 程主要取决于涂料层的热物理性 质 3 3 厚壁金属型中的凝固 厚壁金属型中的凝固 当金属型的涂料层很薄时 铸件的冷却和铸型的加热都很激 烈 铸件和铸型断面上都有很大 温降 这种类型的传热特点是 中间层 界面 的热阻相对很小 中间 层断面的温差与铸件和铸型的温 差相比较 就显得很小 可以忽 略不计 因此可以认为 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 上述金属铸型界面热阻为主的金属型

5、中的凝固 厚壁金 属型中的凝固说明 金属型铸造完全可以用改变涂料厚 度或其热物理性质控制铸件的冷却强度 例如在生产中 铸铁件的金属型铸造就是利用涂料防止 铸件产生白口 金属型铸造铝合金件中 常在冒口用的 涂料中加入石棉粉增加热阻 以提高冒口的补缩效果 通过对四种不同类型铸造调节地分析 可以看出 铸 件 中间层 界面 铸型 系统中各组元的热阻对系 统的温度分布影响极大 而热阻最大的组元是传热过程 中决定性因素 因此 利用该因素控制铸件的凝固时最 有效地 4 4 水冷金属型中的铸造 非金属铸件在金属型 水冷金属型中的铸造 非金属铸件在金属型 中冷却 中冷却 通过控制冷却水温度和流量 使铸型温度保持

6、恒定 内表面 温度 外表面温度 若不考虑 界面热阻的情况下 凝固金属 表面温度等于铸型温度 在这 种情况下 凝固传热的主要热 阻是凝固金属的热阻 铸件中 有较大的温度梯度 系统的温 度分布如图所示 熔模精密铸造中用金属型压 制蜡膜 在金属型中制造塑料 制品就属于这种情况 2 2 2 2 铸件的温度场铸件的温度场 不稳定温度场 温度场不仅在空间上变化 并且也 随时间变化的温度场 稳定温度场 不随时间而变的温度场 即温度只是 坐标的函数 等温面 空间具有相同温度点的组合面 等温线 某个特殊平面与等温面相截的交线 温度梯度 gradT 对于一定温度场 沿等温面 或等温线某法线方向的温度变化率 温度梯

7、度越 大 图形上反映为等温面 或等温线 越密集 基础知识 铸件温度场的描述基础知识 铸件温度场的描述 2 2 铸件的温度场 凝固过程中的许多现象都是温度的函数 现在 随着研究的不断深入 根据温度场的变化可以预测 凝固区域的大小及变化 凝固前沿向中心推进的 速度 缩孔和缩松的位置 凝固时间等 并能为正 确设计浇注系统 设置冒口 冷铁以及采取其它措 施控制凝固过程提供可靠的依据 下面我们将对温度场分析测算的基本方法及影 下面我们将对温度场分析测算的基本方法及影 响温度场的因素进行介绍 响温度场的因素进行介绍 温度场分析的一般方法有 温度场分析的一般方法有 实测法实测法 数值数值 解析法解析法 数值

8、模拟法数值模拟法等 等 解析方法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 缺点 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 平板 圆柱体 球体 才可能获得解析解 3 2 铸件的温度场 凝固温度场的求解方法 凝固温度场的求解方法 一 解析法一 解析法 3 2 铸件的温度场 数值方法又叫数值分析法 是用计算机程序来求解数学

9、模型的近似解 又称为数值模拟或计算机模拟 1 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 根据不同的差分格式分为 向前差分 向后差分 平均差分 中心差 分 加列金格式等 2 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

10、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 二 数值方法 二 数值方法 2 2 2 2 铸件的温度场铸件的温度场 铸件温度场测定装 置如图所示 将一组 热电偶的热端固定在 型腔中的不同位置 利用多点自动记录电 子电位仪记录自金属 液注入型腔起到任意 时刻铸件断面上各测 温点的温度 2 温度场的测定 多点自动记录电子电位计多点自动记录电子电位计 热电偶热电偶 浇注系统浇注系统 铸铸 型型 铸件温度场的绘 制方法是 以温 度为纵坐标 以 离开铸件表面中 心的距离为横坐 标 连接各点即 得到温度场 以 此类推可绘出各 时刻铸件断面的 温度场 2 2 温度场的测定场 温度场的测定场 不

11、同测温点的温度 时间曲线不同测温点的温度 时间曲线 断面上不同时刻的温度场断面上不同时刻的温度场 表面表面 中中 心心 铸型中的全部合金液态几乎同时从浇 注温度很快降至凝固温度 接近铸件 表面的合金结晶时释放出的结晶潜 热 阻止了内部合金液温度继续下 降 而保持在凝固温度上 在曲线上 表现为平台 曲线上的拐点则表示铸件中该等温面 上发生凝固的时刻 所以 注意发生 这种情况的时刻 就能确定凝固前沿 从铸件表面向内部的进程 当铸件中 心出现拐点 整个铸件凝固完毕 凝固初期温度梯度大 而后逐渐缓慢 凝固由表及里进行 250mm250mm的纯铝圆柱形铸件的温度场的纯铝圆柱形铸件的温度场 曲线上的平台曲

12、线上的平台 曲线上的拐点曲线上的拐点 温度梯度不同温度梯度不同 初期大 固溶体合金与纯金属固溶体合金与纯金属 结晶潜热很结晶潜热很 小小 不能得到明显的拐点不能得到明显的拐点 Al 7 55 Si Al 12 3 Si 共晶型合金铸件的典型温度场 任一瞬间的温度场是由不同温度的等温面组成的 温度场任何点的温度沿等温面法线方向上的增 加率成为该点的温度梯度 因此 温度梯度是表示温度场沿单位长度上的温 度变化速率 也是时间和空间的函数 温度梯度 大 铸件的温度场陡峻 铸件的凝固速度大 2 2 2 2 铸件的温度场铸件的温度场 2 2 42 2 4影响铸件温度场的因素影响铸件温度场的因素 1 金属性

13、质的影响 1 金属的热扩散率 导温系数 铸件的凝固是依靠铸型吸热而进行的 因此铸 件表面温度比中心部分的温度低 金属的热扩散率 大 铸件内部的温度均匀化的能力就大 温度梯度 就小 断面上温度分布曲线就比较平坦 反之 温 度分布曲线就比较峻陡 液态铝合金的热扩散率比铁碳合金的大约高9 11倍 所以在相同的铸型条件下 铝合金铸件断面 上的温度分布曲线平坦得多 具有比较小的温度梯 度 相反 高合金钢的导温系数一般都比普通碳钢 小得多 如高锰钢的导温系数比普通碳钢小3倍多 所以合金钢在砂型铸造时也有较大的温度梯度 2 结晶潜热 金属的结晶潜热大 向铸型传热的时间则要 长 铸型内表面被加热的温度也高 因

14、此 铸件 断面的温度梯度减小 铸件的冷却速度下降 温 度场也较平坦 3 金属的凝固温度 金属的凝固温度越高 在凝固过程中铸件表 面和铸型内表面的温度越高 铸型内外表面的温 差就越大 且铸型的导热系数在高温段随温度的 升高而升高 致使铸件断面的温度场有较大的梯 度 有色合金铸件与铸钢件和铸铁件比较 在凝 固过程中有较平坦的温度场 其凝固温度低是主 要的原因之一 2 2 2 2 铸件的温度场铸件的温度场 2 铸型性质的影响 铸件在铸型中的凝固时因铸型吸热而进行的 所以 任何铸件的凝固速度都受铸型吸热速度的支配 铸 型的吸热速度越大 则铸件的凝固速度越大 断面上 的温度场的梯度也就越大 1 铸型的蓄

15、热系数b2 铸型的蓄热系数越大 对铸件的冷却能力越强 铸件中的温度梯度就越大 同一种合金浇注于不同的铸型中 在不同时间所测得的 铸件和铸型的温度场 1 水冷金属型具有最大的激冷能力 铸件断面上 的温度梯度最大 这是因为铸型是靠冷却水不断把 热量带走 型壁的温度不可能升高 和铸件表面始 终保持着很大的温差 水冷金属型材料的导热系数 越大 冷却效果就越好 所以 在生产上常用紫铜 作为连续铸造的水冷金属型材料 2 对于铜铸型 虽然他的 2C2乘积不比铸铁型的 大 但是铜的导热系数非常大 能够把热量由内表 面迅速传至 后方 所以内表面的温升也很小 铸 件表面也有较大的温差 3 厚壁铸铁型的激冷能力不如

16、铜型大 但是 由 于铸铁的导热能力也很大 所以型壁内表面的温升 也比较小 与铸件表面之间也有较大的温差 铸件 断面上的温度梯度很大 4 薄壁金属型在开始时吸热速度很大 但是 由于铸型壁薄 蓄热有限 型壁温度很快升高 铸 件的冷却速度降低 铸件断面上的温度梯度较小 对于铝 镁等合金铸件 由于他们的凝固温度 低 在凝固时期型壁不可能被加热到很高温度 所 以从铸型外表面向周围介质辐射和对流散热作用不 大 铸件的冷却主要是依靠铸型本身积蓄热量 所 以厚壁金属型比薄壁金属型的冷却作用大 凝固温度较高的铸铁件和铸钢件 在薄壁金属 型中凝固时 型壁外表面能达到很高温度 向周围 介质散热作用很大 尤其是厚大铸件 由铸型表面 向外散失热量的速度几乎能和厚壁金属型蓄热相等 所以 金属型的壁厚 对于高熔点合金铸件的冷 却强度影响不十分明显 5 在砂型铸造中 由于砂型的导热能力很 低 不能把热量由内表面迅速传至 后方 使更 厚的砂层参加蓄热 所以砂型内表面温度在浇注 后立即达到很高温度 几乎接近铸件表面温度 并且在铸件凝固时期基本保持不变 当铸型厚度 适当时 型壁外表面的温度接近周围介质的温度 向介质散热作用