擠壓冒口鑄造的溫度場(chǎng)分析

史保萱，晉宏炎

（煙臺(tái)南山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 265713）

擠壓冒口鑄造的溫度場(chǎng)分析

史保萱，晉宏炎

（煙臺(tái)南山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 265713）

分析了擠壓冒口補(bǔ)縮鑄造條件下鑄型和鑄件的溫度場(chǎng)。通過(guò)分析得出鑄件溫度梯度在澆注過(guò)程中和開(kāi)始加壓時(shí)呈最大值，鑄型溫度場(chǎng)的分布受開(kāi)始加壓時(shí)間、壓力大小等多種因素影響。

擠壓冒口；鑄件；鑄型

擠壓冒口補(bǔ)縮的鑄造方法是在機(jī)械壓力作用下將冒口金屬補(bǔ)入鑄件，并使整個(gè)鑄件在壓力下凝固從而消除縮孔和縮松缺陷的鑄造方法。鑄件與鑄型近似于理想接觸的狀態(tài)，其溫度場(chǎng)與通常的鑄造溫度場(chǎng)相比，有明顯差異。下面對(duì)擠壓冒口補(bǔ)縮鑄造條件下鑄型和鑄件的溫度場(chǎng)，進(jìn)行理論推導(dǎo)和具體分析。

1 鑄型溫度場(chǎng)

1.1 鑄件與鑄型間的傳熱分析

鑄件與鑄型之間從開(kāi)始澆注到鑄件凝固結(jié)束的整個(gè)過(guò)程中，接觸狀態(tài)存在多次變化，它們之間的熱傳導(dǎo)情況也必然有相應(yīng)的變化。

假設(shè)在整個(gè)凝固過(guò)程中鑄件與鑄型之間的傳熱分為以下四個(gè)階段：

（1）第一階段是從開(kāi)始澆注時(shí)到鑄件最外一層開(kāi)始凝固時(shí)為止。在此階段內(nèi)，界面處是液態(tài)金屬與鑄型直接接觸，接觸得比較緊密。

（2）第二階段是從最外層單元開(kāi)始凝固到其凝固率達(dá)到某一定值R時(shí)為止。在此階段內(nèi)，由于凝固收縮，造成鑄件與鑄型之間的分離，產(chǎn)生氣隙，使其間當(dāng)量熱導(dǎo)率下降；假設(shè)當(dāng)量熱導(dǎo)率隨凝固率呈直線下降。

（3）第三階段是從最外層單元凝固率達(dá)到某一定值R時(shí)到開(kāi)始施加壓力時(shí)止。在此階段內(nèi)，可以認(rèn)為界面間的氣隙厚度趨于穩(wěn)定，當(dāng)量熱導(dǎo)率變化不大。

（4）第四階段是從開(kāi)始施加壓力直到最后凝固完畢。在此階段內(nèi)，由于力的施加，使得鑄件產(chǎn)生一定的塑性變形。變形的結(jié)果是使界面處的氣隙變薄或者消除。力的大小、鑄件的幾何形狀等因素均對(duì)界面間的接觸狀態(tài)產(chǎn)生不同的影響。接觸面上的接觸應(yīng)力不同，其當(dāng)量熱導(dǎo)率也不同。為計(jì)算方便，假設(shè)加壓后界面間當(dāng)量熱導(dǎo)率從上到下呈線性下降。當(dāng)界面間無(wú)涂層時(shí)，線性下降的斜率大一些，反之則小一些。

1.2 鑄型溫度場(chǎng)分析

1.2.1 鑄型溫度場(chǎng)

剛澆入金屬液時(shí)，一方面金屬液溫度比較高，另一方面界面間液態(tài)金屬與鑄型直接接觸，接觸比較緊密，熱量傳遞得快，因而鑄型溫度在短時(shí)間急劇上升。隨后，因靠近鑄型側(cè)壁的金屬液熱量大量散失，很快失去過(guò)熱度進(jìn)而獲得一定過(guò)冷度，開(kāi)始進(jìn)入凝固狀態(tài)。隨著凝固層厚度增加，凝固收縮使得此部分金屬與鑄型接觸緊密程度愈來(lái)愈差，直至完全脫離。其結(jié)果使得鑄件與鑄型間的熱阻增大，鑄件內(nèi)部的熱量難于散失，這樣就導(dǎo)致鑄型內(nèi)側(cè)壁處的熱輸入量變小，鑄型溫度下降。開(kāi)始加壓后，整個(gè)溫度場(chǎng)的變化是比較大的，由于鑄件受壓后產(chǎn)生塑形變形，使得鑄件與鑄型之間又開(kāi)始接觸，而且接觸更加緊密了。這樣導(dǎo)致界面熱阻大大下降，鑄件內(nèi)部的熱量又開(kāi)始通過(guò)界面迅速向鑄型傳遞，使得鑄型內(nèi)側(cè)壁處熱量的輸入大于熱量的散失，溫度再次急劇增高，出現(xiàn)了第二次升溫的高峰。高峰之后鑄件內(nèi)部熱量逐漸散失，整個(gè)溫度場(chǎng)的中心部分溫度開(kāi)始下降，而鑄型外側(cè)壁溫度仍在繼續(xù)上升。此時(shí)，鑄型上各部位無(wú)論是溫度下降還是上升，趨勢(shì)都逐步趨向緩慢，最后穩(wěn)定在某一定值上。在鑄件與鑄型之間加入介質(zhì)，如潤(rùn)滑劑或涂料等對(duì)溫度場(chǎng)影響很大。比較明顯的作用是降低了鑄型的溫升速度和溫升值。

1.2.2 各種因素對(duì)鑄型溫度場(chǎng)的影響

（1）壓力對(duì)鑄型溫度場(chǎng)的影響

由實(shí)驗(yàn)知，比壓值愈高，第二次高峰值來(lái)得愈早，且溫度下降得愈快。

（2）預(yù)熱溫度對(duì)鑄型溫度場(chǎng)的影響

預(yù)熱溫度對(duì)鑄型溫度場(chǎng)沒(méi)有太大影響，若給出不同預(yù)熱溫度的鑄型，只不過(guò)給鑄型溫度場(chǎng)近似地加上了不同常數(shù)。

（3）開(kāi)始加壓時(shí)間對(duì)鑄型溫度場(chǎng)的影響

當(dāng)壓力一定時(shí)，加壓愈迅速，溫度-時(shí)間曲線的鑄型溫度峰值出現(xiàn)得愈早，并且值愈高，溫度下降速率愈快。開(kāi)始加壓時(shí)間愈長(zhǎng)，氣隙愈大，因而熱阻愈大，并且金屬液過(guò)熱度已喪失，故加壓后，峰值來(lái)得愈慢。

2 鑄件的溫度場(chǎng)

鑄件溫度場(chǎng)對(duì)擠壓冒口補(bǔ)縮鑄造的鑄件組織狀態(tài)有決定性的影響，下面將初步的研究分析結(jié)果作一下介紹。

擠壓冒口補(bǔ)縮鑄造鑄件的溫度場(chǎng)與通常的重力鑄造不同，其區(qū)別在于重力鑄造的熱節(jié)點(diǎn)是向冒口方向移動(dòng)，而擠壓補(bǔ)冒口縮鑄造中熱節(jié)點(diǎn)是移向鑄件中心的。

2.1 溫度場(chǎng)測(cè)定

擠壓冒口補(bǔ)縮鑄造的鑄件溫度場(chǎng)是一動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)溫度變化速率（dT/dt）很大。利用熱電偶對(duì)鑄件（?110mm球體）內(nèi)同一高度三點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，鑄型溫度為 300～320℃，壓力為 0Pa、300Pa、600Pa，加壓開(kāi)始時(shí)間為4～6s，保壓時(shí)間為25～26s，測(cè)量離鑄型內(nèi)壁分別為5mm、15mm、25mm三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的結(jié)果可知：在同一壓力下，離型壁愈近的點(diǎn)，溫度變化率就愈大；在不同壓力下，壓力愈大，溫度變化也愈大。

2.2 鑄件的溫度場(chǎng)

由分析可知，在澆注過(guò)程中，鑄件已經(jīng)開(kāi)始凝固，而且底部的凝固層要比側(cè)面凝固層厚些。從澆注結(jié)束到開(kāi)始施壓前，底部的凝固層厚度增加很快，而側(cè)面的凝固層厚度增加比較緩慢。分析其原因是由于鑄件凝固收縮開(kāi)始后，側(cè)面處產(chǎn)生氣隙，使熱阻增加，所以其凝固層厚度變化不大；而底部鑄件與鑄型之間沒(méi)有間隙，導(dǎo)熱速度快，所以鑄件底部凝固層厚度增加很快。開(kāi)始施壓后，整個(gè)溫度場(chǎng)即會(huì)發(fā)生較大的變化：鑄件上部與壓頭接觸區(qū)域附近，熱交換尤為劇烈，溫度梯度很大，凝固層厚度增長(zhǎng)很快；界面的換熱速度也大大增加，導(dǎo)致整個(gè)凝固層迅速發(fā)展成近似等厚的封閉殼體，最后的凝固中心大致位于鑄件的幾何中心。從開(kāi)始澆注到最后凝固結(jié)束，鑄件內(nèi)部的溫度梯度以澆注過(guò)程中和開(kāi)始加壓時(shí)為最大。開(kāi)始加壓前，隨著鑄件的凝固，型腔中熔融液體內(nèi)部的溫度梯度逐漸變小。

[1]史保萱，等.擠壓冒口補(bǔ)縮的鑄造方法：中國(guó)，ZL 00118924.7[P].2003-12-10.

[2]羅守靖.液態(tài)模鍛與擠壓鑄造技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3]劉志明，等.壓力鑄造技術(shù)與應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2010.

Analysis on Temperature Field of Extrusion Riser Casting

SHI BaoXuan，JIN HongYan
（Mechanical and Electric Engineering College Yantai Nanshan Institute，Yantai 265713,Shandong China）

The temperature field of molds and castings under foundry conditions with extrusion riser have been analyzed.Analysis has shown that pick value of the casting temperature field appeared in pouring process and at the time of starting to pressurize while the mold temperature field distribution has been influenced by many kinds of factor as the time of starting to pressurize,the pressure magnitude etc.

Extrusion riser；Castings；Mold

TG21+4;

B；

1006－9658（2011）06－2

2011－08－29

2011－124

史保萱（19510-），女，教授，主要從事金屬材料、材料成型、機(jī)械制造等領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作