铸造过程中热场分析

铸造过程中热场分析及其应用在金属液全部浇入型腔后至金属液凝固的这段时间里，型腔内金属液（包括铸件和浇冒系统）以温度为表症的比内能（单位质点含有的能量J/kg）分布即为热场。在传统的铸造工艺理论中，将铸件几何结构中材料富集部位，也就是几何断面较大的部位确定为热节，并将热节纳入工艺控制重点。这些都是建立在金属液浇注完这一时刻，型腔内金属液温度都一样的基础上的，然后根据均匀散热的条件，单位比表面积最小的部位即比内能下降最慢的部位，就是最后凝固部位，也即是一般热节所在部位。但是利用铸件热节分布来安排铸造工艺，在生产实践中往往会出现工艺缺陷，也就是说，铸件局部过热和过热引起的缺陷不一定出现在几何热节处。为此引入热场概念。通过对铸型浇注完毕后，金属液总体的温度分布以及随冷却条件的差异导致温度分布变化的研究，确定热场的分布，用比内能的概念取代热节，从而决定铸造工艺的布置，以弥补单纯依靠热节来安排铸造工艺的不足。一、热场的分类根据铸造工艺的不同，所形成热场对铸件顺序凝固是否有利，热场可分为良性热场和不良热场两种。以最简单的平板铸件为例，说明铸造工艺布置对热场和铸件缺陷的影响。图1为不良热场，图2为良性热场。图1中的铸造工艺布置按几何热节法找不出任何不妥当的地方，但是按此工艺生产的铸件会在A处的位置出现缩松缺陷。这是由于图1中金属液的温度分布是按图中顺序数的增大而递减的。导致这一现象的产生原因是铸型的吸热作用和明冒口的辐射散热作用，图中死角部分（序号6）附近的金属液一旦充入就不再流动，在未浇注完毕时就已开始冷却结晶，而中间区域是充型通道，温度始终接近于浇注温度，这个区域附近的型砂温度也比较高，至使在补缩通道中不能形成温度递减的顺序凝固现象，而补缩通道的上游却先与下游凝固，使A处产生缩松缺陷。因此可以看出，对于几何断面均匀的铸件，在各部位散热条件基本一致时，由于温度分布的不均匀使铸件备部位的比内能不均匀，所以在均匀的质量场中形成了不均匀的热场，即不良热场，对铸件的顺序凝固不利，易产生铸造缺陷。不良热场的形成和不良程度与许多物理条件有关，如：①金属液的温度与铸型的温度相差越大，这种现象就越严重，反之就越轻微，可以说铸钢对这种现象远比铸铝敏感；②金属液的浇注温度与凝固温度相差越大，这种现象越严重，因此降低浇注温度可以减轻铸造缺陷；⑧浇注速度越慢，这种现象越严重；④在具备产生这种现象的条件下，增加冒口体积，这种现象更严重；⑤铸型吸热或传热倾向越大，这种现象越严重；⑥合金凝固区间越小，这种现象越严重。改变上述影响因素，可以减轻或消除不良热场，改变铸件凝固过程，减少或消除铸造缺陷。（a）铸造工艺及缺陷（b）凝固过程（不良热场）如果改变工艺方案，将原浇注方向倒过来，变冒口为浇口，原浇口为排气、渣通道，则热场发生变化，凝固过程变为顺序凝固。虽然该热场也是不均匀的，但有利于顺序凝固的进行，故称之为良性热场。其工艺及凝固过程如图2所示。一个铸件的铸造工艺一旦确定了良性热场，对其它物理条件的依赖将变小，有的甚至可以不予考虑，如：①可以不考虑铸型与金属液的温差及铸型的吸热倾向；②浇注温度对热场的影响也可不作考虑，但它对其它缺陷的影响应予考虑；⑧浇注速度的控制范围可扩大，冒口的体积可大幅度缩小；④与合金凝固温度区间无关。良性热场的建立是提高铸件质量的前提条件。二、工艺热元及热场均匀度在a中的A区，虽然不是材料富集区，即不是几何热节，但它是浇注充型通道，和几何热节一样具有较高的比内能，只是它是由工艺布置引起的，故称之为工艺热元。对于工艺热元，必须和几何热节一样，为其提供必要的补缩才能保证铸件质量。在局部铸件形成过程中，浇注时可以使其备部位温度相同，浇注完毕时温度场是均匀的，没有特殊的几何热节；但是随着时间的推移，A处受三面加热而没有散热方向，故而导致A处周围的的铸件部分与其它散热条件好的部分温差逐渐加大，温度场趋向不均匀化方向发展，热区的金属液随着凝固收缩向其它低温区域转移，最终形成缩松或缩孔。这种由于结构原因或其它原因导致热场向不良方向发展的因素称为热场不良元，几何热节也可以看成为一种热场不良元。无论对于何种铸件的任何铸造工艺，一经浇注便在铸型的几何型腔空间内形成了一个金属液温度场，这个温度场与铸件的质点形成了原始热场。随着时间的推移，铸件通过铸型不断地散热而降温，这个原始热场的总体能量有一个逐渐降低的过程。由于铸件各质点的原始内能和散热条件不同，整个系统内的热场自始至终处于一个变化的过程之中。而热场发展变化的方向将决定铸件凝固的结局。但是热场的均匀化程度并非越高越好，均匀化的结局是同时凝固，使冒口形同虚设，而将缩松留在铸件壁中心，不利于获得致密健全铸件。一个顺序凝固的热场必定是一个朝向冒口的均匀度不高的系统，只有这样才能将比内能最高的质点留在冒口内，充分发挥冒口的补缩作用。铸件越复杂、壁厚差越大，浇注温度越低、浇注系统截面积越小，浇注时间越长，内浇口越少、越集中，热场的均匀度就越低。热场均匀度越低，铸件越易产生缩松、缩孔缺陷，或由于凝固时间差大而产生收缩应力，使铸件产生变形、热裂。同时，局部过热会在某些合金的铸造中引起过热缺陷，如铜合金铸造的二次吸气引起气孔、针孔缺陷或成分偏析。三、热场分析在工艺设计中的应用1.工艺设计铸造工艺设计的任务就是利用各种工艺手段调节铸造工艺参数，在特定的散热条件下，使设定的原始热场按照工艺技术要求向铸件凝固终点发展，以获得健全、致密铸件。其具体步骤如下：①分析铸件的技术要求和各部分的散热条件，列出热场不良元；②确定凝固方式，明确铸件的哪些部分必须保证顺序凝固，哪些部分同时凝固也能满足技术要求；⑧设计一个原始热场，并据此设计浇注系统及工艺，以控制工艺热元、几何热节和热场不良元，使浇注后铸型和铸件具有合理的热场均匀度，建立良性热场和理想的凝固条件，保证获得健全铸件。2.典型工艺分析⑴大型铸铜双吸水泵叶轮的铸造大型铸铜双吸水泵叶轮的结构和铸造工艺见图4.由图4可以看出，该件壁厚严重不均，轴孔和A处为热场不良元。按照图4a工艺方案，在下盖板处安放冷铁，以使其与叶片基本上同时凝固；在轴孔处安放冷铁，以改善不良元的冷却条件；在A处增设补缩筋。采取以上措施后，用工艺浇注的铸件，在轴孔上部和上盖板处均有较严重的缩松缺陷。分析其原因为，轴孔处及A处都是在充型通道上，冒口部分的铜液是经过此二处才完成充型的，实际上形成了工艺热元，与冒口形成了相反的温度梯度，从而导致了倒缩。据此修改了工艺方案，①缩小冒口体积，并降低中冒口高度；②改变浇注系统，在铸件充型完毕后，冒口部分的充型由另一浇道来实现，不再经过铸件，使铸型——铸件系统形成良性热场。（2）铸钢多段泵中段的铸造图5为铸钢多段泵中段的铸造工艺简图。由于该件为受高压部件，所以在铸造工艺安排上刻意营造一个顺序凝固的热场，却造成热场的严重不均匀，在铸件已经收缩时，冒口附近的铸件还未能完全实现凝固，形成严重热裂。经过工艺分析，采取大大地缩小冒口体积的措施，但顺序凝固的热场仍没有改变。冒口下部钢水流经处是一工艺热元，它仍然可以起到补贴作用，能够保证铸件的补缩。1.横浇道2.暗冒口（3）泵脚板铸造工艺用热节圆法找不出其发生缺陷的原因，但通过热场分析发现它是一个热场不良元。经过工艺改进后，改变热场不良元，就获得了健全的铸件。从以上工艺分析举例可以看出，通过热场分析可以更合理地利用各种工艺手段来设计铸造工艺，以获得健全铸件。但是到目前为止、热场分析方法对铸造工艺只能进行定性分析，并且在很大程度上依赖于工艺人员的流体力学知识和丰富的铸造经验，尚无法进行定量分析和实现电脑CAD。