擠壓冒口鑄造的溫度場分析

史保萱，晉宏炎

（煙臺南山學院 機電工程學院，山東煙臺 265713）

擠壓冒口鑄造的溫度場分析

史保萱，晉宏炎

（煙臺南山學院 機電工程學院，山東煙臺 265713）

分析了擠壓冒口補縮鑄造條件下鑄型和鑄件的溫度場。通過分析得出鑄件溫度梯度在澆注過程中和開始加壓時呈最大值，鑄型溫度場的分布受開始加壓時間、壓力大小等多種因素影響。

擠壓冒口；鑄件；鑄型

擠壓冒口補縮的鑄造方法是在機械壓力作用下將冒口金屬補入鑄件，并使整個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)，其溫度場與通常的鑄造溫度場相比，有明顯差異。下面對擠壓冒口補縮鑄造條件下鑄型和鑄件的溫度場，進行理論推導和具體分析。

1 鑄型溫度場

1.1 鑄件與鑄型間的傳熱分析

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

假設(shè)在整個凝固過程中鑄件與鑄型之間的傳熱分為以下四個階段：

（1）第一階段是從開始澆注時到鑄件最外一層開始凝固時為止。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始凝固到其凝固率達到某一定值R時為止。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，使其間當量熱導率下降；假設(shè)當量熱導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到某一定值R時到開始施加壓力時止。在此階段內(nèi)，可以認為界面間的氣隙厚度趨于穩(wěn)定，當量熱導率變化不大。

（4）第四階段是從開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，其當量熱導率也不同。為計算方便，假設(shè)加壓后界面間當量熱導率從上到下呈線性下降。當界面間無涂層時，線性下降的斜率大一些，反之則小一些。

1.2 鑄型溫度場分析

1.2.1 鑄型溫度場

剛澆入金屬液時，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，很快失去過熱度進而獲得一定過冷度，開始進入凝固狀態(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，這樣就導致鑄型內(nèi)側(cè)壁處的熱輸入量變小，鑄型溫度下降。開始加壓后，整個溫度場的變化是比較大的，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始接觸，而且接觸更加緊密了。這樣導致界面熱阻大大下降，鑄件內(nèi)部的熱量又開始通過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，整個溫度場的中心部分溫度開始下降，而鑄型外側(cè)壁溫度仍在繼續(xù)上升。此時，鑄型上各部位無論是溫度下降還是上升，趨勢都逐步趨向緩慢，最后穩(wěn)定在某一定值上。在鑄件與鑄型之間加入介質(zhì)，如潤滑劑或涂料等對溫度場影響很大。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 各種因素對鑄型溫度場的影響

（1）壓力對鑄型溫度場的影響

由實驗知，比壓值愈高，第二次高峰值來得愈早，且溫度下降得愈快。

（2）預熱溫度對鑄型溫度場的影響

預熱溫度對鑄型溫度場沒有太大影響，若給出不同預熱溫度的鑄型，只不過給鑄型溫度場近似地加上了不同常數(shù)。

（3）開始加壓時間對鑄型溫度場的影響

當壓力一定時，加壓愈迅速，溫度-時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。開始加壓時間愈長，氣隙愈大，因而熱阻愈大，并且金屬液過熱度已喪失，故加壓后，峰值來得愈慢。

2 鑄件的溫度場

鑄件溫度場對擠壓冒口補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。

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

2.1 溫度場測定

擠壓冒口補縮鑄造的鑄件溫度場是一動態(tài)溫度場，場內(nèi)各點溫度變化速率（dT/dt）很大。利用熱電偶對鑄件（?110mm球體）內(nèi)同一高度三點進行實時測量，鑄型溫度為 300～320℃，壓力為 0Pa、300Pa、600Pa，加壓開始時間為4～6s，保壓時間為25～26s，測量離鑄型內(nèi)壁分別為5mm、15mm、25mm三個測量點的結(jié)果可知：在同一壓力下，離型壁愈近的點，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

由分析可知，在澆注過程中，鑄件已經(jīng)開始凝固，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有間隙，導熱速度快，所以鑄件底部凝固層厚度增加很快。開始施壓后，整個溫度場即會發(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，凝固層厚度增長很快；界面的換熱速度也大大增加，導致整個凝固層迅速發(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程中和開始加壓時為最大。開始加壓前，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.擠壓冒口補縮的鑄造方法：中國，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、機械制造等領(lǐng)域的教學和研究工作