金屬熱加工原理

1、8-2 鑄件凝固過程的表示方法一、鑄件凝固過程的研究方法1. 數(shù)學(xué)分析法實(shí)質(zhì)：以傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，用數(shù)學(xué)分析或近似計(jì)算方法求得鑄件和 鑄型的等溫線隨時(shí)間的移動(dòng)情況，以此來了解凝固過程的 進(jìn)行。適用范圍：各種假定條件下形狀簡單的鑄件，如平板、圓柱、球體2. 實(shí)驗(yàn)法 殘余液體傾出法 直接測溫法123二、鑄件凝固過程的表示方法1. 通過鑄件不同時(shí)刻的溫度場變化來表示其凝固過程固相區(qū)：ttL,過熱狀態(tài)的金屬液；凝固區(qū)：tsttL4 Al7.55%Si Al-12.3%Si 共晶型合金鑄件的典型溫度場52. 凝固動(dòng)態(tài)曲線6凝固動(dòng)態(tài)曲線： 左邊線：液相邊界凝固始點(diǎn) 右邊線：固相邊界凝固終點(diǎn)凝固動(dòng)態(tài)曲線：表示鑄

2、件斷面上液相和固相等溫線由表面向中心推移的動(dòng)態(tài)曲線。78-3 鑄件凝固過程中的熱傳導(dǎo)液態(tài)金屬注入鑄型以后，隨即發(fā)生兩個(gè)過程：一是液態(tài)金屬的溫度不斷下降；二是鑄型受熱溫度上升。實(shí)踐證明，鑄型的內(nèi)表面溫度與其接近的鑄件表面溫度是不同的。這個(gè)現(xiàn)象說明，在鑄件和鑄型之間存在著一個(gè)中間層。該中間層可能是由于金屬收縮使鑄件各方向的尺寸縮小和鑄型受熱后發(fā)生膨脹形成的，可能是鑄型表面的涂料層，也可能是間隙和涂料兼而有之的中間層。因此，鑄件與鑄型之間是一個(gè)“鑄件中間層鑄型”的不穩(wěn)定熱交換系統(tǒng)。 下面分析“鑄件中間層鑄型”不穩(wěn)定熱交換系統(tǒng)在一瞬間的熱交換特點(diǎn)。 為了使問題簡化，就假設(shè)鑄件是無限大的板件，其厚度（X

3、方向）為鑄型所限，長和寬伸展到無窮遠(yuǎn)，即Y、Z方向無熱流，并假設(shè)系統(tǒng)中各組元的溫度場是按直線規(guī)律分布的。一、鑄件和鑄型的熱交換形式81、鑄件在絕熱鑄型中的凝固砂型、石膏型、陶瓷型材料的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬鑄件小得多，可稱為絕熱鑄型。鑄件在絕熱鑄型中冷卻凝固時(shí)，由于鑄型導(dǎo)熱系數(shù)小，所以鑄件冷卻緩慢，其斷面上溫差很小。同樣，鑄型內(nèi)表面被鑄件加熱至很高的溫度，而其外表面仍處于較低的溫度，斷面上的溫差很大。 絕熱鑄型本身的熱物理性質(zhì)是決定整個(gè)系統(tǒng)熱交換過程的主要因素，亦即鑄件的冷卻強(qiáng)度主要取決于鑄型的熱物理參數(shù)。 92、金屬鑄型界面熱阻為主的金屬型中的凝固 較薄的鑄件在工作表面涂有較厚涂料的金屬型中鑄造時(shí)，

4、就屬于這種情況。 鑄件和鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)都很大，而涂料層的小。故這類型的傳熱特點(diǎn)是：鑄件斷面上的溫差和鑄型斷面上的溫差與中間層溫差相比顯得很小，可以忽略不計(jì)?？梢哉J(rèn)為：鑄件和鑄型斷面上的溫度分布實(shí)際上是均勻的，傳熱過程/鑄件的冷卻強(qiáng)度主要取決于涂料層的熱物理性質(zhì)。 103、水冷金屬型中的鑄造（非金屬鑄件在金屬型中冷卻） 通過控制冷卻水溫度和流量使鑄型溫度保持恒定（內(nèi)表面溫度=外表面溫度），若不考慮界面熱阻的情況下，凝固金屬表面溫度等于鑄型溫度。在這種情況下，凝固傳熱的主要熱阻是凝固金屬的熱阻，鑄件中有較大的溫度梯度，系統(tǒng)的溫度分布如圖所示。故熱交換主要取決于金屬凝固層的導(dǎo)熱能力。 114、厚壁金

5、屬型中的凝固 當(dāng)金屬型的涂料層很薄時(shí)，鑄件的冷卻和鑄型的加熱都很激烈，鑄件和鑄型斷面上都有很大溫降。 這種類型的傳熱特點(diǎn)是：中間層（界面）的熱阻相對(duì)很小，中間層斷面的溫差與鑄件和鑄型的溫差相比較，就顯得很小，可以忽略不計(jì)。因此可以認(rèn)為：鑄型內(nèi)表面溫度和鑄件表面溫度相同，傳熱過程取決于鑄件和鑄型的熱物理性質(zhì)。 12通過對(duì)四種不同類型鑄造調(diào)節(jié)地分析?？梢钥闯觯骸拌T件-中間層（界面）-鑄型”系統(tǒng)中各組元的熱阻對(duì)系統(tǒng)的溫度分布影響極大，而熱阻最大的組元是傳熱過程中決定性因素。因此，利用該因素控制鑄件的凝固是最有效的。上述金屬鑄型界面熱阻為主的金屬型中的凝固、厚壁金屬型中的凝固說明：金屬型鑄造完全可以用

6、改變涂料厚度或其熱物理性質(zhì)控制鑄件的冷卻強(qiáng)度。例如在生產(chǎn)中，鑄鐵件的金屬型鑄造就是利用涂料防止鑄件產(chǎn)生白口。金屬型鑄造鋁合金件中，常在冒口用的涂料中加入石棉粉增加熱阻，以提高冒口的補(bǔ)縮效果。13二、鑄件和鑄型的溫度場數(shù)學(xué)分析法數(shù)值計(jì)算法 差分法有限元法、數(shù)學(xué)分析法主要目的：利用傳熱學(xué)的理論建立表明鑄件凝固過程傳熱特征的各物理量之間的方程式、即鑄件和溫度場數(shù)學(xué)模型并加以求解。優(yōu)點(diǎn)：物理概念、邏輯推理清楚，解的函數(shù)表達(dá)式能夠清楚表達(dá)溫度場的各種影響因素，有利于分析各參數(shù)變化對(duì)溫度高低的影響。缺點(diǎn)：只適用于簡單熱傳導(dǎo)問題14對(duì)于不穩(wěn)定導(dǎo)熱，傅里葉導(dǎo)熱微分方程：導(dǎo)溫系數(shù)，又稱熱擴(kuò)散率以上微分方程的解特

7、別復(fù)雜，只能用來解決特殊的問題。如：平壁、球、圓柱溫度場是一維的對(duì)于一個(gè)無限大的長桿，上式可簡化為：一維導(dǎo)熱微分方程通解：C、D為常數(shù)高斯誤差函數(shù)式（1）15以圖8-13板型鑄件在砂型中凝固為例，求鑄件和鑄型的溫度場假設(shè)： 具有一個(gè)平面的半無限大鑄件在半無限大鑄型冷卻。 鑄型和鑄件的材質(zhì)均勻，導(dǎo)溫系數(shù)為定值 液態(tài)金屬充滿鑄型后立即停止流動(dòng)且各處溫度均勻 坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在鑄型與鑄件接觸面上。T1T2T件T型Tf01. 液態(tài)金屬內(nèi)存在溫差時(shí)邊界條件：x=0 T件=Tf； x =- ，T件=T1 1）鑄件的溫度分布帶入式(1)鑄件溫度場的表達(dá)式為：注意：此處x0.所以T件Tf162）鑄型的溫度分布邊界條

8、件：x=0 T型=Tf； x = ，T型=T2鑄型溫度場的表達(dá)式為：3）界面處溫度Tf熱平衡原理：界面上液態(tài)金屬傳給鑄型的熱量=鑄型吸收的熱量即：對(duì)鑄件和鑄型的溫度場分布式求偏導(dǎo)，并帶入上式2式（2）推導(dǎo)出：172. 液態(tài)金屬內(nèi)不存在溫差時(shí)T1T2T型0假設(shè)： 不存在溫差，沒有過熱，且是純金屬，則T不隨t和x變化。 鑄型內(nèi)表面溫度立即升至T1后保持不變 鑄型外表面的溫度T2在整個(gè)凝固過程中保持不變。邊界條件：x=0 T型=T1； x = ，T型=T2帶入式(1)鑄型溫度場的表達(dá)式為：1819、數(shù)值計(jì)算法 用計(jì)算機(jī)程序來求解數(shù)學(xué)模型的近似解。 （1）差分法 將物體內(nèi)隨時(shí)間、空間連續(xù)問題轉(zhuǎn)化為時(shí)間

9、或空間領(lǐng)域內(nèi)有限個(gè)離散點(diǎn)的溫度值問題，用這些離散點(diǎn)上的溫度值逼近連續(xù)的溫度分布。差分法的解題基礎(chǔ)是用差商來代替微商，這樣就將熱傳導(dǎo)微分方程轉(zhuǎn)換為以節(jié)點(diǎn)溫度為未知量的線性代數(shù)方程組，得到各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值解。 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于有規(guī)則的工件外形和均質(zhì)材料的溫度場求解，它的程序設(shè)計(jì)和計(jì)算過程比較簡單。（2）有限元法 根據(jù)變分原理來求解熱傳導(dǎo)問題微分方程的一種數(shù)值方法。將連續(xù)求解域分割為有限個(gè)單元組成離散化模型，再用變分原理將各單元內(nèi)的熱傳導(dǎo)方程轉(zhuǎn)化為等價(jià)的線性方程組，最后求解全域內(nèi)的總體合成矩陣。 優(yōu)點(diǎn)：適合于具有復(fù)雜形狀的鑄件20三、鑄件凝固時(shí)間的計(jì)算定義：從液態(tài)金屬充滿型腔后至凝固完畢所需的時(shí)間。方法：Ch

10、vorinov法則計(jì)算即平方根定律鑄型單位面積在時(shí)間內(nèi)從鑄件吸收的熱量q應(yīng)該等于在此時(shí)間內(nèi)鑄件凝固了厚度所放出的熱量q.凝固層厚度與凝固時(shí)間的平方根成正比凝固系數(shù)K與許多因素有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)測定21平方根定律的推導(dǎo)是作了大量假設(shè)的情況下進(jìn)行的：（1）金屬鑄型的接觸面是無限大平面，二者的壁厚都是半無 限大的（2）鑄型的表面溫度澆注后立即達(dá)到金屬表面溫度，且以后保 持不變（3）凝固是在恒溫下進(jìn)行的（4）除結(jié)晶潛熱外，凝固過程中沒有其它熱量析出，如化學(xué)反 應(yīng)熱等（5）鑄型和金屬的熱物性不隨時(shí)間變化（6）由于金屬對(duì)流作用而引起的溫度場的變化忽略不計(jì) 所以平方根定律有很大的近似性，比較適合于大型平板類、結(jié)晶

11、間隔小的合金鑄件。1 “平方根定律”計(jì)算法22 由平方根定律可求出鑄件的凝固速度- 曲線v- 曲線 實(shí)際上，鑄件在凝固過程中并非始終遵循平方根定律1 “平方根定律”計(jì)算法232 “折算厚度”法則R為鑄件的折算厚度tF界面溫度 t20鑄型溫度 L結(jié)晶潛熱 c1比熱容 t澆澆注溫度 tS固相線溫度體積為V1，表面積為S1的鑄件，其完全凝固時(shí)間為折算厚度法則考慮了鑄件形狀這個(gè)主要影響因素，更加接近實(shí)際，是對(duì)平方根定律的一個(gè)發(fā)展。24表2-2 不同形狀鑄鋼件的凝固時(shí)間鑄件外形大小mm體積V/cm3重量G/kg散熱表面S/cm2折算厚度R=V/S cm最初1min內(nèi)鑄鋼件的凝固數(shù)量鑄件全部凝固時(shí)間min

12、kgcm2球形 d=152.4185214.57292.542.753607.2圓柱 d=108h=203185214.58722.133.254254.7立方柱d=92h=219185214.59760.903.654753.6板 a=57b=160l=203185214.510631.744.355652.7板 a=35.4b=258l=203185214.513771.356.007751.525四、鑄件內(nèi)的溫度梯度極其影響因素定義：鑄件內(nèi)任一點(diǎn)沿等溫面法線方向上的溫度變化率為 該點(diǎn)的溫度梯度：因此，溫度梯度表示溫度場沿單位長度上的溫度變化率，是時(shí)間和空間的函數(shù)。溫度梯度大，鑄件的溫度場

13、陡峻，鑄件的凝固速度大。261.金屬性質(zhì)的影響（1）導(dǎo)溫系數(shù) 導(dǎo)溫系數(shù)大，鑄件內(nèi)部的溫度均勻化的能力較大，斷面上溫度分布曲線就比較平坦，溫度梯度小。（2）結(jié)晶潛熱L 結(jié)晶潛熱大，向鑄型傳熱的時(shí)間長，鑄型內(nèi)表面被加熱溫度高，使鑄件和鑄型界面上的溫差小，溫度場較平坦，溫度梯度小。（3）金屬的凝固溫度 凝固溫度越高，界面上溫差大，溫度梯度大。272、鑄型性質(zhì)的影響（1）蓄熱系數(shù)b2 b2越大，對(duì)鑄件的激冷能力強(qiáng)，鑄件中溫度場就越陡（2）鑄型預(yù)熱溫度 鑄型預(yù)熱溫度高，激冷作用小，溫度梯度小，溫度場平坦3、澆注條件 澆注溫度高，過熱度增加，相當(dāng)于提高鑄型溫度，溫度梯度小284、鑄件結(jié)構(gòu)的影響(1) 鑄件的壁厚 厚壁鑄件比薄壁件含有更多的熱量，當(dāng)凝固層逐漸向中心推進(jìn)時(shí)必然要把鑄型加熱到更高的溫度。鑄件越厚大，溫度梯度就越小。薄壁件比厚壁件的溫度梯度大。(2) 鑄件的形狀 鑄件的棱角和彎曲表面與平面壁的散熱條件不同，在鑄件表面積相同的情況下，向外部凸出的曲面，如球面、圓柱表面、L形鑄件的外角，對(duì)應(yīng)著漸次放寬的鑄型體積，散出的熱量由較大體積的鑄型所吸收，鑄件的冷卻速度比平面鑄件要大。如果鑄件表面是向內(nèi)部凹下的，如圓筒鑄件內(nèi)表面、L或T形鑄件的內(nèi)角，則對(duì)應(yīng)著漸次收縮的鑄型體積，鑄件的