擠壓冒口補(bǔ)縮鑄造過程中界面熱傳導(dǎo)的變化

擠壓冒口補(bǔ)縮鑄造過程中界面熱傳導(dǎo)的變化

用于壓縮和收縮卷繞的鑄造方法是在機(jī)械壓力下將卡口金屬填充到鑄造中，使整個(gè)聚合物在壓力下硬化，消除收縮孔和收縮螺釘?shù)娜毕?。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(bǔ)縮鑄造條件下鑄型和鑄件的溫度場,進(jìn)行理論推導(dǎo)和具體分析。1鑄造溫度場1.1凝固和凝固條件對分量熱導(dǎo)率的影響鑄件與鑄型之間從開始澆注到鑄件凝固結(jié)束的整個(gè)過程中,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)第一階段是從開始澆注時(shí)到鑄件最外一層開始凝固時(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(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)界面間無涂層時(shí),線性下降的斜率大一些,反之則小一些。1.2在鑄造溫度場分析的基礎(chǔ)上1.2.1凝固收縮和壓力剛澆入金屬液時(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,很快失去過熱度進(jìn)而獲得一定過冷度,開始進(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。開始加壓后,整個(gè)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(dǎo)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(gè)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(shí),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溫度場的影響(1)壓力對鑄型溫度場的影響由實(shí)驗(yàn)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(yù)熱溫度對鑄型溫度場的影響預(yù)熱溫度對鑄型溫度場沒有太大影響,若給出不同預(yù)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(shí)間對鑄型溫度場的影響當(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。開始加壓時(shí)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初步研究結(jié)果鑄件溫度場對擠壓冒口補(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,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離鑄型壁的實(shí)時(shí)測量擠壓冒口補(bǔ)縮鑄造的鑄件溫度場是一動態(tài)溫度場,場內(nèi)各點(diǎn)溫度變化速率(dT/dt)很大。利用熱電偶對鑄件(尷110mm球體)內(nèi)同一高度三點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,鑄型溫度為300~320℃,壓力為0Pa、300Pa、600Pa,加壓開始時(shí)間為4~6s,保壓時(shí)間為25~26s,測量離鑄型內(nèi)壁分別為5mm、15mm、25mm三個(gè)測量點(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凝固層厚度的變化由分析可知,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(dǎo)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(gè)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(dǎo)致整個(gè)凝固