挤压冒口铸造的温度场分析

史保萱，晋宏炎

（烟台南山学院 机电工程学院，山东烟台 265713）

挤压冒口铸造的温度场分析

史保萱，晋宏炎

（烟台南山学院 机电工程学院，山东烟台 265713）

分析了挤压冒口补缩铸造条件下铸型和铸件的温度场。通过分析得出铸件温度梯度在浇注过程中和开始加压时呈最大值，铸型温度场的分布受开始加压时间、压力大小等多种因素影响。

挤压冒口；铸件；铸型

挤压冒口补缩的铸造方法是在机械压力作用下将冒口金属补入铸件，并使整个铸件在压力下凝固从而消除缩孔和缩松缺陷的铸造方法。铸件与铸型近似于理想接触的状态，其温度场与通常的铸造温度场相比，有明显差异。下面对挤压冒口补缩铸造条件下铸型和铸件的温度场，进行理论推导和具体分析。

1 铸型温度场

1.1 铸件与铸型间的传热分析

铸件与铸型之间从开始浇注到铸件凝固结束的整个过程中，接触状态存在多次变化，它们之间的热传导情况也必然有相应的变化。

假设在整个凝固过程中铸件与铸型之间的传热分为以下四个阶段：

（1）第一阶段是从开始浇注时到铸件最外一层开始凝固时为止。在此阶段内，界面处是液态金属与铸型直接接触，接触得比较紧密。

（2）第二阶段是从最外层单元开始凝固到其凝固率达到某一定值R时为止。在此阶段内，由于凝固收缩，造成铸件与铸型之间的分离，产生气隙，使其间当量热导率下降；假设当量热导率随凝固率呈直线下降。

（3）第三阶段是从最外层单元凝固率达到某一定值R时到开始施加压力时止。在此阶段内，可以认为界面间的气隙厚度趋于稳定，当量热导率变化不大。

（4）第四阶段是从开始施加压力直到最后凝固完毕。在此阶段内，由于力的施加，使得铸件产生一定的塑性变形。变形的结果是使界面处的气隙变薄或者消除。力的大小、铸件的几何形状等因素均对界面间的接触状态产生不同的影响。接触面上的接触应力不同，其当量热导率也不同。为计算方便，假设加压后界面间当量热导率从上到下呈线性下降。当界面间无涂层时，线性下降的斜率大一些，反之则小一些。

1.2 铸型温度场分析

1.2.1 铸型温度场

刚浇入金属液时，一方面金属液温度比较高，另一方面界面间液态金属与铸型直接接触，接触比较紧密，热量传递得快，因而铸型温度在短时间急剧上升。随后，因靠近铸型侧壁的金属液热量大量散失，很快失去过热度进而获得一定过冷度，开始进入凝固状态。随着凝固层厚度增加，凝固收缩使得此部分金属与铸型接触紧密程度愈来愈差，直至完全脱离。其结果使得铸件与铸型间的热阻增大，铸件内部的热量难于散失，这样就导致铸型内侧壁处的热输入量变小，铸型温度下降。开始加压后，整个温度场的变化是比较大的，由于铸件受压后产生塑形变形，使得铸件与铸型之间又开始接触，而且接触更加紧密了。这样导致界面热阻大大下降，铸件内部的热量又开始通过界面迅速向铸型传递，使得铸型内侧壁处热量的输入大于热量的散失，温度再次急剧增高，出现了第二次升温的高峰。高峰之后铸件内部热量逐渐散失，整个温度场的中心部分温度开始下降，而铸型外侧壁温度仍在继续上升。此时，铸型上各部位无论是温度下降还是上升，趋势都逐步趋向缓慢，最后稳定在某一定值上。在铸件与铸型之间加入介质，如润滑剂或涂料等对温度场影响很大。比较明显的作用是降低了铸型的温升速度和温升值。

1.2.2 各种因素对铸型温度场的影响

（1）压力对铸型温度场的影响

由实验知，比压值愈高，第二次高峰值来得愈早，且温度下降得愈快。

（2）预热温度对铸型温度场的影响

预热温度对铸型温度场没有太大影响，若给出不同预热温度的铸型，只不过给铸型温度场近似地加上了不同常数。

（3）开始加压时间对铸型温度场的影响

当压力一定时，加压愈迅速，温度-时间曲线的铸型温度峰值出现得愈早，并且值愈高，温度下降速率愈快。开始加压时间愈长，气隙愈大，因而热阻愈大，并且金属液过热度已丧失，故加压后，峰值来得愈慢。

2 铸件的温度场

铸件温度场对挤压冒口补缩铸造的铸件组织状态有决定性的影响，下面将初步的研究分析结果作一下介绍。

挤压冒口补缩铸造铸件的温度场与通常的重力铸造不同，其区别在于重力铸造的热节点是向冒口方向移动，而挤压补冒口缩铸造中热节点是移向铸件中心的。

2.1 温度场测定

挤压冒口补缩铸造的铸件温度场是一动态温度场，场内各点温度变化速率（dT/dt）很大。利用热电偶对铸件（ø110mm球体）内同一高度三点进行实时测量，铸型温度为 300～320℃，压力为 0Pa、300Pa、600Pa，加压开始时间为4～6s，保压时间为25～26s，测量离铸型内壁分别为5mm、15mm、25mm三个测量点的结果可知：在同一压力下，离型壁愈近的点，温度变化率就愈大；在不同压力下，压力愈大，温度变化也愈大。

2.2 铸件的温度场

由分析可知，在浇注过程中，铸件已经开始凝固，而且底部的凝固层要比侧面凝固层厚些。从浇注结束到开始施压前，底部的凝固层厚度增加很快，而侧面的凝固层厚度增加比较缓慢。分析其原因是由于铸件凝固收缩开始后，侧面处产生气隙，使热阻增加，所以其凝固层厚度变化不大；而底部铸件与铸型之间没有间隙，导热速度快，所以铸件底部凝固层厚度增加很快。开始施压后，整个温度场即会发生较大的变化：铸件上部与压头接触区域附近，热交换尤为剧烈，温度梯度很大，凝固层厚度增长很快；界面的换热速度也大大增加，导致整个凝固层迅速发展成近似等厚的封闭壳体，最后的凝固中心大致位于铸件的几何中心。从开始浇注到最后凝固结束，铸件内部的温度梯度以浇注过程中和开始加压时为最大。开始加压前，随着铸件的凝固，型腔中熔融液体内部的温度梯度逐渐变小。

[1]史保萱，等.挤压冒口补缩的铸造方法：中国，ZL 00118924.7[P].2003-12-10.

[2]罗守靖.液态模锻与挤压铸造技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]刘志明，等.压力铸造技术与应用[M].天津：天津大学出版社，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，主要从事金属材料、材料成型、机械制造等领域的教学和研究工作