冷铁对铝硅合金凝固过程的影响

李泓璇，党惊知

(中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051)



冷铁对铝硅合金凝固过程的影响

李泓璇，党惊知

(中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051)

文章通过数值模拟的方法，研究了不同厚度的冷铁在常用的铝硅合金AlSi7Mg的凝固过程中的影响.通过实验所得到的一系列结论可以看出，对于直径较大的试样，增加冷铁厚度，可以极大地改善其凝固条件，其中对于模数小于20 mm的铸件，冷铁厚度在30 mm左右即可.

冷铁;铝硅合金;凝固过程

0 引言

汽车制造业和航空航天业的发展, 扩大了铝合金铸件的需求, 同时对铝合金铸件的质量和可靠性提出了更高的要求.铸件主要缺陷是在凝固时产生的，而冷却速度又是影响凝固过程的主要工艺因素，对凝固组织及铸件的性能有着重要影响.大量研究表明，冷却速度对缩孔和缩松的影响较大, 随着冷却速度的提高, 不仅孔隙度降低, 孔洞尺寸亦减小[2-4].由于孔洞尺寸随冷却速度的增大而减小,使显微疏松降低.所以，通过分析铸件不同部位的温度分布及冷却速度，设计合理的铸造工艺，得到合理的凝固过程，对于提高铸件的品质有很大作用.

本文主要分析铝硅合金AlSi7Mg铸件凝固时的温度变化及所需的时间与外冷铁之间的关系.传统的冷铁设计主要是通过模数计算，不仅计算量大且需建立在经验基础上，本试验采用数值模拟的方法(ProCAST软件模拟)得到冷却速度、凝固时间与冷铁之间的关系.得出不同模数的铸件与冷铁厚度的关系.

1 实验部分

1.1 冷铁的有效作用距离

1.1.1 不同厚度的冷铁在直径为50 mm的试样中的有效作用距离

冷铁对铸件的作用主要是通过改变铸件局部的冷却速度实现的，所以本实验采用冷却速度来判断冷铁的有效作用距离.

试验采用不同直径的AlSi7Mg合金试样(35 mm,50 mm,65 mm,80 mm)其凝固点为557 ℃，及不同厚度的冷铁(0、10 mm,20 mm,30 mm,50 mm)，用数值模拟的方法，测得圆棒中离冷铁不同距离处的温度变化，通过与相同直径未加冷铁的试样的冷却速度的对比，判断得出冷铁的有效作用距离.

1.1.1.1 不加冷铁时直径为50 mm的试样各点的温度变化

选用直径为50 mm的圆柱形试样为例，通过模拟计算我们得到未加冷铁时，试样中距端部距离为(20 mm,40 mm,60 mm,80 mm,100 mm,120 mm)处的温度变化规律，如表1所示.由表1可知，距离端部近的点温度下降的快，离端部远的点温度下降的慢，当距端部距离超过60 mm后，各点的温度变化几乎相同.说明端部的激冷作用在一定距离后就失去效果了.根据表1中的数据，可得到图1所示的所选各点的冷却速度曲线.

由图1所示，在凝固初期，距端部越近，其冷却速度越快，温度下降越多.在40 s后，各点的冷却速度趋于一致.当距离达到一定后，再增加距离对冷却速度的影响很小，冷却曲线几乎重叠.

表1 直径50 mm的试样距端部不同距离的点的温度变化(℃)

图1 直径50 mm的圆棒距端部不同距离的点的冷却速度曲线

1.1.1.2 10 mm厚冷铁对直径为50 mm的试样各点温度变化影响

在上述的基础上，在圆棒的一侧端部放上10 mm厚的冷铁，继续用数值模拟计算的方法，得到与不加冷铁的圆棒相对应各点的温度分布，如表2所示.

表2 端部放置10 mm厚冷铁时各点的温度变化(℃)

1.1.1.3 10 mm厚冷铁在直径为50 mm的试样中的有效作用距离

对比加冷铁与不加冷铁时各点的温度变化，加冷铁时在距离端部较近的20 mm,40 mm点处温度较不加冷铁时下降的快，随着距离的增加，冷铁作用越来越小，在距离端部距离40 mm-60 mm之间时，温度变化几乎趋于一致.继续通过模拟试验，在距离端部48 mm处，冷却速度几乎相等，说明在该处冷铁已经失去作用，因此可以得到对于直径50 mm的试样，厚度为10 mm的冷铁的有效作用距离为48 mm.

1.1.1.4 其他厚度冷铁在直径为50 mm的试样中的有效作用距离

用上述方法得到20 mm,30 mm,50 mm厚的冷铁的在直径为50 mm的试样中有效作用距离为64 mm,80 mm,82 mm.可以发现，随着冷铁厚度的增大，有效作用距离逐渐增大，当达到一定厚度后，继续增大冷铁厚度，对冷铁的有效作用距离影响不大.

1.1.2 冷铁在其他不同模数的试样中的有效作用距离

在分析得到不同厚度冷铁对模数为12.5 mm(直径50 mm)试样的有效作用距离后，继续分析冷铁对模数为8.75 mm(直径35 mm)、16.25 mm(直径65 mm)、20 mm(直径80 mm)的试样的有效作用距离，结果如表3.

表3 冷铁的有效作用距离(mm)

1.1.3 铸件模数、冷铁的有效作用距离和冷铁厚度之间的关系

图2 铸件模数、冷铁的有效作用距离和冷铁厚度之间的关系

分析图2中的4条曲线可得，随试样模数的增大，冷铁对其的作用距离将变短.曲线2与曲线3，曲线3与曲线4之间均有较大间隔，说明冷铁在一定厚度范围内，增大冷铁厚度将显著增加其有效作用距离.曲线1和曲线2之间的间隔很小，说明当冷铁厚度增加到一定值以后，冷铁对铸件的激冷作用趋于饱和，进一步增加冷铁厚度，实际意义不大，需采取其他工艺措施.

1.2 冷铁对不同直径圆棒的凝固时间影响

同样，以50 mm直径的圆棒试样为例，分别采用厚度为0,10 mm,20 mm,30 mm,50 mm冷铁作用于试样的端部，分析不同厚度冷铁对圆棒中距端部20 mm,40 mm,60 mm,80 mm,100 mm各个部分凝固时间的影响，得到各点的凝固时间如表4所示.

表4 直径50mm的圆棒距端部不同距离的点的凝固时间(s)

按上述方法可得直径为35 mm,50 mm,65 mm,80 mm的圆柱形试样局部凝固曲线图，如图3所示.

可以看出，随着冷铁厚度的增大，圆棒的凝固时间明显缩短，温度梯度也呈现出增大的趋势，当冷铁厚度达到一定程度后，继续增大冷铁厚度，凝固时间减小的趋势变小，这符合凝固理论的基本原理.从所得到的结果可以看出，对于直径较大的试样，增加冷铁厚度，可以极大地改善其凝固条件.

图3 冷铁厚度对局部凝固时间的影响

有效冷铁厚度的提出为冷铁厚度确定提供了理论依据.实际生产中，为强化激冷，不只是片面地通过加大冷铁厚度来实现，而应尽量地保证冷铁厚度为H.用多块冷铁来代替单块冷铁，从而达到即强化激冷又能充分发挥其激冷能力的目的.当冷铁的厚度大于H时，虽冷铁继续加厚，凝固时间将继续缩短，但冷铁的激冷能力得不到充分的发挥，造成冷铁材料的浪费.用多块冷铁去代替单块冷铁，会避免铸件散热和凝固收缩应力过分集中的现象，有利于防止大块冷铁引起的热裂缺陷.

分析图3可以得出结论，对于模数小于20 mm的铸件，冷铁厚度在30 mm左右即可.

2 结论

1)通过对比模拟计算，得到了冷铁在直径为50 mm的铝硅合金试样中的有效作用距离.厚度为10 mm的冷铁的有效作用距离为48 mm；20 mm,30 mm,50 mm厚的冷铁的有效作用距离分别为64 mm,80 mm,82 mm.

2)得到冷铁厚度选择原则：随着冷铁厚度的增大，圆棒的凝固时间明显缩短，温度梯度也呈现出增大的趋势，当冷铁厚度达到一定程度后，继续增大冷铁厚度，凝固时间减小的趋势变小，这符合凝固理论的基本原理.从所得到的结果可以看出，对于直径较大的试样，增加冷铁厚度，可以极大地改善其凝固条件，其中对于模数小于20 mm的铸件，冷铁厚度在30 mm左右即可.

[1] 杨弋涛，陈 萌，邵光杰.铸造模拟在大型复杂铸铁件上的实用研究.铸造，2005,54(1):265-267

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[5]TREMBLAY S,BOUCHARD J,BOUCHARD M.Receptacle for handling molten metal, casting assembly and manufacturing method:U.S.Patent Application 13/912,889.2013-06-07

Research on Cold iron′ s Effect on the Solidification Process of AlSi7Mg

LI Hongxuan, DANG Jingzhi

(Department of Material Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

The effect of cold iron has been proved and analyzed in this paper by applying a series of numerical simulation experiment. It can be concluded from the results that for those large diameter work pieces, by increasing the thickness of cold iron, the solidification process could be optimized. If the modulus of work pieces is less than 20mm, the appropriate thickness of cold iron should be 30 mm.

cold iron; alSi7Mg; solidification process

2016-03-18

李泓璇(1990-)，男，硕士，中北大学材料科学与工程学院在读硕士研究生，主要从事模拟仿真在铸造上的应用研究.

1672-2027(2016)02-0060-04

TG249.2

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