挤压冒口补缩铸造过程中界面热传导的变化

挤压冒口补缩铸造过程中界面热传导的变化

用于压缩和收缩卷绕的铸造方法是在机械压力下将卡口金属填充到铸造中，使整个聚合物在压力下硬化，消除收缩孔和收缩螺钉的缺陷。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铸造温度场1.1凝固和凝固条件对分量热导率的影响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在铸造温度场分析的基础上1.2.1凝固收缩和压力刚浇入金属液时,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初步研究结果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离铸型壁的实时测量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(尴110mm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凝固层厚度的变化由分析可知,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