平衡補縮鑄造工藝中鑄件凝固時間的理論分析

平衡補縮鑄造工藝中鑄件凝固時間的理論分析

許多設(shè)備的零件在工作中必須不斷承受磨損和損壞的負荷，如球磨機的襯底、磨機的球磨和彈板的刮板。實踐中發(fā)現(xiàn),這類零件在工作中常發(fā)生早期斷裂、磨損、使用壽命降低等問題。其結(jié)果不僅維修很麻煩,耽誤工時,有時甚至還造成生產(chǎn)事故。檢驗分析表明,這類零件早期失效的原因是,其內(nèi)部存在縮孔、縮松、微裂紋等鑄造缺陷。目前在國內(nèi)外,此類鑄鋼件大多以砂型鑄造為主要生產(chǎn)手段。對于它們的收縮缺陷,采用常規(guī)冒口補縮,不僅對消除縮松效果甚微,而且由于形成接觸熱節(jié),在冒口根部亦常出現(xiàn)收縮缺陷,截面厚大的鑄件還易出現(xiàn)中心部位組織疏松。這些缺陷都引起鑄件的力學(xué)性能下降,并導(dǎo)致其使用壽命大大降低。因此,改善機械設(shè)備中耐磨部件的質(zhì)量,消除其中的縮孔(松)缺陷,提高其組織結(jié)構(gòu)的致密性,提高其使用壽命,確是一個急待解決的問題。國內(nèi)外在這方面有過不少研究和嘗試。在工藝方面,將鑄造改為鍛造,可避免鑄造缺陷,但需要大功率壓力機,且模具昂貴,成本太高;從材料方面考慮,采用高合金材料制造,不僅增大了成本,且制件內(nèi)部鑄造缺陷問題仍不能解決。針對這一問題,我們進行了平衡補縮鑄造方法的研究,目前已初試成功。其方法主要是:將金屬液澆入金屬型或金屬-非金屬型中成形,在凝固過程中,用外加擠壓力,把相當于鑄件體收縮量的液態(tài)或半液態(tài)金屬補進鑄件之中,只用較小的補縮壓力,即可得到充分消除縮孔(松)缺陷、組織致密、質(zhì)量均勻的鑄鋼件。鑄件的機械性能和使用壽命均有大幅度提高。從理論上講,平衡補縮鑄造方法在澆注→補縮→凝固過程中,需達到兩個平衡:其一是鑄件的收縮量與冒口金屬的補縮量的平衡;其二是鑄件體收縮時間與冒口金屬補縮時間的平衡,即壓力機應(yīng)在鑄件凝固收縮時間內(nèi)將冒口金屬壓入鑄件。這里,以球形鑄件為例,對其凝固時間進行理論推導(dǎo)與分析。1凝固時間的影響式中:K為修正系數(shù),一般取K=1/3～1/4.應(yīng)該指出,在平衡補縮鑄造中,鑄件的凝固時間是分兩段進行的:第一段是從澆注到開始加壓這一時間,稱為加壓延時,這段時間屬于在大氣壓下凝固階段;第二階段是加壓后的鑄件凝固階段。為研究和計算的方便,可在選取K值時綜合考慮實際凝固時間。另外,選取K值時還應(yīng)考慮以下情況:1)壓力愈大,凝固時間愈短;2)開始加壓時間愈長,整個凝固時間愈長;3)鑄型預(yù)熱溫度愈高,凝固時間愈長;4)澆注溫度愈高,凝固時間愈長。3補縮鑄造的具體因素1)采用外加壓力強制補縮,可有效消除鑄件的縮松和組織疏松等缺陷。2)平衡補縮應(yīng)使鑄件的體收縮時間與冒口金屬的補縮時間達到平衡;冒口的補縮量與鑄件的體收縮量達到平衡。3)在鑄件凝固時間分析中,除應(yīng)考慮通常的鑄造傳熱條件外,還應(yīng)考慮平衡補縮鑄造的具體因素。式中:t0為鑄型初始溫度;ti為當r=R時,t=ti;R為鑄型內(nèi)表面半徑尺寸;r為距離球體球心距離;n為形狀參數(shù),當鑄件為球體時n=2;當r=R時,在鑄型—鑄件界面處(即r=R時)單位鑄型表面?zhèn)鞒龅臒釣?設(shè),在鑄型—鑄件界面處,鑄型導(dǎo)出的熱與鑄件凝固時釋放出來的潛熱相平衡;對于球形鑄件而言,只考慮鑄型熱阻以及ti=tm,則從鑄件單位面積上流入鑄型的平均熱量為:由于q1=q2,所以式中:V為鑄件體積;A為鑄件傳熱面積;tm為鑄件金屬熔化溫度;H為鑄件金屬結(jié)晶潛熱;ρ為鑄件金屬密度;為鑄型的熱擴散率;ρm為鑄型密度;Cm為鑄型比熱容。2鑄造的冷凝時間2.1基礎(chǔ)涂料層傳熱系數(shù)的計算當鑄型—鑄件界面處不存在熱阻時,由式(3)可以求出鑄件凝固時間式中:h為等效對流給熱系數(shù)當鑄型內(nèi)表面有涂料,且涂料設(shè)計為:第一層為基礎(chǔ)涂料層,厚度為d1;基礎(chǔ)涂料層上面再添工作涂料層,厚度為d2,鑄件金屬與工作涂料層接觸則式(4)中的h即為傳熱系數(shù),可用下式表示:式中:h1為從鑄件到工作涂料層的導(dǎo)熱系數(shù);h2為從基礎(chǔ)涂料層到鑄型的導(dǎo)熱系數(shù);K1,K2為工作涂料層和基礎(chǔ)涂料層的導(dǎo)熱系數(shù);d1,d2為基礎(chǔ)涂料層和工作涂料層的厚度。常用涂料及導(dǎo)熱系數(shù)如下:石墨46×10-2(W/m·K);石英粉17.2×10-2(W/m·K);水玻璃13.8×10-2(W/m·K);熟耐火粘土13.8×10-2(W/m·K)。2.2u2004溫度梯度如果鑄件與鑄型表面處存在熱阻,即ti≠tm,鑄件凝固層存在一定的溫度梯度(圖1),則鑄件凝固時間為式中:Ks為鑄件金屬的導(dǎo)熱系數(shù)。在式(6)的設(shè)計、推導(dǎo)過程中,考慮到了包括鑄件形狀、鑄型傳熱條件、涂層狀況等實際給出的傳熱條件因此該凝固方程更符合實際情況2.3熱傳導(dǎo)的影響在平衡補縮鑄造狀態(tài)下,鑄件是在壓力下凝固的,此時,鑄件表面與鑄型內(nèi)壁緊貼,因此,其熱傳