【提要】通過對鑄件澆注和凝固過程中比內(nèi)能分布的熱場分析,確定各種工藝條件下的良性熱場、不良熱場及其工藝熱元和熱場不良元、熱場的均勻化程度，并分析造成鑄件缺陷的主要原因，采取相應(yīng)工藝措施以消除對熱場分布的影響,取得健全鑄件。通過3個鑄件實例分析，說明了熱場分析方法的實際應(yīng)用。但是鑄造工藝的熱場分析方法要依賴流體力學(xué)知識和豐富的鑄造經(jīng)驗,目前僅能進(jìn)行定性分析，還不能進(jìn)行定量分析或?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)CAD。
關(guān)鍵詞.熱場比內(nèi)能工藝分析
在金屬液全部澆入型腔后至金屬液凝固的這段時間里，型腔內(nèi)金屬液(包括鑄件和澆冒系統(tǒng))以溫度為表癥的比內(nèi)能(單位質(zhì)點含有的能量J/kg)分布即為熱場。
在傳統(tǒng)的鑄造工藝?yán)碚撝?，將鑄件幾何結(jié)構(gòu)中材料富集部位，也就是幾何斷面較大的部位確定為熱節(jié)，并將熱節(jié)納入工藝控制重點。這些都是建立在金屬液澆注完這一時刻，型腔內(nèi)金屬液溫度都一樣的基礎(chǔ)上的，然后根據(jù)均勻散熱的條件，單位比表面積最小的部位即比內(nèi)能下降最慢的部位，就是最后凝固部位，也即是一般熱節(jié)所在部位。但是利用鑄件熱節(jié)分布來安排鑄造工藝，在生產(chǎn)實踐中往往會出現(xiàn)工藝缺陷，也就是說，鑄件局部過熱和過熱引起的缺陷不一定出現(xiàn)在幾何熱節(jié)處。為此引入熱場概念。通過對鑄型澆注完畢后，金屬液總體的溫度分布以及隨冷卻條件的差異導(dǎo)致溫度分布變化的研究，確定熱場的分布，用比內(nèi)能的概念取代熱節(jié)，從而決定鑄造工藝的布置，以彌補(bǔ)單純依靠熱節(jié)來安排鑄造工藝的不足。
-、熱場的分類
根據(jù)鑄造工藝的不同，所形成熱場對鑄件順序凝固是否有利，熱場可分為良性熱場和不良熱場兩種。
以最簡單的平板鑄件為例，說明鑄造工藝布置對熱場和鑄件缺陷的影響。圖1為不良熱場，圖2為良性熱場。圖1中的鑄造工藝布置按幾何熱節(jié)法找不出任何不妥當(dāng)?shù)牡胤?，但是按此工藝生產(chǎn)的鑄件會在A處的位置出現(xiàn)縮松缺陷。這是由于圖1中金屬液的溫度分布是按圖中順序數(shù)的增大而遞減的。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是鑄型的吸熱作用和明冒口的輻射散熱作用，圖中死角部分(序號6)附近的金屬液一旦充入就不再流動，在未澆注完畢時就已開始冷卻結(jié)晶，而中間區(qū)域是充型通道，溫度始終接近于澆注溫度，這個區(qū)域附近的型砂溫度也比較高，至使在補(bǔ)縮通道中不能形成溫度遞減的順序凝固現(xiàn)象，而補(bǔ)縮通道的上游卻先與下游凝固，使A處產(chǎn)生縮松缺陷。因此可以看出，對于幾何斷面均勻的鑄件，在各部位散熱條件基本一致時，由于溫度分布的不均勻使鑄件備部位的比內(nèi)能不均勻，所以在均勻的質(zhì)量場中形成了不均勻的熱場，即不良熱場，對鑄件的順序凝固不利，易產(chǎn)生鑄造缺陷。不良熱場的形成和不良程度與許多物理條件有關(guān)，如：①金屬液的溫度與鑄型的溫度相差越大，這種現(xiàn)象就越嚴(yán)重，反之就越輕微，可以說鑄鋼對這種現(xiàn)象遠(yuǎn)比鑄鋁敏感；②金屬液的澆注溫度與凝固溫度相差越大，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此降低澆注溫度可以減輕鑄造缺陷；⑧澆注速度越慢，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重；④在具備產(chǎn)生這種現(xiàn)象的條件下，增加冒口體積，這種現(xiàn)象更嚴(yán)重；⑤鑄型吸熱或傳熱傾向越大，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重；⑥合金凝固區(qū)間越小，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。改變上述影響因素，可以減輕或消除不良熱場，改變鑄件凝固過程，減少或消除鑄造缺陷。
(a)鑄造工藝及缺陷
(b)凝固過程(不良熱場)
如果改變圖l所示工藝方案，將原澆注方向倒過來，變冒口為澆口，原澆口為排氣、渣通道，則熱場發(fā)生變化，凝固過程變?yōu)轫樞蚰?。雖然該熱場也是不均勻的，但有利于順序凝固的進(jìn)行，故稱之為良性熱場。其工藝及凝固過程如圖2所示。一個鑄件的鑄造工藝一旦確定了良性熱場，對其它物理條件的依賴將變小，有的甚至可以不予考慮，
如：①可以不考慮鑄型與金屬液的溫差及鑄型的吸熱傾向；
②澆注溫度對熱場的影響也可不作考慮，但它對其它缺陷的影響應(yīng)予考慮；
⑧澆注速度的控制范圍可擴(kuò)大，冒口的體積可大幅度縮小；
④與合金凝固溫度區(qū)間無關(guān)。良性熱場的建立是提高鑄件質(zhì)量的前提條件。
二、工藝熱元及熱場均勻度..
在圖1a中的A區(qū)，雖然不是材料富集區(qū)，即不是幾何熱節(jié)，但它是澆注充型通道，和幾何熱節(jié)一樣具有較高的比內(nèi)能，只是它是由工藝布置引起的，故稱之為工藝熱元。對于工藝熱元，必須和幾何熱節(jié)一樣，為其提供必要的補(bǔ)縮才能保證鑄件質(zhì)量。
圖3為某一鑄件局部的凝固收縮過程。在圖3局部鑄件形成過程中，澆注時可以使其備部位溫度相同，澆注完畢時溫度場是均勻的，沒有特殊的幾何熱節(jié)；但是隨著時間的推移，A處受三面加熱而沒有散熱方向，故而導(dǎo)致A處周圍的的鑄件部分與其它散熱條件好的部分溫差逐漸加大，溫度場趨向不均勻化方向發(fā)展，熱區(qū)的金屬液隨著凝固收縮向其它低溫區(qū)域轉(zhuǎn)移，最終形成縮松或縮孔。這種由于結(jié)構(gòu)原因或其它原因?qū)е聼釄鱿虿涣挤较虬l(fā)展的因素稱為熱場不良元，幾何熱節(jié)也可以看成為一種熱場不良元。同樣,圖3中的B和C處也是熱場不良元，只是在程度上比A處小。
(a)鑄造工藝
(b)凝固過程(良性熱場)
無論對于何種鑄件的任何鑄造工藝，一經(jīng)澆注便在鑄型的幾何型腔空間內(nèi)形成了一個金屬液溫度場，這個溫度場與鑄件的質(zhì)點形成了原始熱場。隨著時間的推移，鑄件通過鑄型不斷地散熱而降溫，這個原始熱場的總體能量有一個逐漸降低的過程。由于鑄件各質(zhì)點的原始內(nèi)能和散熱條件不同，整個系統(tǒng)內(nèi)的熱場自始至終處于一個變化的過程之中。而熱場發(fā)展變化的方向?qū)Q定鑄件凝固的結(jié)局。但是熱場的均勻化程度并非越高越好，均勻化的結(jié)局是同時凝固，使冒口形同虛設(shè)，而將縮松留在鑄件壁中心，不利于獲得致密健全鑄件。一個順序凝固的熱場必定是一個朝向冒口的均勻度不高的系統(tǒng)，只有這樣才能將比內(nèi)能最高的質(zhì)點留在冒口內(nèi)，充分發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮作用。鑄件越復(fù)雜、壁厚差越大，澆注溫度越低、澆注系統(tǒng)截面積越小，澆注時間越長，內(nèi)澆口越少、越集中，熱場的均勻度就越低。熱場均勻度越低，鑄件越易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，或由于凝固時間差大而產(chǎn)生收縮應(yīng)力，使鑄件產(chǎn)生變形、熱裂。同時，局部過熱會在某些合金的鑄造中引起過熱缺陷，如銅合金鑄造的二次吸氣引起氣孔、針孔缺陷或成分偏析。
三、熱場分析在工藝設(shè)計中的應(yīng)用
1.工藝設(shè)計
鑄造工藝設(shè)計的任務(wù)就是利用各種工藝手段調(diào)節(jié)鑄造工藝參數(shù)，在特定的散熱條件下，使設(shè)定的原始熱場按照工藝技術(shù)要求向鑄件凝固終點發(fā)展，以獲得健全、致密鑄件。
其具體步驟如下：
①分析鑄件的技術(shù)要求和各部分的散熱條件，列出熱場不良元；
②確定凝固方式，明確鑄件的哪些部分必須保證順序凝固，哪些部分同時凝固也能滿足技術(shù)要求；
⑧設(shè)計一個原始熱場，并據(jù)此設(shè)計澆注系統(tǒng)及工藝，以控制工藝熱元、幾何熱節(jié)和熱場不良元，使?jié)沧⒑箬T型和鑄件具有合理的熱場均勻度，建立良性熱場和理想的凝固條件，保證獲得健全鑄件。
2.典型工藝分析
⑴大型鑄銅雙吸水泵葉輪的鑄造
大型鑄銅雙吸水泵葉輪的結(jié)構(gòu)和鑄造工藝見圖4。由圖4可以看出，該件壁厚嚴(yán)重不均，軸孔和A處為熱場不良元。按照圖4a工藝方案，在下蓋板處安放冷鐵，以使其與葉片基本上同時凝固；在軸孔處安放冷鐵，以改善不良元的冷卻條件；在A處增設(shè)補(bǔ)縮筋。采取以上措施后，用圖4a工藝澆注的鑄件，在軸孔上部和上蓋板處均有較嚴(yán)重的縮松缺陷。分析其原因為，軸孔處及A處都是在充型通道上，冒口部分的銅液是經(jīng)過此二處才完成充型的，實際上形成了工藝熱元，與冒口形成了相反的溫度梯度，從而導(dǎo)致了倒縮。據(jù)此修改了工藝方案，①縮小冒口體積，并降低中冒口高度；②改變澆注系統(tǒng)，在鑄件充型完畢后，冒口部分的充型由另一澆道來實現(xiàn)，不再經(jīng)過鑄件，使鑄型--鑄件系統(tǒng)形成良性熱場。圖4b為修改后的工藝方案。采用圖4b方案澆注的鑄件無缺陷，說明工藝方案合理。
(a)原工藝方案
(b)改進(jìn)后工藝
(a)原方案
(b)改進(jìn)方案
(2)鑄鋼多段泵中段的鑄造
圖5為鑄鋼多段泵中段的鑄造工藝簡圖。由于該件為受高壓部件，所以在鑄造工藝安排上刻意營造一個順序凝固的熱場(如圖5a所示)，卻造成熱場的嚴(yán)重不均勻，在鑄件已經(jīng)收縮時，冒口附近的鑄件還未能完全實現(xiàn)凝固，形成嚴(yán)重?zé)崃?。?jīng)過工藝分析，采取大大地縮小冒口體積的措施，但順序凝固的熱場仍沒有改變。冒口下部鋼水流經(jīng)處是一工藝熱元，它仍然可以起到補(bǔ)貼作用，能夠保證鑄件的補(bǔ)縮。按圖5b工藝可以得到健全致密的鑄鋼多段泵中段。
(a)原工藝方棠
(b)改進(jìn)后工藝
1.橫澆道
2.暗冒口
(3)泵腳板鑄造工藝
用熱節(jié)圓法找不出其發(fā)生缺陷的原因，但通過熱場分析發(fā)現(xiàn)它是一個熱場不良元。經(jīng)過工藝改進(jìn)后，改變熱場不良元，就獲得了健全的鑄件。
從以上工藝分析舉例可以看出，通過熱場分析可以更合理地利用各種工藝手段來設(shè)計鑄造工藝，以獲得健全鑄件。但是到目前為止、熱場分析方法對鑄造工藝只能進(jìn)行定性分析，并且在很大程度上依賴于工藝人員的流體力學(xué)知識和豐富的鑄造經(jīng)驗，尚無法進(jìn)行定量分析和實現(xiàn)電腦CAD。
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