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不同铸型铸造凝固过程温度场的有限元模拟
□ 徐尊平 强华
摘　要:利用有限元方法，采用阶梯试块，对ZL105合金的砂型铸造和金属型铸造的凝固过程中的温度场进行了有限元模拟。结果表明，砂型铸造时铸件冷却速度慢，铸件内温度梯度小，最后冷却的部位在铸件的最大尺寸处，铸型与铸件界面处的温度较高。金属型铸造时铸件冷却速度快，铸件内温度梯度大，最后冷却的部位偏离铸件的最大尺寸位置一定距离，铸型与铸件界面处的温度较低。
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金月芽期刊网 2017铝合金铸件凝固温度测量及分析；敬必成代习彬罗定荣刘志先周麟升重庆新红旗缸盖制造；摘要：通过实验在线测量铸件凝固过程温度变化，绘制；速度、凝固方式；关键词：凝固过程；温度梯度；凝固方式；冷却速度；铸件是熔融金属注入铸型，凝固后得到的具有一定形状；铸件的凝固方式主要分为逐层凝固、糊状凝固（体积凝；冷却速度对铸件质量也有显著的影响；“上”为冒口，位置“中”为火花塞
铝合金铸件凝固温度测量及分析
周麟升 重庆新红旗缸盖制造有限公司，重庆
要：通过实验在线测量铸件凝固过程温度变化，绘制凝固过程温度曲线图。计算出凝固过程中温度梯度、冷却
速度、凝固方式。根据计算结果分析及预测可能产生的缺陷。
关键词：凝固过程；温度梯度；凝固方式；冷却速度
铸件是熔融金属注入铸型，凝固后得到的具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或零件毛坯[1]。金属的凝固是铸件形成过程中的重要环节，在很大程度上决定铸件的内部质量。铸件出现的缩孔、缩松、针孔、浇不足、偏析、冷裂、热裂、变形等缺陷都是在凝固过程中产生的。所以，认识铸件的凝固规律，对防止产生铸造缺陷、改善铸件组织、提高铸件的性能，有十分重要的意义。而测定铸件凝固温度场是了解铸件凝固过程的一个非常重要的途径。
铸件的凝固方式主要分为逐层凝固、糊状凝固（体积凝固）及中间凝固。铝合金铸件几乎都是逐层凝固成型。逐层凝固的凝固前沿与熔液直接接触，金属由液体转变为固态时发生的体积收缩，直接得到熔液的补充。因此，凝固过程中产生缩松的倾向小，而在最后凝固部位形成缩松。在凝固过程中，由于收缩受阻而产生晶间裂纹，容易得到溶液的补充，使裂纹愈合，所以热裂倾向小[2]。
冷却速度对铸件质量也有显著的影响。冷却速度越大，枝晶间距越小，A356铝合金变质效果越好[3]。冷却速度对针孔的形成也有影响[4~6]。冷却速度越快形成的气孔较少，分布比较集中并呈规则的小圆形。冷却速度慢时形成的气孔不仅数量多分布离散，而且大小形状各不相同[7]。
“上”为冒口，位置“中”为火花塞孔上部，位置“下”为火花塞孔下部。
缸盖A温度测量点示意图
缸盖B温度测量点示意图
1 实验条件及方法
选取公司正常生产的A356铝合金缸盖A和缸盖B，在火花塞孔（未预铸）中部选取三个点进行温度测量，具体测量点位置如图1、图2所示。将热电偶固定在测量点后，在线测量凝固过程温度变化，做出凝固过程温度曲线图。位置
2 实验结果
缸盖A凝固过程温度曲线图如图3所示，缸盖B凝固过程温度曲线图如图4所示。
δt=(T1-T2)/L
V= (T1-T2)/ (t1-t2)
式中：T1――凝固过程t1时的温度，℃；
T2――凝固过程t2时的温度，℃； L ―― 测量位置之间的距离，m。 3.1 缸盖A实验数据处理及分析 3.1.1 凝固方式
冒口到火花塞孔上部的最小温度梯度δt= 253.33℃/m，=0.2。故冒口到火花塞孔上部凝固方式为逐层凝固，方向是由下至上。
火花塞孔上部到火花塞孔下部的最小温度
缸盖A凝固过程温度曲线
梯度δt=560℃/m，=0.09。故火花塞孔上部到火花塞孔下部凝固方式为逐层凝固，方向是由下至上。
故该缸盖凝固方式是由下至上的逐层凝固，补缩效果好，形成缩松、疏松的倾向小。
3.1.2 冷却速度（测量开始到完全结晶过程） 冒口平均冷却速度V=0.19℃/s，火花塞孔上部平均冷却速度V=0.41℃/s。
该缸盖火花塞孔上部冷却速度较快，变质效果较好，形成针孔倾向小。
3.1.3 质量影响
缸盖A凝固方式是由下至上的逐层凝固，冷却速度快。缩松、疏松、裂纹倾向小，形成针孔倾向小。
3.2 缸盖B实验数据处理及分析
图3中温度曲线能明显看见平台，是凝固过程结晶潜热的释放导致温度趋于平衡。图3中温度曲线温度平台出现在564℃，温度低于564℃后开始降低。凝固过程结束，结晶潜热消失，温度平衡被打破，温度开始降低。可见，在缸盖B的外界条件下，经过变质后A356铝合金共晶温度为564℃。
3.2.1 凝固方式
冒口到火花塞孔上部的最小温度梯度δt= 13.3℃/m，=3.825。故冒口到火花塞孔上部凝固方式为体积凝固。
火花塞孔上部到火花塞孔下部的最小温度梯度δt=0℃/m，趋近∞。故火花塞孔上部到火花塞孔下部凝固方式为体积凝固。
故该缸盖凝固方式是体积凝固。
3.2.2 冷却速度（测量开始到完全结晶过程）
缸盖B凝固过程温度曲线
实验数据处理及分析
合金的结晶温度范围与其成分有关。
态下当合金的成分确定后，
合金结晶温度范围也
确定了。铝合金A356
相线温度为
615℃，共晶温度577℃。但是经过适当的变质处理，铝硅合金的共晶温度会下降至564℃。因此，经过变质后A356的结晶温度范围为51℃。铸件的凝固方式，是由合金的结晶温度范围△tc与温度降（可以近似的标示为温度梯度）δt的比值确定的。当层凝固；当
时，铸件凝固方式趋于逐时，趋于体积凝固方式
已知结晶温度范围△tc=51℃，结晶温度为564℃。通过实验数据，可计算铸件凝固过程温度梯度δt，冷却速度V。计算公式[11]：
冒口平均冷却速度V=0.075℃/s，火花塞孔上部平均冷却速度V=0.072℃/s，火花塞孔下部平均冷却速度V=0.33℃/s。
该缸盖火花塞孔上部冷却速度慢，变质效果差，形成针孔倾向大。
3.1.3 质量影响
缸盖B凝固方式是体积凝固，冷却速度慢。缩松、疏松、裂纹倾向大，形成针孔倾向大。
[3] 赵健华,谭力. 冷却速度对A356铝合金变质效果的
影响[J].铸造设备与工艺,-27.
[4] KUO Y S & CHANG E. The influence of cooling rate
on the porosity content of A201 aluminum plate castings [J]. J. of Taiwan Foundry Society, - 28.
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[8] 董杰,路贵名,崔建忠. 356铝合金凝固形核过程及液
相线半连续铸造组织的研究[J].铸造.):720-723.
[9] 中国冶金百科全书总编辑委员会《金属材料卷》编
辑委员会 编.中国冶金百科全书?金属材料[M].北京：冶金工业出版社.2001.
通过对铝合金铸件凝固过程温度测量，分析凝固过程的凝固方式及影响、冷却速度及影响。
1）缸盖A凝固方式是逐层凝固，冷却速度快。缩松、疏松、裂纹倾向小，形成针孔倾向小。
2）缸盖B凝固方式是体积凝固，冷却速度慢。缩松、疏松、裂纹倾向大，形成针孔倾向大。
3）在缸盖B的外界条件下，变质后A356铝合金的共晶温度在564℃。
[1] GB/T ,铸造述语[S]
[2] 董选普,李继强.铸造工艺学[M].北京:化学工业出版
社,2009:81.
[10] 安阁英.铸件形成理论[M].北京:机械工业出版
[11] 王仲珏,刘保根. 测定金属凝固温度场的实验教学
[J]. 铸造设备研究.-30.
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技术探讨：冷铁的作用以及对铸件性能的影响
&&& 前几天在我们的&铸造职业社区&微信公众平台上有位朋友留言，想要了解冷铁的作用以及对铸件性能的影响，于是我们请教了几位铸造行业的从业人员，但是对这块都不是特别了解，一直没有回复这一位朋友，我们觉得很过意不去，在此向广大铸造业从业朋友求教，希望多多探讨。
&&&&冷铁：冷铁由镀锡或涂敷防粘膜稀浆的低碳钢或线材加工而成，并且可以加工成各式各样的形状和尺寸。无论是马蹄钉还是直杆钉都可以作为冷铁使用。在铸造生产中，冷铁被用来控制收缩和获得定向凝固。外冷铁放在模子中顶着铸件壁。内冷铁被压进型芯，或模壁，这样它们的一大部分就可以伸进模穴，从而达到预期的效果。
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冷铁只能改变铸造过程的凝固顺序，绝对不能改变凝固时的收缩总量。无论是什么材质的铸件均是如此。2.
冷铁的使用，有好处也有缺点。好处即是改变凝固顺序，而坏处就多了。所以使用冷铁必须对其进行严格处理，包括：
冷铁的材质---与铸件相近似，表面----物任何缺陷而表面光洁度一致，内在质量---无缩孔裂纹气孔等3.
冷铁大小尺寸的选择----一般是该处壁厚的75--110%，大小以覆盖该处热节的80--100%为好。
向各位老师问好
专业技术话题，我这个HR进来打打酱油
这么多专家，学习了
这是个学习的好机会呀
冷铁被用来控制收缩和获得定向凝固，还有一种作用是局部获得所需要的耐磨层，冷铁的材质最好事灰铸铁，至于具体怎么使用冷铁，需要看铸件的结构和你使用冷铁所要达到的效果。书本上只有原则性的东西，实践经验很重要。
冷铁设置时还要防止冷却速度过快，把补缩通道堵塞的情况。
杭先生的回复是对的。冷铁与冒口单独或联合使用，目的就是解决铸件的凝固顺序问题，从而获得内部无缩松缩孔的致密铸件。注意冷铁使用――有一些注意事项，了解与掌握这些内容是熟练应用冷铁的关键，也是获得满意铸件的一个条件。这些注意事项包括冷铁材质的选用、冷铁参数的设定、位置的设置、日常控制与管理都是重要问题。这些一是靠学习、二是靠经验积累才能获得。
我说说砂铸铸铁产品所使用冷铁的情况。在铸件局部放置冷铁，改变铸件该部位的凝固速度（收缩时间），使得铸件内部组织更致密，也会在一定程度上改变铸件基体组织，使该部位的铸件硬度或提高或降低（高牌号的球铁铸件，放置冷铁容易导致铸件硬度降低）。――对于铸钢件、一般灰铸铁件而言，放置冷铁，铸件的收缩时间缩短，铸件倾于顺序凝固；――对于球铁铸件而言，放置冷铁改变收缩时间（或缩短，或延长），尤其是厚大球铁铸件，这可能导致“放置冷铁部位反而出现缩松缺陷”的现象。从冷铁材质来讲，常见的有石墨冷铁、铸铁冷铁，通常不用铸钢冷铁。
石墨冷铁，热传递速度快，但是其本身的蓄热能力小，也就是说，石墨冷铁可以让铸件局部快速冷却，当铸件温度还没有降低太多的时候，石墨冷铁就“吃饱”了，不能再吸热了；铸铁冷铁，一般采用灰铸铁，充分利用冷铁里面的片状石墨，既能够加快冷铁的热传递速度，还大大增加冷铁的蓄热能力。从冷铁使用方式来讲，分为外冷铁（直接外冷铁和间接外冷铁，即隔砂冷铁）、内冷铁――铸造书上都有，不扯了，嘿嘿。
老师傅的经验是，在铸件厚的地方放冷铁！
――多厚为“厚”？通常的答案是“经验”！
实际上，这个“厚度”尺寸是可以计算滴。
尤其是在生产球铁铸件、厚大灰铁铸件的同志们更应该注意，冷铁要慎重使用；放置冷铁，改变铸件模数，影响铸件收缩时间，进而影响冒口的补缩……我曾经干过风电厚大球铁件，比如几吨重的行星架、箱体等，铸件平均厚度在100mm左右，开始的工艺是：铸件周身放冷铁，几百公斤的冷铁，铸件缩松比例高达50%以上，后来搞明白了，把冷铁全仍了，最多就摆十来块冷铁，铸件缩松缺陷比例不超过2%。信不信由你，嘿嘿
赞一个， 果然是老师傅，有真材实料
回复蒋石山：声明一下，偶可不是老师傅，俺们可刚过而立之年，男人三十一枝花的嘛，正开得艳呢，哈哈哈
回复蒋石山：声明一下，偶可不是老师傅，俺们可刚过而立之年，男人三十一枝花的嘛，正开得艳呢，哈哈哈
回复杭先生：好啊，好一枝花呀
也就是局部冷却，从而达到或接近顺序凝固的目标
说的有道理
我最近也在想了解这方面的问题，学习了
那不是正好学习
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