李泓璇，黨驚知

(中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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冷鐵對(duì)鋁硅合金凝固過程的影響

李泓璇，黨驚知

(中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051)

文章通過數(shù)值模擬的方法，研究了不同厚度的冷鐵在常用的鋁硅合金AlSi7Mg的凝固過程中的影響.通過實(shí)驗(yàn)所得到的一系列結(jié)論可以看出，對(duì)于直徑較大的試樣，增加冷鐵厚度，可以極大地改善其凝固條件，其中對(duì)于模數(shù)小于20 mm的鑄件，冷鐵厚度在30 mm左右即可.

冷鐵;鋁硅合金;凝固過程

0 引言

汽車制造業(yè)和航空航天業(yè)的發(fā)展, 擴(kuò)大了鋁合金鑄件的需求, 同時(shí)對(duì)鋁合金鑄件的質(zhì)量和可靠性提出了更高的要求.鑄件主要缺陷是在凝固時(shí)產(chǎn)生的，而冷卻速度又是影響凝固過程的主要工藝因素，對(duì)凝固組織及鑄件的性能有著重要影響.大量研究表明，冷卻速度對(duì)縮孔和縮松的影響較大, 隨著冷卻速度的提高, 不僅孔隙度降低, 孔洞尺寸亦減小[2-4].由于孔洞尺寸隨冷卻速度的增大而減小,使顯微疏松降低.所以，通過分析鑄件不同部位的溫度分布及冷卻速度，設(shè)計(jì)合理的鑄造工藝，得到合理的凝固過程，對(duì)于提高鑄件的品質(zhì)有很大作用.

本文主要分析鋁硅合金AlSi7Mg鑄件凝固時(shí)的溫度變化及所需的時(shí)間與外冷鐵之間的關(guān)系.傳統(tǒng)的冷鐵設(shè)計(jì)主要是通過模數(shù)計(jì)算，不僅計(jì)算量大且需建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)采用數(shù)值模擬的方法(ProCAST軟件模擬)得到冷卻速度、凝固時(shí)間與冷鐵之間的關(guān)系.得出不同模數(shù)的鑄件與冷鐵厚度的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 冷鐵的有效作用距離

1.1.1 不同厚度的冷鐵在直徑為50 mm的試樣中的有效作用距離

冷鐵對(duì)鑄件的作用主要是通過改變鑄件局部的冷卻速度實(shí)現(xiàn)的，所以本實(shí)驗(yàn)采用冷卻速度來判斷冷鐵的有效作用距離.

試驗(yàn)采用不同直徑的AlSi7Mg合金試樣(35 mm,50 mm,65 mm,80 mm)其凝固點(diǎn)為557 ℃，及不同厚度的冷鐵(0、10 mm,20 mm,30 mm,50 mm)，用數(shù)值模擬的方法，測(cè)得圓棒中離冷鐵不同距離處的溫度變化，通過與相同直徑未加冷鐵的試樣的冷卻速度的對(duì)比，判斷得出冷鐵的有效作用距離.

1.1.1.1 不加冷鐵時(shí)直徑為50 mm的試樣各點(diǎn)的溫度變化

選用直徑為50 mm的圓柱形試樣為例，通過模擬計(jì)算我們得到未加冷鐵時(shí)，試樣中距端部距離為(20 mm,40 mm,60 mm,80 mm,100 mm,120 mm)處的溫度變化規(guī)律，如表1所示.由表1可知，距離端部近的點(diǎn)溫度下降的快，離端部遠(yuǎn)的點(diǎn)溫度下降的慢，當(dāng)距端部距離超過60 mm后，各點(diǎn)的溫度變化幾乎相同.說明端部的激冷作用在一定距離后就失去效果了.根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可得到圖1所示的所選各點(diǎn)的冷卻速度曲線.

由圖1所示，在凝固初期，距端部越近，其冷卻速度越快，溫度下降越多.在40 s后，各點(diǎn)的冷卻速度趨于一致.當(dāng)距離達(dá)到一定后，再增加距離對(duì)冷卻速度的影響很小，冷卻曲線幾乎重疊.

表1 直徑50 mm的試樣距端部不同距離的點(diǎn)的溫度變化(℃)

圖1 直徑50 mm的圓棒距端部不同距離的點(diǎn)的冷卻速度曲線

1.1.1.2 10 mm厚冷鐵對(duì)直徑為50 mm的試樣各點(diǎn)溫度變化影響

在上述的基礎(chǔ)上，在圓棒的一側(cè)端部放上10 mm厚的冷鐵，繼續(xù)用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，得到與不加冷鐵的圓棒相對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的溫度分布，如表2所示.

表2 端部放置10 mm厚冷鐵時(shí)各點(diǎn)的溫度變化(℃)

1.1.1.3 10 mm厚冷鐵在直徑為50 mm的試樣中的有效作用距離

對(duì)比加冷鐵與不加冷鐵時(shí)各點(diǎn)的溫度變化，加冷鐵時(shí)在距離端部較近的20 mm,40 mm點(diǎn)處溫度較不加冷鐵時(shí)下降的快，隨著距離的增加，冷鐵作用越來越小，在距離端部距離40 mm-60 mm之間時(shí)，溫度變化幾乎趨于一致.繼續(xù)通過模擬試驗(yàn)，在距離端部48 mm處，冷卻速度幾乎相等，說明在該處冷鐵已經(jīng)失去作用，因此可以得到對(duì)于直徑50 mm的試樣，厚度為10 mm的冷鐵的有效作用距離為48 mm.

1.1.1.4 其他厚度冷鐵在直徑為50 mm的試樣中的有效作用距離

用上述方法得到20 mm,30 mm,50 mm厚的冷鐵的在直徑為50 mm的試樣中有效作用距離為64 mm,80 mm,82 mm.可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷鐵厚度的增大，有效作用距離逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定厚度后，繼續(xù)增大冷鐵厚度，對(duì)冷鐵的有效作用距離影響不大.

1.1.2 冷鐵在其他不同模數(shù)的試樣中的有效作用距離

在分析得到不同厚度冷鐵對(duì)模數(shù)為12.5 mm(直徑50 mm)試樣的有效作用距離后，繼續(xù)分析冷鐵對(duì)模數(shù)為8.75 mm(直徑35 mm)、16.25 mm(直徑65 mm)、20 mm(直徑80 mm)的試樣的有效作用距離，結(jié)果如表3.

表3 冷鐵的有效作用距離(mm)

1.1.3 鑄件模數(shù)、冷鐵的有效作用距離和冷鐵厚度之間的關(guān)系

圖2 鑄件模數(shù)、冷鐵的有效作用距離和冷鐵厚度之間的關(guān)系

分析圖2中的4條曲線可得，隨試樣模數(shù)的增大，冷鐵對(duì)其的作用距離將變短.曲線2與曲線3，曲線3與曲線4之間均有較大間隔，說明冷鐵在一定厚度范圍內(nèi)，增大冷鐵厚度將顯著增加其有效作用距離.曲線1和曲線2之間的間隔很小，說明當(dāng)冷鐵厚度增加到一定值以后，冷鐵對(duì)鑄件的激冷作用趨于飽和，進(jìn)一步增加冷鐵厚度，實(shí)際意義不大，需采取其他工藝措施.

1.2 冷鐵對(duì)不同直徑圓棒的凝固時(shí)間影響

同樣，以50 mm直徑的圓棒試樣為例，分別采用厚度為0,10 mm,20 mm,30 mm,50 mm冷鐵作用于試樣的端部，分析不同厚度冷鐵對(duì)圓棒中距端部20 mm,40 mm,60 mm,80 mm,100 mm各個(gè)部分凝固時(shí)間的影響，得到各點(diǎn)的凝固時(shí)間如表4所示.

表4 直徑50mm的圓棒距端部不同距離的點(diǎn)的凝固時(shí)間(s)

按上述方法可得直徑為35 mm,50 mm,65 mm,80 mm的圓柱形試樣局部凝固曲線圖，如圖3所示.

可以看出，隨著冷鐵厚度的增大，圓棒的凝固時(shí)間明顯縮短，溫度梯度也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)冷鐵厚度達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增大冷鐵厚度，凝固時(shí)間減小的趨勢(shì)變小，這符合凝固理論的基本原理.從所得到的結(jié)果可以看出，對(duì)于直徑較大的試樣，增加冷鐵厚度，可以極大地改善其凝固條件.

圖3 冷鐵厚度對(duì)局部凝固時(shí)間的影響

有效冷鐵厚度的提出為冷鐵厚度確定提供了理論依據(jù).實(shí)際生產(chǎn)中，為強(qiáng)化激冷，不只是片面地通過加大冷鐵厚度來實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)盡量地保證冷鐵厚度為H.用多塊冷鐵來代替單塊冷鐵，從而達(dá)到即強(qiáng)化激冷又能充分發(fā)揮其激冷能力的目的.當(dāng)冷鐵的厚度大于H時(shí)，雖冷鐵繼續(xù)加厚，凝固時(shí)間將繼續(xù)縮短，但冷鐵的激冷能力得不到充分的發(fā)揮，造成冷鐵材料的浪費(fèi).用多塊冷鐵去代替單塊冷鐵，會(huì)避免鑄件散熱和凝固收縮應(yīng)力過分集中的現(xiàn)象，有利于防止大塊冷鐵引起的熱裂缺陷.

分析圖3可以得出結(jié)論，對(duì)于模數(shù)小于20 mm的鑄件，冷鐵厚度在30 mm左右即可.

2 結(jié)論

1)通過對(duì)比模擬計(jì)算，得到了冷鐵在直徑為50 mm的鋁硅合金試樣中的有效作用距離.厚度為10 mm的冷鐵的有效作用距離為48 mm；20 mm,30 mm,50 mm厚的冷鐵的有效作用距離分別為64 mm,80 mm,82 mm.

2)得到冷鐵厚度選擇原則：隨著冷鐵厚度的增大，圓棒的凝固時(shí)間明顯縮短，溫度梯度也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)冷鐵厚度達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增大冷鐵厚度，凝固時(shí)間減小的趨勢(shì)變小，這符合凝固理論的基本原理.從所得到的結(jié)果可以看出，對(duì)于直徑較大的試樣，增加冷鐵厚度，可以極大地改善其凝固條件，其中對(duì)于模數(shù)小于20 mm的鑄件，冷鐵厚度在30 mm左右即可.

[1] 楊弋濤，陳 萌，邵光杰.鑄造模擬在大型復(fù)雜鑄鐵件上的實(shí)用研究.鑄造，2005,54(1):265-267

[2]宋賢發(fā).利用鑄造CAE技術(shù)優(yōu)化鑄造工藝.現(xiàn)代鑄鐵,2002(1):42-43

[3]PATTNAIK S,KARUNAKAR D B,JHA P K.Developments in investment casting process-a review.Journal of Materials Processing Technology,2012,212(11):2332-2348

[4]米國(guó)發(fā),劉翔宇,王狂飛.鑄造充型過程數(shù)值模擬的研究進(jìn)展及應(yīng)用.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,26(3):334-338

[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，碩士，中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要從事模擬仿真在鑄造上的應(yīng)用研究.

1672-2027(2016)02-0060-04

TG249.2

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