缩孔的推断方法

缩孔的推断方法

要正确预测缩孔产生的位置,形状,大小,就必须精确地考虑凝固数学模型和缩孔产生的机理。但是,真正要做到精确这一步现在的科学技术还无法达到。研究工作者尝试了多种的方法努力向精确的预测靠近,在此简要归纳如下。

1．等温曲线法

该法是求解缩孔产生的充分条件,分成固相线温度法和临界固相率法,两者都是应用于非稳态传热问题的凝固解析,求出固相率随时间的变化, 产生封闭环时,该封闭环内即产生缩孔(如图2.2所示)。

图2.2 由临界固相率法推定缩孔

假设20s和40s的等固相率曲线之间的区域在这个时间内达到临界固相率f SC,80s 时出现的封闭环已经孤立,与冒口之间的联系被切断,得不到金属液的补缩,从而产生了缩孔。如图2.3所示有一个不锈钢铸件预测结果和实验结果的比较,考虑临界固相率为0.7时,比较结果有较好的吻合。

图2.3 计算预测和实验的比较

2．温度梯度法

这是从凝固末期的温度梯度来推断缩孔的方法。其思路是某一要素的温度达到固相线温度T s时,求出与该要素接触的其他要素之间的温度梯度的最大值G,即G=max{(T j-T s)／Δl} (T j为未凝固要素的温度, Δl为要素间的距离)。该温度梯度低于某一临界值以下就产生缩孔。

该法通过温度分布在预测缩孔的同时间接地考虑了流动阻力。凝固末期的温度梯度小意味着温度均一,为此固相率大的区域流动阻力亦大,易产生缩孔。

3．流动传导法

这是对温度梯度法进行改进,直接考虑了流动阻力。某一要素i的固相率达到临界固相率时,找出周围临界固相率以下的要素j,最大的流动传导可以用下式求出。K d=max{K／(μf1Δl)}

μ是液相的粘度,

f1 ------是i,j两要素间的平均液相率

K-------是i,j两要素间的平均透过率。

该值越小补缩越难。

4．固相率梯度法

比如共晶合金在一定的温度下凝固,无法求解温度梯度,此时可用固相率梯度法。

三．铝合金砂型铸件的凝固解析例

考虑Al-Si-Mg合金砂型铸造的两种工艺方案,如图2.4所示。

图2.4 Al-Si-Mg合金砂型铸造的工艺方案

方案1是铸件上部放置冷铁, 方案2的在上方设了冒口。凝固解析的结果如图2.5所示。

图2.5 凝固进行图(该Al-Si-Mg合金的共晶凝固开始点的固相率0.27)

对方案1来说,浇注开始200秒生成固相率27%的封闭环,这意味着该部分被预测为缩孔产生的区域。而方案2在铸件内部不出现封闭环,预测将不形成缩孔。方案1实际浇注的结果如图2.6所示。

图2.6 方案1的实际浇注结果(产生缩孔)

如图所示位置出现缩孔缺陷和计算结果基本接近,方案2和预测的一样未出现缩孔。

四．低压铸造镁合金铸件的凝固解析例

铸造镁合金由于凝固温度范围宽,很容易产生缩孔缺陷。图2.7是铸件通过X射线检查的结果,斜线部分是表明发现缩孔的位置。对这两种方案进行凝固模拟,得到图2.8所示的固相率梯度分布图。固相率梯度是指固相率达到可流动的临界值(此处为67%)时不同位置固相率的梯度。

图2.7 低压铸造镁合金铸件的铸造缺陷

图2.8 固相率梯度分布图

固相率梯度越小固液共存区域变宽,补缩变得困难,如图固相率梯度0.03(1/cm)以下的区域(斜线表示)和实际结果几乎一致。但是,在上方薄壁处亦出现固相率梯度小的区域,而实际上并未检测出缩孔。

五．压力铸造的凝固解析例

(1)缩孔对策例

现行产品和对策后产品的外观以及凝固时间分布分别如图2.9和2.10所示。由此可见,现行产品中壁厚处的封闭环很明显,而采取对策后的封闭环几乎消失。断面扫描结果和等凝固时

间线的比较如图2.11所示。现行方案厚壁处的集中缩孔被改善以后,呈明显减少分散的趋势。这与模拟结果非常一致。

图2.9 产品的外形

(a)现行产品(b)对策后的产品

图2.10 凝固模拟结果

图2.11 断面扫描结果和等凝固时间线的比较

(2)求解温度分布的解析例

通过传热凝固解析可以知道铸件和铸型的温度分布。如图2.12(a)表示脱模时铸件表面温度的分布状况,图2.12(b)表示金属型的温度模式。通过颜色可以区分温度的高低。

图2.12 铸件和铸型的温度分布

由此可以预测容易产生表面粘模的地方,以便事先采取防范措施。如图2.13也是铸件表面的温度分布的解析结果。为防止粘模通过设置冷却管取得了良好的效果。

(a)表面温度分布(b)设置冷却管

图2.13 铸件的冷却方案

(3)冷却方案的改进例

图2.14所示的汽缸件在试制阶段出现了泄漏,要解决这样的问题,一般的思路是改变零件的部分形状,改进冷却方案。但考虑到和其他零件的配合以及对发动机性能的影响,真正要改变形状不是一件容易的事。在不改变零件的形状,只是在图2.14所示的圆圈处设置冷铁,来控制缩孔产生的位置,以减少泄漏,这样做的效果如何事先通过凝固模拟进行确认。其结果如图2.15所示。

图2.14 汽缸件的冷却工艺方案

图2.15 凝固模拟的结果比较

从等凝固时间线可以看出, 图2.15(a)出现封闭环,该部位易产生缩孔,对实际泄漏件进行探伤检查,恰好在同样部位发现的缺陷。经图2.15(b)所示改良后的结果表明封闭环发生移动,相对而言,安全性得到了提高。