补缩问题是铸造工艺设计的核心问题之一 ,而正确判断和确定铸件在凝固过程中热节的位置、大小、形状和数量等 ,是解决补缩问题获得健全致密的高质量铸件的前题和关键。热节是铸件工艺设计中的基本概念 ,文献〔1〕对热节是如下定义的 ,“
热节 (ｈｏｔｓｐｏｔ)———在凝固过程中 ,铸件内比周围金属凝固缓慢的节点或局部区域。热节的形成和热节的变化都是热节所处的铸件—铸型系统内各因素作用的结果 ,整个系统随着时间的推移不断地进行着热量的传递过程 ,系统内的温度场在不断地变化 ,从而导致铸件中热节的位置在变化。热节的大小也不是恒定的 ,热节的形状及热节的数量都可能随着时间而改变 ,因此 ,热节是一个动态的概念。把热节的形成及热节的位置、大小、形状和数量随着凝固时间的推移而不断发生变化的性质称为热节的动态性。1 凝固数值模拟试验模型1 1 基本模型取两壁相交的“Ｔ”型试样作为试验模型 ,模型尺寸见图 1。图 1 “Ｔ”型试样模型Ｆｉｇ .1 “Ｔ”ｍｏｄｅｌ主壁为厚度 1 5 0ｍｍ的无限长杆 (左右两端绝热 ,其余四个方向上、下、前、后换热 ) ,辅壁厚度为5 0ｍｍ。利用计算机凝固数值模拟 ,研究“Ｔ”型试样在凝固过程中热节的位置、大小、形状和数量随凝固时间的变化规律。“Ｔ”型试样的坐标设置见图 2。1 2 试验条件试样材质为ＺＧ45 ,其液相线温度ＴＬ =1 5 1 0℃ ,固相线温度ＴＳ =1 430℃ ,凝固潜热Ｌ =2 6 0Ｊ/ｇ。铸型为水玻璃ＣＯ2 硬化石英砂型 ,浇注温度为1 5 40℃ ,铸型温度为 2 5℃ ,主要热物性值如表所示。表 热物性值Ｔａｂｌｅ ＴｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ项目 热导率ｋ/ (ｗ·ｍ-1Ｋ-1)密度 ρ/ (ｋｇ·ｍ-3 )比热容ｃ/ (Ｊ·ｇ-1·Ｋ-1)ＺＧ4 53 3 572 0 0 0 65水玻璃砂型 1 62 1 50 0 1 1 32 “Ｔ”型试样数值模拟结果“Ｔ”型试样模拟结果见图 3。在凝固初期至ｔ =1 5ｍｉｎ时 ,两壁几何相交区域形成明显的热节 ,辅壁两侧尖角砂附近砂尖过热作用也明显可见。至ｔ =2 5ｍｉｎ时辅壁已完全凝固 ,此时 ,辅壁对主壁的影响 ,由原来开始时的加热作用转变为冷却作用 ,热节的形状开始发生变化。随着凝固过程的进行 ,辅壁的冷却作用逐渐加强 ,逐步抵消凝固初期自身所造成的加热作用。凝固至ｔ =35ｍｉｎ ,由于辅壁的冷却作用 ,再加上辅壁下部两侧尖角砂的过热作用 ,在试样中辅壁下侧已经出现了两个局部高温区域 ,形成了两个热节。随着凝固过程的进行 ,两个热节中心之间的距离逐渐增大 ,并同时有向下移动的趋势。至ｔ =6 0ｍｉｎ时 ,上下凝固前沿已经相遇 ,将试样中的两个热节高温区用固相隔开。在凝固初期温度最高 ,形成热节的几何相交区域 ,反而在凝固后期先于两侧凝固 ,也就是说 ,两壁相交区域 ,由凝固初期的“热节”变成了凝固后期的“冷节”。所谓冷节 ,就是指在凝固过程中 ,铸型内局部金属的温度较周围温度低 ,成为凝固快的节点或区域。热节由原来的中心区域逐渐变化 ,分裂后转移到了辅壁两侧 ,形成了两个热节。之后 ,两个热节中心之间的水平距离还在逐渐远离 (见图 4ｈ ,ｔ =6 5ｍｉｎ时 ) ,直至凝固完毕。砂尖过热的影响 ,在凝固初期就明显可见 ,主壁上紧挨辅壁两侧尖角砂部位热量集中 ,温度很高 ,热节从变形到分裂 ,它都起着重要的作用。从凝固中期辅壁开始起冷却作用时直到凝固最后 ,砂尖过热的热量便不断被辅壁及砂型带走而逐渐减少 ,同时使得砂尖过热的影响区域受辅壁的冷却作用而逐渐向两侧远处推移。图 3 “Ｔ”型试样数值模拟结果Ｆｉｇ . 3 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆ“Ｔ”ｍｏｄｅｌ3 模拟结果的分析讨论3 1 辅壁的加热和冷却作用与凝固进程的关系由模拟的结果可见 ,“Ｔ”型试样辅壁对主壁的凝固作用 ,在凝固前期推迟凝固起加热作用则称为热筋 ,在凝固后期加速凝固起冷却作用称为冷筋 ,即辅壁在试样凝固过程中 ,存在一个热筋阶段和一个冷筋阶段 ,有一个从热筋到冷筋的转变过程。凝固结束后 ,辅壁的加热作用和冷却作用的叠加结果 ,是加热推迟凝固就为热筋 ,是冷却加速凝固就为冷筋 ,既不推迟凝固也不加速凝固叫中性筋。由此可见 ,冷筋、热筋、中性筋 ,不仅与辅壁和主壁的相对几何尺寸有关 ,同时还与凝固进程有关。3 2 热节动态性的讨论热节是一个动态的概念 ,这是指在铸件凝固过程中 ,其热节的大小、位置、形状和数量都是随时间变化的 ,具体反映在 :①铸件的某一部位由热节逐渐变成了非热节 ,或者是薄壁非热节处变成后来的热节 ;②铸件的热节并不是恒定在某一个特定的位置上及保持同样大的热节地位 ,而是在不断地变化和转移 ;③热节的数量在凝固过程中也会发生变化。在前面的模拟研究中 ,已经发现“Ｔ”型试样热节的位置、大小、形状和数量都随着凝固进程的变化而变化。“Ｔ”型试样热节中心位置坐标 (ｘ、ｙ)随着凝固时间ｔ的变化关系见图 4。可见 ,随着凝固时间的延续 ,试样热节中心位置发生明显变化 ,在凝固初期 (ｔ =1 5ｍｉｎ之前 )ｘ =0表示只有一个热节中心 ,即保持一个热节。随着凝固的进行 ,当ｘ >0时 ,表示热节中心开始分裂 ,形成在辅壁轴线 ( ｙ轴 )两侧对称的两个热节中心 ,ｘ随凝固时间的推移逐渐增长 ,表明两个热节中心之间的距离越来越远 ,同时有向下移动的趋势。在凝固过程中试样热节中心坐标 (ｘ、ｙ) ,是由辅壁在凝固前期的加热作用和在凝固后期的冷却作用以及辅壁两侧砂尖过热的热作用三者综合作用决定的。图 4 试样热节中心位置随凝固时间的变化关系Ｆｉｇ . 4 Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｃｅｎｔｒａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｈｏｔｓｐｏｔａｎｄ ｃｏｕｒｓｅｏｆｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ为进一步说明热节的动态性与凝固进程的变化关系,取一“士”型试样进行凝固模拟。“士”型试样主壁为横截面 1 5 0ｍｍ× 5 0 0ｍｍ的无限长杆 ,两个辅壁的厚度Ｗ横 =5 0ｍｍ ,Ｗ立 =40ｍｍ (如图 5 )。试样凝固过程模拟结果的温度显示见图 6。可见 ,热节的大小、形状、位置和数量随着凝固过程的进行都在发生明显的变化。图 5 “士”型试样模型尺寸(Ｉ Ｉ截面为模拟观察截面 )Ｆｉｇ. 5 “士”ｍｏｄｅｌ(Ｉ Ｉｓｅｃｔｉｏｎｉｓｓｈｏｗｉｎｇｓｅｃｔｉｏｎ)在凝固初期ｔ =1 0ｍｉｎ时 ,为一“ +”型热节 ,热节中心在试样几何中心 ,至ｔ =40ｍｉｎ时 ,热节变成“花瓣状” ,凝固至ｔ =6 0ｍｉｎ时 ,热节已经分裂为对称的四个热节。表现出其非常明显的动态性。图 6 “士”型试样凝固模拟结果Ｆｉｇ . 6 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆ“士”ｍｏｄｅｌ热节的动态性是动态顺序凝固理论的重要内容。引入热节的动态性 ,对于深刻地理解和把握热节概念以及有效地对热节进行补缩有着重要意义。3 3 永久热节、临时热节和最后热节从热节的动态性出发 ,引出永久热节、临时热节和最后热节的概念。①永久热节 :是指铸件在凝固过程中 ,某一区域的温度始终高于四周及其它部位的温度 ,这一区域就称为永久热节。例如 ,若铸件的几何热节真正是铸件最后凝固的位置 ,那么该几何热节就是永久热节 ;②临时热节 :铸件在凝固过程中 ,某一区域的温度 ,只是在某一段凝固时间内 ,高于四周的温度 ,称这一区域为这一时期的临时热节。例如 ,若铸件的几何热节在凝固过程中逐渐变成了非热节 ,那么该几何热节就是凝固早期的临时热节。如图 4,“Ｔ”型试样两壁几何相交区域在凝固初期形成明显的热节 ,但是随凝固过程的进行 ,在凝固后期 ,其变成了冷节 ,该区域的热节就是凝固初期的临时热节 ;③最后热节 :是铸件中最后凝固的部位。最后热节不一定在几何热节处 ,几何薄壁处也有可能成为最后热节。如图 3,最后热节在两壁相交几何热节的两侧 ,它是凝固末期的热节。从以上的讨论可见 ,在铸件凝固过程中 ,热节的位置、大小、形状和数量是随着凝固时间的变化而变化的 ,因此 ,研究和分析热节应从整个凝固过程来考虑 ,仅简单地说热节是铸件最后凝固的部位是不确切的 ,认识到热节的动态性 ,才能完整地、准确地把握热节。4 冒口与热节位置的关系4 1 冒口放在几何热节上如果铸件的几何热节就是永久热节 ,将冒口放在几何热节上 ,此种情况为冒口真正地放在了热节上。这有很多缺点 ,表面上看这种工艺能够强化顺序凝固 ,但这种过强的顺序凝固并不一定对补缩有利 ,这可从冒口安放所引起的接触热节和冒口补缩液流所引起的流通效应的作用来认识。加上冒口后 ,铸件和冒口接触处的散热面消失了 ,冒口中补缩液源源不断地经过热节向远处流动补缩 ,加上冒口根部周围砂尖过热作用 ,使本来凝固较迟的热节处凝固时间更长了 ,这就相应增加了对冒口补缩时间的要求 ,冒口体积随之增加 ,工艺出品率下降。因此 ,接触热节处的铸件质量也会受到影响 ,诸如晶粒粗大、热裂、偏析、热应力、气孔、缩松及缩孔等铸造缺陷均有可能发生。如果铸件的几何热节处不是永久热节 ,仅仅是凝固前期的临时热节 ,并非最后凝固 ,那么把冒口放在几何热节上 ,这种情况只是从表面上看是冒口放在了“热节”上 ,而实际上并没有真正地放在热节上 ,反而是冒口离开了真正的热节 ,这也是冒口离开热节的一种形式。在传统工艺中 ,为保证顺序凝固 ,将冒口不加思索地放在铸件的几何热节处 ,便属于此类情况 ,在本质上不自觉地使冒口离开了热节。4 2 冒口离开几何热节如果铸件的几何热节为永久热节 ,那么冒口离开几何
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