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　　在金屬液全部澆入型腔后至金屬液凝固的這段時(shí)間里，型腔內金屬液(包括鑄件和澆冒系統)以溫度為表癥的比內能(單位質(zhì)點(diǎn)含有的能量J/kg)分布即為熱場(chǎng)。

　　在傳統的鑄造工藝理論中，將鑄件幾何結構中材料富集部位，也就是幾何斷面較大的部位確定為熱節，并將熱節納入工藝控制重點(diǎn)。這些都是建立在金屬液澆注完這一時(shí)刻，型腔內金屬液溫度都一樣的基礎上的，然后根據均勻散熱的條件，單位比表面積最小的部位即比內能下降最慢的部位，就是最后凝固部位，也即是一般熱節所在部位。但是利用鑄件熱節分布來(lái)安排鑄造工藝，在生產(chǎn)實(shí)踐中往往會(huì )出現工藝缺陷，也就是說(shuō)，鑄件局部過(guò)熱和過(guò)熱引起的缺陷不一定出現在幾何熱節處。為此引入熱場(chǎng)概念。通過(guò)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致溫度分布變化的研究，確定熱場(chǎng)的分布，用比內能的概念取代熱節，從而決定鑄造工藝的布置，以彌補單純依靠熱節來(lái)安排鑄造工藝的不足。

　　一、熱場(chǎng)的分類(lèi)根據鑄造工藝的不同，所形成熱場(chǎng)對鑄件順序凝固是否有利，熱場(chǎng)可分為良性熱場(chǎng)和不良熱場(chǎng)兩種。

　　以最簡(jiǎn)單的平板鑄件為例，說(shuō)明鑄造工藝布置對熱場(chǎng)和鑄件缺陷的影響。圖1為不良熱場(chǎng)，圖2為良性熱場(chǎng)。圖1中的鑄造工藝布置按幾何熱節法找不出任何不妥當的地方，但是按此工藝生產(chǎn)的鑄件會(huì )在A(yíng)處的位置出現縮松缺陷。這是由于圖1中金屬液的溫度分布是按圖中順序數的增大而遞減的。導致這一現象的產(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(dòng)，在未澆注完畢時(shí)就已開(kāi)始冷卻結晶，而中間區域是充型通道，溫度始終接近于澆注溫度，這個(gè)區域附近的型砂溫度也比較高，至使在補縮通道中不能形成溫度遞減的順序凝固現象，而補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(shí)，由于溫度分布的不均勻使鑄件備部位的比內能不均勻，所以在均勻的質(zhì)量場(chǎng)中形成了不均勻的熱場(chǎng)，即不良熱場(chǎng)，對鑄件的順序凝固不利，易產(chǎn)生鑄造缺陷。不良熱場(chǎng)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，這種現象就越嚴重，反之就越輕微，可以說(shuō)鑄鋼對這種現象遠比鑄鋁敏感;②金屬液的澆注溫度與凝固溫度相差越大，這種現象越嚴重，因此降低澆注溫度可以減輕鑄造缺陷;⑧澆注速度越慢，這種現象越嚴重;④在具備產(chǎn)生這種現象的條件下，增加冒口體積，這種現象更嚴重;⑤鑄型吸熱或傳熱傾向越大，這種現象越嚴重;⑥合金凝固區間越小，這種現象越嚴重。改變上述影響因素，可以減輕或消除不良熱場(chǎng)，改變鑄件凝固過(guò)程，減少或消除鑄造缺陷。

　　(a)鑄造工藝及缺陷(b)凝固過(guò)程(不良熱場(chǎng))

　　如果改變工藝方案，將原澆注方向倒過(guò)來(lái)，變冒口為澆口，原澆口為排氣、渣通道，則熱場(chǎng)發(fā)生變化，凝固過(guò)程變?yōu)轫樞蚰?。雖然該熱場(chǎng)也是不均勻的，但有利于順序凝固的進(jìn)行，故稱(chēng)之為良性熱場(chǎng)。其工藝及凝固過(guò)程如圖2所示。一個(gè)鑄件的鑄造工藝一旦確定了良性熱場(chǎng)，對其它物理條件的依賴(lài)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(chǎng)的影響也可不作考慮，但它對其它缺陷的影響應予考慮;⑧澆注速度的控制范圍可擴大，冒口的體積可大幅度縮小;④與合金凝固溫度區間無(wú)關(guān)。良性熱場(chǎng)的建立是提高鑄件質(zhì)量的前提條件。

　　二、工藝熱元及熱場(chǎng)均勻度

　　在a中的A區，雖然不是材料富集區，即不是幾何熱節，但它是澆注充型通道，和幾何熱節一樣具有較高的比內能，只是它是由工藝布置引起的，故稱(chēng)之為工藝熱元。對于工藝熱元，必須和幾何熱節一樣，為其提供必要的補縮才能保證鑄件質(zhì)量。

　　在局部鑄件形成過(guò)程中，澆注時(shí)可以使其備部位溫度相同，澆注完畢時(shí)溫度場(chǎng)是均勻的，沒(méi)有特殊的幾何熱節;但是隨著(zhù)時(shí)間的推移，A處受三面加熱而沒(méi)有散熱方向，故而導致A處周?chē)牡?a href="http://www.baronheim.com" target="_blank">鑄件部分與其它散熱條件好的部分溫差逐漸加大，溫度場(chǎng)趨向不均勻化方向發(fā)展，熱區的金屬液隨著(zhù)凝固收縮向其它低溫區域轉移，最終形成縮松或縮孔。這種由于結構原因或其它原因導致熱場(chǎng)向不良方向發(fā)展的因素稱(chēng)為熱場(chǎng)不良元，幾何熱節也可以看成為一種熱場(chǎng)不良元。

　　無(wú)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形成了一個(gè)金屬液溫度場(chǎng)，這個(gè)溫度場(chǎng)與鑄件的質(zhì)點(diǎn)形成了原始熱場(chǎng)。隨著(zhù)時(shí)間的推移，鑄件通過(guò)鑄型不斷地散熱而降溫，這個(gè)原始熱場(chǎng)的總體能量有一個(gè)逐漸降低的過(guò)程。由于鑄件各質(zhì)點(diǎn)的原始內能和散熱條件不同，整個(gè)系統內的熱場(chǎng)自始至終處于一個(gè)變化的過(guò)程之中。而熱場(chǎng)發(fā)展變化的方向將決定鑄件凝固的結局。但是熱場(chǎng)的均勻化程度并非越高越好，均勻化的結局是同時(shí)凝固，使冒口形同虛設，而將縮松留在鑄件壁中心，不利于獲得致密健全鑄件。一個(gè)順序凝固的熱場(chǎng)必定是一個(gè)朝向冒口的均勻度不高的系統，只有這樣才能將比內能最高的質(zhì)點(diǎn)留在冒口內，充分發(fā)揮冒口的補縮作用。鑄件越復雜、壁厚差越大，澆注溫度越低、澆注系統截面積越小，澆注時(shí)間越長(cháng)，內澆口越少、越集中，熱場(chǎng)的均勻度就越低。熱場(chǎng)均勻度越低，鑄件越易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，或由于凝固時(shí)間差大而產(chǎn)生收縮應力，使鑄件產(chǎn)生變形、熱裂。同時(shí)，局部過(guò)熱會(huì )在某些合金的鑄造中引起過(guò)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(chǎng)分析在工藝設計中的應用

　　1.工藝設計鑄造工藝設計的任務(wù)就是利用各種工藝手段調節鑄造工藝參數，在特定的散熱條件下，使設定的原始熱場(chǎng)按照工藝技術(shù)要求向鑄件凝固終點(diǎn)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(chǎng)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(shí)凝固也能滿(mǎn)足技術(shù)要求;⑧設計一個(gè)原始熱場(chǎng)，并據此設計澆注系統及工藝，以控制工藝熱元、幾何熱節和熱場(chǎng)不良元，使澆注后鑄型和鑄件具有合理的熱場(chǎng)均勻度，建立良性熱場(chǎng)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構和鑄造工藝見(jiàn)圖4.由圖4可以看出，該件壁厚嚴重不均，軸孔和A處為熱場(chǎng)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(shí)凝固;在軸孔處安放冷鐵，以改善不良元的冷卻條件;在A(yíng)處增設補縮筋。采取以上措施后，用工藝澆注的鑄件，在軸孔上部和上蓋板處均有較嚴重的縮松缺陷。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(guò)此二處才完成充型的，實(shí)際上形成了工藝熱元，與冒口形成了相反的溫度梯度，從而導致了倒縮。據此修改了工藝方案，①縮小冒口體積，并降低中冒口高度;②改變澆注系統，在鑄件充型完畢后，冒口部分的充型由另一澆道來(lái)實(shí)現，不再經(jīng)過(guò)鑄件，使鑄型——鑄件系統形成良性熱場(chǎng)。

　　(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(jiǎn)圖。由于該件為受高壓部件，所以在鑄造工藝安排上刻意營(yíng)造一個(gè)順序凝固的熱場(chǎng)，卻造成熱場(chǎng)的嚴重不均勻，在鑄件已經(jīng)收縮時(shí)，冒口附近的鑄件還未能完全實(shí)現凝固，形成嚴重熱裂。經(jīng)過(guò)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(chǎng)仍沒(méi)有改變。冒口下部鋼水流經(jīng)處是一工藝熱元，它仍然可以起到補貼作用，能夠保證鑄件的補縮。

　　1.橫澆道2.暗冒口(3)泵腳板鑄造工藝用熱節圓法找不出其發(fā)生缺陷的原因，但通過(guò)熱場(chǎng)分析發(fā)現它是一個(gè)熱場(chǎng)不良元。經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)后，改變熱場(chǎng)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(guò)熱場(chǎng)分析可以更合理地利用各種工藝手段來(lái)設計鑄造工藝，以獲得健全鑄件。但是到目前為止、熱場(chǎng)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(lài)于工藝人員的流體力學(xué)知識和豐富的鑄造經(jīng)驗，尚無(wú)法進(jìn)行定量分析和實(shí)現電腦CAD。