铸件温度场影响因素分析

任一瞬间的温度场可以由不同温度的等温面表示。温度场中任意点的温度沿等温面法线n方向的增加率称为该点的温度梯度：

因为法线n是矢量，所以温度梯度也是矢量。对于一维不稳定温度场，其温度梯度为：

铸件断面上离表面距离为x处的温度梯度：

式中，铸件的初始温度T 10可用浇注温度T P代替。由式（7-5）可知，铸件的温度梯度与金属的热扩散率α1、浇注温度T P和铸件—铸型界面温度T i有关。

此外，根据铸型吸热与铸件放热的热平衡方程式可推导出凝固层ξ的增长率v（即铸件的凝固速度）：

T i——铸件—铸型界面温度；

T 20——铸型的初始温度；

T 1——金属的凝固温度。

因此可以判断，铸件的温度梯度还与金属的凝固潜热和凝固温度，铸型的蓄热系数和初始温度等有关。下面对一些主要影响因素进行讨论。

（一）金属性质的影响

1.热扩散率α1

热扩散率表明物质在被加热或冷却时，其内部各部分温度趋于一致的能力。因此，金属热扩散率大，铸件内部温度均匀化的能力便大，温度梯度便小，即断面上温度分布曲线比较平坦；反之，温度分布曲线比较陡峻。液态铝合金的热扩散率远比液态铁碳合金大，所以在相同的铸型条件下，铝合金铸件断面上的温度分布曲线就比铁的平坦得多，具有比较小的温度梯度。

2.凝固潜热L（熔化潜热、结晶潜热）

凝固潜热即结晶潜热。金属的凝固潜热大，铸型型腔表面被加热的温度便高，因而铸件的温度梯度减小，冷却速度放慢，温度场较平坦。

3.金属的凝固温度T 1

金属的凝固温度高，在凝固过程中铸件表面和型腔表面的温度也就高，导致铸型内外的温差增大，且铸型的热导率随温度升高而增大。结果，铸件温度分布曲线较陡。例如，轻合金铸件与钢铁等黑色金属铸件相比较，因其凝固温度较低，故温度分布曲线较平坦。

（二）铸型性质的影响

生产中会遇到四种铸型：①绝热铸型（砂型、石膏型、熔模壳型、陶瓷型等。以铸型热阻为主）；②铸件—铸型界面热阻为主的金属型（薄壁件、厚涂料）；③厚壁金属型；④水冷金属型。不同铸型热阻时凝固过程中某一瞬间的温度分布见图7-4。

1.铸型的蓄热系数b2

蓄热系数表示了物体向与其接触的高温物体的吸热能力。铸型蓄热系数越大，则对铸件的激冷能力越强，铸件温度分布曲线就越陡。

图7-5示出黄铜（w Zn=30%）在不同的铸型中冷却时测得的铸件和铸型断面上的温度场。(www.xing528.com)

图7-4　不同铸型热阻时凝固过程中某一瞬间的温度分布

（a）绝热铸型（铸型热阻为主）；（b）金属型（涂料热阻为主，薄壁件）；（c）薄涂料，厚壁金属型（凝固层和铸型热阻为主）；（d）水冷金属型（凝固层热阻为主）

在砂型铸造中，由于砂型的蓄热系数和热扩散率都很小，不能把热量从型腔表面迅速传至“后方”，使更厚的砂层参加蓄热，所以型腔表面温度在浇注后立即上升到很高温度，几乎接近铸件表面温度，并且在铸件凝固期间基本保持不变。当砂型厚度适当时，型壁外表面温度接近周围介质的温度，向周围介质散热作用可以忽略不计，铸件在砂型中的凝固主要是靠铸型本身的吸热能力。因此，砂型的激冷能力很小，铸件断面上的温度分布曲线在凝固期间始终都很平坦，温度梯度很小。

图7-5　黄铜（w　Zn=30%）在不同的铸型中冷却时，铸件和铸型断面上的温度场

（a）水冷铜型；（b）厚壁铸铁型；（c）薄壁铸铁型；（d）砂型；（e）铜型

对于一般铸件，如果砂型厚度超过铸件壁厚的一半，则铸型外表面的散热作用对铸件的凝固速度就没有多大影响。所以，用增加砂型厚度的方法来提高它的激冷能力意义不大。

铸件在湿砂型中凝固时，由于砂型里有水分，铸型内表层的热量不仅由于正常的导热和辐射，同时也由于蒸汽的移动而使热量转移。由于砂粒之间存在水分，使接触传热条件得到改善，提高了铸型的热导率和比热容。所以，与干砂型比较，湿砂型最初具有较显著的激冷效应；但是，这个激冷效应随着水分的损失而迅速消失，以后和干砂型的作用基本相同。因此，湿砂型能加速薄壁铸件或铸件中薄壁部位（在2～3min内凝固的部位）的凝固。用湿砂型代替干砂型，对于厚壁铸件的凝固速度几乎没有影响。

型芯的激冷能力比铸型差，这是因为型芯是被液态金属包围着，散热困难，而且一般说来，流过型芯表面的热是被逐渐升温的砂芯所吸收。型芯直径越小，激冷能力就越差，铸件断面上的温度分布曲线在靠近型芯的一侧就比较平坦。

2.铸型的预热温度

铸型预热温度越高，即铸型初始温度T 20越高，冷却作用就越小，铸件断面上的温度梯度也就越小。

（三）浇注条件的影响

液态金属的浇注温度一般在液相线温度以上数十度至一百多度，因此，金属由于过热所得到的热量比凝固潜热要小得多。以纯铝为例，过热50℃时，单位体积的过热热量仅为单位体积凝固潜热的13.7%，占总热量的12%。实际上，砂型铸造时需等到液态金属的所有过热热量全部散失后，铸件才进行凝固。所以增加过热程度，相当于提高了铸件凝固时铸型的温度，使铸件断面上的温度梯度减小。金属型铸造时，由于铸型有较大的导热能力，而过热热量所占比重又很少，能够迅速传导出去，所以浇注温度的影响不十分明显。

（四）铸件结构的影响

1.铸件的壁厚

在表面积相同的条件下，厚壁铸件比薄壁铸件含有更多的热量，当凝固层逐渐向中心推进时，必然要把铸型加热到更高的温度。铸件越厚，则铸件断面温度梯度越小。

2.铸件的形状

铸件的棱角和曲面处的散热条件不同于平面，在铸件表面积相同的条件下，凸面（如球面和圆柱表面）和铸件的外角，对应着渐次放宽的铸型体积，散出的热量由较大体积的铸型所吸收，所以铸件凸面和外角处的冷却速度比平面快；反之，凹面（如圆筒形铸件内表面）和凹角则对应着渐次收缩的铸型体积，故该处的冷却速度比平面部分要小。

图7-6　铸件壁L形拐弯和T形交接处不同时刻的等固相线

（a）L形拐弯；（b）T形交接

图7-7　内直角和内圆角的凝固情况

图7-6示出铸件壁L形拐弯和T形交接处不同时刻的等固相线（所谓等固相线即温度为固相线温度或凝固温度的等温线）。可以看出，外角处的冷却速度约为平面处的3倍；而内角的冷却速度最慢，此处结壳最晚，强度最低。因此，当铸件线收缩受阻时，在内角处最易产生热裂。

把内角由直角改为圆角，由于避免了砂尖处热流严重交叉，因而内圆角处铸件的冷却速度快于内直角，如图7-7所示。生产上常采取适当加大内圆角半径的方法来防止热裂。如果铸件某部位必须作成内直角，则应采取措施加速此处的凝固（如放置外冷铁等）。