冷卻結(jié)冰模式對(duì)體收縮行為的影響

冷卻結(jié)冰模式對(duì)體收縮行為的影響

在冷卻和硬化過(guò)程中，灰鐵和球形鐵磁體、液體收縮、硬化和膨脹由石墨分離引起。鑄件成形終了所表現(xiàn)出來(lái)的體積變化是收縮與膨脹相抵的凈結(jié)果。這里說(shuō)的相抵不是收縮量、膨脹量的代數(shù)相加,而是不同部分同時(shí)產(chǎn)生的收縮與膨脹才能相抵,不同的相抵情況,會(huì)產(chǎn)生不同的補(bǔ)縮量、不同的鑄件缺陷和不同的鑄件質(zhì)量偏差。水從高溫(100℃)冷卻(至4℃)要收縮,結(jié)冰(-0℃)要膨脹,和鑄鐵件有相似之處。本文以水冷卻、結(jié)冰的不同模式,所產(chǎn)生的不同結(jié)果,去理解鑄鐵件的外部補(bǔ)縮和自補(bǔ)縮,啟發(fā)我們?nèi)?chuàng)造新的工藝技術(shù)和控制手段。1水冷卻水體積所產(chǎn)生的分離度水的密度、比容和溫度的關(guān)系如表1、圖1所示。以一杯溫度100℃,體積100cm3,質(zhì)量95.8g的水冷卻,結(jié)冰為例,理論上初始體積100cm3,結(jié)冰后體積為95.8g×1.09cm3/g=104.4cm3,冰的體積大于水的體積,結(jié)冰時(shí)存在液面不降低的可能。問(wèn)題是;從水的一點(diǎn)看,溫度100℃的水要結(jié)冰必須經(jīng)過(guò)4℃,體積收縮在前,4℃的水結(jié)冰膨脹在后,所以液面降低是不可避免的。但如果從一杯水的整體分析,若有一部分100℃的水冷卻到4℃產(chǎn)生收縮的同時(shí),還有一部分已經(jīng)冷卻為4℃的水繼續(xù)冷卻到-0℃結(jié)冰產(chǎn)生膨脹,這2部分的收縮和膨脹發(fā)生在同一時(shí)刻,如果控制這2部分的量使同一時(shí)刻的收縮和膨脹體積相等,則這一杯水的整體在發(fā)生冷卻、結(jié)冰的過(guò)程中就可以使液面不降低的進(jìn)行。這涉及到水的冷卻、結(jié)冰的模式。2冷藏、冷藏、冷藏2.1快速補(bǔ)縮模式以溫度100℃,體積100cm3,質(zhì)量95.8g的水為例,分為不補(bǔ)縮和補(bǔ)縮2種情況進(jìn)行討論,見(jiàn)表2。圖2是一杯水的整體同時(shí)冷卻、同時(shí)結(jié)冰模式的體積變化示意圖?？梢钥闯?(1)不補(bǔ)縮模式,雖然結(jié)冰后體積大于原始(100℃)的體積,但上表面存在不能恢復(fù)原始形狀的可能。(2)補(bǔ)縮模式,補(bǔ)入4.2g,質(zhì)量從初始95.8g變成100g,增加4.4%,體積從初始100cm3變成109cm3,增加9%。(3)補(bǔ)入的4.2g只是中間維持液面不降低的需要,結(jié)冰時(shí)全要被膨脹出來(lái),并增重和變形,這4.2g被稱為工藝過(guò)補(bǔ)縮量。2.2部分冷卻、部分冷卻和部分保溫的同時(shí)進(jìn)行模式2.2.1補(bǔ)加后分液結(jié)晶探討以少的補(bǔ)縮量,實(shí)現(xiàn)液面不降低的結(jié)冰。仍以溫度100℃,體積100cm3,質(zhì)量95.8g的一杯水為例,按體積1∶2∶4分成3部分:第1部分14cm3,13.4g;第2部分29cm3,27.8g;第3部分57cm3,54.6g。控制冷卻結(jié)冰過(guò)程如下:(1)第1部分14cm3,13.4g先從100℃冷卻到4℃,第2部分、第3部分保溫在100℃,為保持液面不降低只補(bǔ)充第1部分14cm3從100℃冷卻到4℃的收縮0.6cm3,4℃的水0.6g(補(bǔ)加后第1部分變?yōu)?4cm3,14g,4℃),體積補(bǔ)縮量近似為0.6%。(2)補(bǔ)加后第1部分14cm3,14g,從4℃冷卻結(jié)冰,第2部分從100℃冷卻到4℃、第3部分保溫在100℃。第1部分結(jié)冰膨脹1.26cm3,第2部分從100℃冷卻到4℃收縮1.2cm3,這樣脹縮相抵,可以保持液面不下降。(3)第2部分從4℃冷卻結(jié)冰膨脹2.5cm3,第3部分從100℃冷卻到4℃收縮2.4cm3,這樣脹縮相抵,可以保持液面不下降。(4)第3部分結(jié)冰時(shí)只有膨脹,液面不會(huì)下降了。例1分析說(shuō)明:水的結(jié)冰是逐漸進(jìn)行的,一部分保溫,一部分冷卻,一部分結(jié)冰是自然規(guī)律,,當(dāng)結(jié)冰部分的膨脹可以抵償冷卻部分的收縮時(shí),液面不會(huì)降低,這樣,持續(xù)進(jìn)行直至全部結(jié)冰。只補(bǔ)縮開(kāi)始結(jié)冰部分冷卻的收縮就可以了。本例補(bǔ)縮量為0.6%,增重0.6g,和同時(shí)冷卻、同時(shí)結(jié)冰補(bǔ)縮模式相比補(bǔ)縮量與增重大大減少。2.2.1水的補(bǔ)縮與冷卻還是以溫度100℃,體積100cm3,質(zhì)量95.8g的一杯水為例,冷卻與結(jié)冰總是從微小體積開(kāi)始。計(jì)算表明:1個(gè)體積4℃水的結(jié)冰膨脹可以抵償2個(gè)體積100℃水冷卻到4℃的收縮。設(shè)想把一杯水分成100份,第1份水體積1cm3,質(zhì)量0.958g,從100℃冷卻到4℃收縮0.042cm3,折合4℃水0.042g,其他99份水保溫在100℃,則只需要補(bǔ)縮4℃水0.042g,占原質(zhì)量95.8g的0.04%,液面就不會(huì)降低。之后,第1份水從4℃冷卻結(jié)冰的膨脹去抵償?shù)?份、第3份從100℃冷卻到4℃的收縮,其余97份保溫,液面不會(huì)降低;再后,第2份、第3份從4℃冷卻結(jié)冰的膨脹去抵償?shù)?份、第5份、第6份、第7份從100℃冷卻到4℃的收縮,其余93份保溫,液面不會(huì)降低;以此類推,直至一杯水全部結(jié)冰,液面都不會(huì)降低。這樣,總補(bǔ)縮只有0.04%,結(jié)冰后的增重與變形也小。我們?nèi)绻梢栽跍囟?00℃,體積100cm3,質(zhì)量95.8g的一杯水的外部加設(shè)可調(diào)節(jié)的冷卻與保溫裝置,控制從100℃冷卻到4℃收縮量與從4℃冷卻結(jié)冰的膨脹量按比例(1∶1)的進(jìn)行,就可以稱為均衡凝固模式?？刂瞥跏紡?00℃冷卻到4℃的水的體積趨近于0,則補(bǔ)縮這初始部份從100℃冷卻到4℃的收縮量也趨近于0,實(shí)現(xiàn)最小補(bǔ)縮量,結(jié)冰后的增重與變形也達(dá)到最小,趨近于0但不是0。理論上初始的趨近于0的冷卻收縮還是要補(bǔ)的。上述的討論即考慮了時(shí)間,又考慮了收縮量與膨脹量的數(shù)量,比單純的時(shí)間概念更有啟發(fā)。3澆注、冷卻、水補(bǔ)縮、冷鐵與保溫層由水模擬實(shí)驗(yàn)可知,要使一部分水從4℃冷卻結(jié)冰的膨脹量與另一部分水從100℃冷卻到4℃收縮量完全相抵,即實(shí)現(xiàn)收縮與膨脹按比例進(jìn)行,可以通過(guò)控制與調(diào)節(jié)保溫部分、冷卻部分、凝固部分的比例來(lái)現(xiàn)實(shí)。必須指出的是,要使膨脹與收縮相抵按比例進(jìn)行,容器必須要具備一定的剛度抵抗結(jié)冰時(shí)的膨脹,以避免膨脹消耗在型壁移動(dòng)上。對(duì)于鑄鐵件的補(bǔ)縮,在鑄型具有一定剛度的前提下,可以通過(guò)工藝方案的選擇,澆注系統(tǒng)與冒口系統(tǒng)的開(kāi)設(shè),冷鐵與保溫層的應(yīng)用,控制與調(diào)節(jié)鑄件保溫部分、冷卻部分、凝固部分的比例,充分利用澆注過(guò)程的補(bǔ)縮及澆注后澆注系統(tǒng)的后補(bǔ)縮抵償初始冷卻收縮,實(shí)現(xiàn)用最小的補(bǔ)縮量而獲得致密、無(wú)縮孔、無(wú)縮松,增重少與變形小的鑄件是可能的。水在冷卻過(guò)程中,只有當(dāng)溫度降至-0℃時(shí)才開(kāi)始結(jié)冰,水在-0℃以上溫度不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,也就是說(shuō)水在冷卻過(guò)程中不存在初生結(jié)冰,任一部分結(jié)冰的膨脹量是在固定的溫度下(-0℃以下)產(chǎn)生的。對(duì)于鑄鐵件不同的是存在初生石墨或遺留石墨(生鐵、增碳劑中未完全擴(kuò)散的石墨)問(wèn)題,這就需要通過(guò)合理設(shè)計(jì)碳當(dāng)量、良好的孕育處理、合理選用原材料(生鐵、增碳劑等)及制定合理的熔煉工藝,以提高鑄鐵件的冶金質(zhì)量,降低白口傾向,提高石墨化膨脹。4冷鐵件、保溫層(1)要使一杯水在冷卻結(jié)冰過(guò)程中液面不降低的結(jié)冰,可以通過(guò)控制與調(diào)節(jié)同一時(shí)刻保溫部分、冷