铸造热分析
理论：什么决定凝固速度
概述
听说同一铝合金用砂型和金属型强度不同，从热的角度看有什么区别？
决定凝固速度的“最慢热通道”不同。砂型中砂的导热系数低，型吸热慢，它决定了凝固时间。金属型导热系数高，但铸件与型交界处有薄间隙或涂料，热量穿过那里的速度（界面换热系数）成为控制因素。控制环节不同，凝固时间的长短以及随尺寸变化的规律都会改变。而凝固越快组织越细、强度越高。我们用20 mm铝板比较。
凝固时间的两种极限
左式为由型吸热速度决定的情况（砂型，由型材物性求得的Chvorinov公式），右式为由界面换热决定的情况（金属型）。前者与模数V/A的平方成正比，后者与一次方成正比。
组织细化与适用条件
二次枝晶臂间距λ₂约与凝固时间的1/3次方成正比。金属型公式适用于铸件内温差小（毕渥数小）的情况。
压铸的发展
把熔融金属加压压入金属型的压铸，始于19世纪为大量制造印刷铅字。20世纪扩展到铝、锌汽车零件，如今发动机缸体乃至电动汽车的大型车身部件都一体铸造。金属型中凝固只需几秒到几十秒，型冷却或界面状态的微小差异会对缩孔和组织产生很大影响。凝固分析已成为设计型冷却管路和浇口的必备工具。
算例：20 mm厚铝板
两面冷却的板（模数10 mm），铝密度2,700 kg/m³、潜热397 kJ/kg、熔点660℃（无过热）。砂型为硅砂（0.6 W/mK，1,500 kg/m³，1,100 J/kgK），初始25℃；金属型预热到300℃。
| 铸型 | 凝固时间 | 组织细度（砂型为1） |
|---|---|---|
| 砂型 | 226 秒 | 1.00 |
| 金属型 h = 500 W/m²K | 60 秒 | 0.64 |
| 金属型 h = 1,500 W/m²K | 20 秒 | 0.44 |
| 金属型 h = 4,000 W/m²K | 7 秒 | 0.32 |
金属型时铸件毕渥数为0.03～0.20，可认为板内温差小。
板厚的影响（金属型 h = 1,500 W/m²K）
| 板厚 | 砂型 | 金属型 |
|---|---|---|
| 5 mm | 14 秒 | 5 秒 |
| 10 mm | 57 秒 | 10 秒 |
| 20 mm | 226 秒 | 20 秒 |
| 40 mm | 904 秒 | 40 秒 |
即使是金属型，界面换热系数取500还是4,000，凝固时间也相差8倍以上。
金属型中热通道的大部分热阻集中在交界处。铸件凝固收缩后与型分离产生间隙，换热系数在凝固途中可能降到几分之一，涂料厚度和压射压力也会改变它。所以金属型凝固分析通常要结合实测温度来确定这个值。而砂型本身吸热慢，界面状态几乎没有影响。另一个区别是对尺寸的依赖：板厚加倍时砂型凝固时间变为4倍，金属型只变为2倍。厚薄部位混合的铸件中，这一差别会改变凝固顺序和缩孔位置。
分析要点
- 首先判断铸型材料，以及控制因素是型还是界面。
- 金属型要用温度测量校准界面换热系数（考虑凝固中的变化）。
- 潜热按固相率与温度关系（凝固曲线）给定。
- 金属型反复铸造会升温，要计算几个循环到稳定状态再评估。
- 由凝固时间分布预测易出缩孔和组织粗大的部位。
“同一副模具只在早上出不良”
某压铸厂只在早上开工后不久生产的产品缩孔不良多。模具还没充分升温，模温低时铸件薄壁部分先急速凝固，切断了向厚壁部分的补缩。开工时先打几模废品给模具升温，监控模温到一定以上再生产后，不良减少了。金属型凝固分析需要连模具温度历程一起考虑。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 金属型用Chvorinov公式 | 时间大错 | 用界面控制公式 |
| 界面换热系数设为常数 | 凝固顺序算错 | 用实测校准 |
| 忽略模具预热 | 漏掉开工初期不良 | 考虑模温历程 |
| 潜热在单一温度释放 | 合金时误差 | 用凝固曲线 |
| 砂物性设为常数 | 时间误差 | 考虑温度依赖 |
我想了解相关内容。
可以用Chvorinov凝固时间工具和冒口设计工具试算。相关页面参考铸造凝固、糊状区和斯特藩问题。