冷却结冰模式对体收缩行为的影响

冷却结冰模式对体收缩行为的影响

在冷却和硬化过程中，灰铁和球形铁磁体、液体收缩、硬化和膨胀由石墨分离引起。铸件成形终了所表现出来的体积变化是收缩与膨胀相抵的净结果。这里说的相抵不是收缩量、膨胀量的代数相加,而是不同部分同时产生的收缩与膨胀才能相抵,不同的相抵情况,会产生不同的补缩量、不同的铸件缺陷和不同的铸件质量偏差。水从高温(100℃)冷却(至4℃)要收缩,结冰(-0℃)要膨胀,和铸铁件有相似之处。本文以水冷却、结冰的不同模式,所产生的不同结果,去理解铸铁件的外部补缩和自补缩,启发我们去创造新的工艺技术和控制手段。1水冷却水体积所产生的分离度水的密度、比容和温度的关系如表1、图1所示。以一杯温度100℃,体积100cm3,质量95.8g的水冷却,结冰为例,理论上初始体积100cm3,结冰后体积为95.8g×1.09cm3/g=104.4cm3,冰的体积大于水的体积,结冰时存在液面不降低的可能。问题是;从水的一点看,温度100℃的水要结冰必须经过4℃,体积收缩在前,4℃的水结冰膨胀在后,所以液面降低是不可避免的。但如果从一杯水的整体分析,若有一部分100℃的水冷却到4℃产生收缩的同时,还有一部分已经冷却为4℃的水继续冷却到-0℃结冰产生膨胀,这2部分的收缩和膨胀发生在同一时刻,如果控制这2部分的量使同一时刻的收缩和膨胀体积相等,则这一杯水的整体在发生冷却、结冰的过程中就可以使液面不降低的进行。这涉及到水的冷却、结冰的模式。2冷藏、冷藏、冷藏2.1快速补缩模式以温度100℃,体积100cm3,质量95.8g的水为例,分为不补缩和补缩2种情况进行讨论,见表2。图2是一杯水的整体同时冷却、同时结冰模式的体积变化示意图。可以看出:(1)不补缩模式,虽然结冰后体积大于原始(100℃)的体积,但上表面存在不能恢复原始形状的可能。(2)补缩模式,补入4.2g,质量从初始95.8g变成100g,增加4.4%,体积从初始100cm3变成109cm3,增加9%。(3)补入的4.2g只是中间维持液面不降低的需要,结冰时全要被膨胀出来,并增重和变形,这4.2g被称为工艺过补缩量。2.2部分冷却、部分冷却和部分保温的同时进行模式2.2.1补加后分液结晶探讨以少的补缩量,实现液面不降低的结冰。仍以温度100℃,体积100cm3,质量95.8g的一杯水为例,按体积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。控制冷却结冰过程如下:(1)第1部分14cm3,13.4g先从100℃冷却到4℃,第2部分、第3部分保温在100℃,为保持液面不降低只补充第1部分14cm3从100℃冷却到4℃的收缩0.6cm3,4℃的水0.6g(补加后第1部分变为14cm3,14g,4℃),体积补缩量近似为0.6%。(2)补加后第1部分14cm3,14g,从4℃冷却结冰,第2部分从100℃冷却到4℃、第3部分保温在100℃。第1部分结冰膨胀1.26cm3,第2部分从100℃冷却到4℃收缩1.2cm3,这样胀缩相抵,可以保持液面不下降。(3)第2部分从4℃冷却结冰膨胀2.5cm3,第3部分从100℃冷却到4℃收缩2.4cm3,这样胀缩相抵,可以保持液面不下降。(4)第3部分结冰时只有膨胀,液面不会下降了。例1分析说明:水的结冰是逐渐进行的,一部分保温,一部分冷却,一部分结冰是自然规律,,当结冰部分的膨胀可以抵偿冷却部分的收缩时,液面不会降低,这样,持续进行直至全部结冰。只补缩开始结冰部分冷却的收缩就可以了。本例补缩量为0.6%,增重0.6g,和同时冷却、同时结冰补缩模式相比补缩量与增重大大减少。2.2.1水的补缩与冷却还是以温度100℃,体积100cm3,质量95.8g的一杯水为例,冷却与结冰总是从微小体积开始。计算表明:1个体积4℃水的结冰膨胀可以抵偿2个体积100℃水冷却到4℃的收缩。设想把一杯水分成100份,第1份水体积1cm3,质量0.958g,从100℃冷却到4℃收缩0.042cm3,折合4℃水0.042g,其他99份水保温在100℃,则只需要补缩4℃水0.042g,占原质量95.8g的0.04%,液面就不会降低。之后,第1份水从4℃冷却结冰的膨胀去抵偿第2份、第3份从100℃冷却到4℃的收缩,其余97份保温,液面不会降低;再后,第2份、第3份从4℃冷却结冰的膨胀去抵偿第4份、第5份、第6份、第7份从100℃冷却到4℃的收缩,其余93份保温,液面不会降低;以此类推,直至一杯水全部结冰,液面都不会降低。这样,总补缩只有0.04%,结冰后的增重与变形也小。我们如果可以在温度100℃,体积100cm3,质量95.8g的一杯水的外部加设可调节的冷却与保温装置,控制从100℃冷却到4℃收缩量与从4℃冷却结冰的膨胀量按比例(1∶1)的进行,就可以称为均衡凝固模式。控制初始从100℃冷却到4℃的水的体积趋近于0,则补缩这初始部份从100℃冷却到4℃的收缩量也趋近于0,实现最小补缩量,结冰后的增重与变形也达到最小,趋近于0但不是0。理论上初始的趋近于0的冷却收缩还是要补的。上述的讨论即考虑了时间,又考虑了收缩量与膨胀量的数量,比单纯的时间概念更有启发。3浇注、冷却、水补缩、冷铁与保温层由水模拟实验可知,要使一部分水从4℃冷却结冰的膨胀量与另一部分水从100℃冷却到4℃收缩量完全相抵,即实现收缩与膨胀按比例进行,可以通过控制与调节保温部分、冷却部分、凝固部分的比例来现实。必须指出的是,要使膨胀与收缩相抵按比例进行,容器必须要具备一定的刚度抵抗结冰时的膨胀,以避免膨胀消耗在型壁移动上。对于铸铁件的补缩,在铸型具有一定刚度的前提下,可以通过工艺方案的选择,浇注系统与冒口系统的开设,冷铁与保温层的应用,控制与调节铸件保温部分、冷却部分、凝固部分的比例,充分利用浇注过程的补缩及浇注后浇注系统的后补缩抵偿初始冷却收缩,实现用最小的补缩量而获得致密、无缩孔、无缩松,增重少与变形小的铸件是可能的。水在冷却过程中,只有当温度降至-0℃时才开始结冰,水在-0℃以上温度不会出现结冰现象,也就是说水在冷却过程中不存在初生结冰,任一部分结冰的膨胀量是在固定的温度下(-0℃以下)产生的。对于铸铁件不同的是存在初生石墨或遗留石墨(生铁、增碳剂中未完全扩散的石墨)问题,这就需要通过合理设计碳当量、良好的孕育处理、合理选用原材料(生铁、增碳剂等)及制定合理的熔炼工艺,以提高铸铁件的冶金质量,降低白口倾向,提高石墨化膨胀。4冷铁件、保温层(1)要使一杯水在冷却结冰过程中液面不降低的结冰,可以通过控制与调节同一时刻保温部分、冷