汉代铸钱过程的计算机模拟研究

汉代铸钱过程的计算机模拟研究

0平板金属范竖式浇铸工艺垂直拱门工艺和重叠工艺是汉代的两种工艺。根据考古发现，平板范立模法的铸造材料包括石范、陶瓷范和金属范。由于工艺特点，只有陶范才能铸造金钱。平板范竖式浇铸是西汉时期主要的铸钱方法,王莽晚期,叠铸法逐渐取代平板金属范竖式浇铸工艺,成为铸钱的主要方法;东汉时期,叠铸技术在铸钱领域广泛运用,平板范竖式浇铸工艺处于衰落期。由于钱币的铸造过程受铸型参数、浇注系统、浇注温度和浇注速度等因素的影响,铸件的优劣则与这些因素综合作用的结果密切相关,借助计算机数值模拟技术可以科学地研究其中一个工艺参数对钱币铸造过程的影响规律。为了比较不同材质的铸型——石范、陶范和金属范在平板范竖式浇铸工艺中对充型性能的影响,比较平板范竖式浇铸和叠铸两种工艺在相同材质的钱范(陶范)中不同的充型能力,本工作通过对平板范竖式浇铸工艺和叠铸工艺的钱币铸造过程进行的计算机流动模拟和凝固模拟研究,探讨不同材质铸型的平板范竖式浇铸和叠铸铸钱过程充型性能的变化。1铸造生产的科学型铸造过程的计算机模拟作为材料加工学科的前沿领域之一,经过数十年来的发展已逐渐进入工程实用化阶段,模拟可以详细地预测可能产生的缺陷以及大小、部位和时间,铸造生产正在从经验型走向科学型。随着计算机数值模拟技术的不断发展,经过国内外研究者几十年的努力,现已形成较成熟的商业软件,如德国的MAGMA,美国的PROCAST和EKK,日本的ADSTEFAN和JSCAST,本工作采用日本ADSTEFAN软件进行铸钱过程的模拟实验。1.1浇注系统的设置在进行计算机模拟试验前需要先建立三维CAD模型,需要钱币和浇注系统的尺寸。三维CAD模型中钱币的尺寸参照武帝三官五铢的尺寸确定,由于内外廓对充型过程的影响较小,但却极大地增加了建模的工作量,所以在三维CAD模型中省略了内外廓。三维CAD模型中采用的钱币尺寸为:直径2.6cm,厚0.1cm,内廓边长1×1cm。三维CAD模型中平板范竖式浇铸工艺浇注系统和钱币型腔分布的尺寸参照陕西澄城出土的金属范的尺寸和型腔设置,在直浇道两侧对称设置4排共42枚钱币型腔,通高41.5cm,宽13cm,外排钱币与内排钱币型腔中心连线与直浇道之间的夹角为60度,具体数据如下:浇口杯呈椭圆形锥体,高4cm,上部半椭圆的长径3cm、短径2cm,下部半椭圆的长径1.1cm、短径0.8cm;连接直浇道和钱币型腔的内浇口呈梯形,直浇口一侧宽1cm,型腔一侧宽0.6cm,型腔与直浇道之间距离0.3cm,厚0.1cm;两个钱币型腔之间的连接浇道为宽0.6cm,厚0.1cm。三维CAD模型中叠铸工艺浇注系统的尺寸参照上博收藏的大泉五十叠铸金属制范盒的尺寸和叠铸模拟试验中浇注系统的尺寸,为了与平板范竖式浇铸工艺的钱币数量相近,模型设置了10层共40枚钱币型腔,通高16.9cm,前后左右各宽6cm,具体数据如下:浇口杯呈圆锥体,高4cm,上部直径4cm,下部直径0.9cm,直浇道圆形,直径0.9cm。平板范竖式浇铸工艺和叠铸工艺的三维CAD模型如图1所示。根据考古发现,平板范竖式浇铸工艺中,石范铸钱存在石范与石范组成的铸型和石范与陶范组成的铸型;陶范铸钱存在陶范与陶范组成的铸型;金属范铸钱存在金属范与金属范组成的铸型和金属范与陶范组成的铸型。据此,计算机模拟铸钱充型过程的组合模拟条件如表1所示。1.2铸钱过程的铸造模拟结果本研究采用日立公司的ADSTEFAN铸造模拟系统,该系统所包含的功能和流程如图2所示,主要有三大部分(预处理,求解器和后处理),核心求解器部分包括铸造流动、凝固、模具温度和应力等求解模块。模拟试验中,需要铸件和铸型的物性参数,由于铸造过程中,铸件的成分和铸型的密度、比热和热传导率等物性参数都是在一定范围内变化的,确定的标准是尽量接近汉代的铸件成分,由此得到的模拟结果虽与实际铸钱过程可能存在一定的差异,但铸造条件改变而带来的相对变化趋势仍有较大的参考价值。铸件的物性参数根据文献对83枚西汉五铢钱成分分析的平均值,寻找与其近似成分的现代合金牌号的物性参数来代替,83枚西汉五铢钱成分分析的平均值为:82.62%铜,9.51%铅,3.91%锡和0.95%铁,去除杂质铁的含量,对铜、锡、铅三元素进行归一化处理,得出成分为:85%铜,10%铅,4%锡,选择成分近似的C93500牌号合金(85%Cu,5%Sn,9%Pb和1%Zn)的物性参数作为钱币的物性参数,主要物性参数如表2所示。汉代铜范的成分变化较大,铜含量大部分在50%～90%之间,铅含量大部分在5%～30%之间,锡含量大部分在5%～20%之间,本实验中金属范选择与钱币相同的物性参数;石范选择滑石的物性参数;陶范参考陶瓷型铸造进行选择。模拟所用到铸型的主要物性参数如表3所示。模拟实验中采用相同的浇注温度和浇注速度,浇注温度均为1100℃,入口浇注速度均为10mm/s。2计算机模拟测试2.1顺序非由下交往上向下交往上分层充填以表1中金属范与陶范组成铸型为例显示其主要充型过程的节点如图3所示。由图3可见,充型顺序非由下往上的逐层推进,中部横浇道的液流在下层钱币型腔未被充满时就去充填上层的钱币型腔,因液流分散致使中间部分钱币型腔产生冷隔,形成部分中间区域钱币型腔的未完全充满现象。各种铸型所形成的这种趋势完全相同,只是在不同铸型条件下,不充满的程度存在差异。2.2型腔的统计结果将各种铸型条件下的充型模拟最后结果整理于图4和5,对最终的充型结果中未完全充满的钱币型腔的统计结果如表4所示。平板范竖式浇铸工艺中,在不同铸型条件下,各种铸型所形成的充型过程具有相同的趋势,只是中间区域钱币型腔不充满的程度存在差异,铸型未预热各组的充满率均低于预热的各组,预热对金属范和陶范的成品率影响较大,对石范的影响程度较小。2.3在重叠和铸造模式下，一般的充电模拟过程叠铸方式下铸型的主要充型过程节点如图6所示。根据模拟结果,叠铸显示了由下至上的良好充型顺序,且钱币型腔均得以充满。3结果与讨论3.1充型过程及成品率分析在同一种材质——陶范,在同样的铸型预热条件下——预热150℃,叠铸整体的充型模拟结果显示了由下至上的良好充型顺序,且钱币型腔均得以充满;平板范竖式浇铸整体的充型模拟结果显示了非由下往上的逐层推进,中部横浇道的液流在下层钱币型腔未被充满时就去充填上层的钱币型腔,形成部分中间区域钱币型腔的未完全充满现象(图7)。采用同一种合金成分,在相同的铸型,相同的浇注条件下,竖式浇铸和叠铸充型过程和结果的区别主要源于两种工艺中型腔的不同设置:(1)平板范竖式浇铸工艺中,钱币型腔垂直设置,通高达41.5cm,而叠铸工艺中,型腔水平设置,通高只有16.9cm,约为竖式浇铸工艺的41%,叠铸工艺中金属液能更快地进入型腔,金属液热量的损失少,相应地充型性能得以提高。从模拟实验结果可知:叠铸工艺,金属液约在0.38s时流入底层的型腔,型腔中金属液的温度在1000℃以上;而竖式浇铸工艺,金属液约在1.06s时流入底层的型腔,此处金属液的温度已降至约900℃。因此,叠铸的充型能力优于竖式浇铸。(2)竖式浇铸工艺中,外排的型腔是通过内浇口与内排型腔连接,再通过内排型腔与直浇道连接;而叠铸的型腔都是直接与直浇道连接,竖式浇铸完成型腔的充型用时2.4s,在充型过程中伴随着固相析出而导致原本就十分狭窄的流动通道被阻塞,导致有4枚型腔未能完全充满;叠铸完成全部型腔的充型用时1.65s,没有浇不足现象。因此,从充型过程和成品率来看,叠铸优于平板范竖式浇铸工艺。这应是王莽时期叠铸开始被广泛使用并逐渐取代平板范竖式浇铸工艺的原因之一。3.2铜范与金属范的组合在铸型预热的条件下,充型性最好的是陶范与陶范的组合,其次是金属范与陶范的组合,石范与陶范的组合不如金属范与陶范的组合,略优于金属范与金属范的组合。在铸型不预热的条件下,充型性最好的仍然是陶范与陶范的组合,金属范与陶范的组合与石范与陶范的组合表现出相同的充型性,最差的仍然是金属范与金属范的组合。铸型预热各组的充满率均高于未预热各组,陶范与陶范的组合在预热条件下表现出最好的充型性,金属范与金属范的组合在不预热的条件下表现出最差的充型性。预热铸型将金属范的未充满率由40%降至26%,陶范的未充满率由24%降至10%,预热使各种材质铸型的充型性能都得到改善,这是由于预热铸型,降低了金属液与铸型的温度梯度,金属液与铸型的热传导速率减低,延缓了流动过程中固相的析出时间,固相析出会导致原本就十分狭窄的流动通道被阻塞,致使部分型腔未充满。对比平板范竖式浇铸工艺中各种铸型组合的结果表明,铸型的物性参数显著影响充型结果,保温性好,预热温度高的铸型在充型上较为有利,以陶范的充型结果为最好,金属范优于石范,金属范与陶范的组合优于金属范与金属范的组合。金属范与陶范组合的铸型未充满率为17%,金属范与金属范组合的铸型未充满率为26%,对充型性的改善,是汉代平板范竖式浇铸工艺中采用金属范与陶范组合铸钱的原因之一。4未完全消除区域工艺的管理策略1)在重力铸造成形上,叠铸优于平板范竖式浇铸工艺。叠铸整体的充型模拟结果显示了由下至上的良好充型顺序,平板范竖式浇铸