冷卻結冰模式對體收縮行為的影響

在冷卻和硬化過程中，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出來的體積變化是收縮與膨脹相抵的凈結果。這里說的相抵不是收縮量、膨脹量的代數相加,而是不同部分同時產生的收縮與膨脹才能相抵,不同的相抵情況,會產生不同的補縮量、不同的鑄件缺陷和不同的鑄件質量偏差。水從高溫(100℃)冷卻(至4℃)要收縮,結冰(-0℃)要膨脹,和鑄鐵件有相似之處。本文以水冷卻、結冰的不同模式,所產生的不同結果,去理解鑄鐵件的外部補縮和自補縮,啟發我們去創造新的工藝技術和控制手段。1水冷卻水體積所產生的分離度水的密度、比容和溫度的關系如表1、圖1所示。以一杯溫度100℃,體積100cm3,質量95.8g的水冷卻,結冰為例,理論上初始體積100cm3,結冰后體積為95.8g×1.09cm3/g=104.4cm3,冰的體積大于水的體積,結冰時存在液面不降低的可能。問題是;從水的一點看,溫度100℃的水要結冰必須經過4℃,體積收縮在前,4℃的水結冰膨脹在后,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℃產生收縮的同時,還有一部分已經冷卻為4℃的水繼續冷卻到-0℃結冰產生膨脹,這2部分的收縮和膨脹發生在同一時刻,如果控制這2部分的量使同一時刻的收縮和膨脹體積相等,則這一杯水的整體在發生冷卻、結冰的過程中就可以使液面不降低的進行。這涉及到水的冷卻、結冰的模式。2冷藏、冷藏、冷藏2.1快速補縮模式以溫度100℃,體積100cm3,質量95.8g的水為例,分為不補縮和補縮2種情況進行討論,見表2。圖2是一杯水的整體同時冷卻、同時結冰模式的體積變化示意圖。可以看出:(1)不補縮模式,雖然結冰后體積大于原始(100℃)的體積,但上表面存在不能恢復原始形狀的可能。(2)補縮模式,補入4.2g,質量從初始95.8g變成100g,增加4.4%,體積從初始100cm3變成109cm3,增加9%。(3)補入的4.2g只是中間維持液面不降低的需要,結冰時全要被膨脹出來,并增重和變形,這4.2g被稱為工藝過補縮量。2.2部分冷卻、部分冷卻和部分保溫的同時進行模式2.2.1補加后分液結晶探討以少的補縮量,實現液面不降低的結冰。仍以溫度100℃,體積100cm3,質量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?？刂评鋮s結冰過程如下:(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充第1部分14cm3從100℃冷卻到4℃的收縮0.6cm3,4℃的水0.6g(補加后第1部分變為14cm3,14g,4℃),體積補縮量近似為0.6%。(2)補加后第1部分14cm3,14g,從4℃冷卻結冰,第2部分從100℃冷卻到4℃、第3部分保溫在100℃。第1部分結冰膨脹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部分結冰時只有膨脹,液面不會下降了。例1分析說明:水的結冰是逐漸進行的,一部分保溫,一部分冷卻,一部分結冰是自然規律,,當結冰部分的膨脹可以抵償冷卻部分的收縮時,液面不會降低,這樣,持續進行直至全部結冰。只補縮開始結冰部分冷卻的收縮就可以了。本例補縮量為0.6%,增重0.6g,和同時冷卻、同時結冰補縮模式相比補縮量與增重大大減少。2.2.1水的補縮與冷卻還是以溫度100℃,體積100cm3,質量95.8g的一杯水為例,冷卻與結冰總是從微小體積開始。計算表明:1個體積4℃水的結冰膨脹可以抵償2個體積100℃水冷卻到4℃的收縮。設想把一杯水分成100份,第1份水體積1cm3,質量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℃,則只需要補縮4℃水0.042g,占原質量95.8g的0.04%,液面就不會降低。之后,第1份水從4℃冷卻結冰的膨脹去抵償第2份、第3份從100℃冷卻到4℃的收縮,其余97份保溫,液面不會降低;再后,第2份、第3份從4℃冷卻結冰的膨脹去抵償第4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,液面不會降低;以此類推,直至一杯水全部結冰,液面都不會降低。這樣,總補縮只有0.04%,結冰后的增重與變形也小。我們如果可以在溫度100℃,體積100cm3,質量95.8g的一杯水的外部加設可調節的冷卻與保溫裝置,控制從100℃冷卻到4℃收縮量與從4℃冷卻結冰的膨脹量按比例(1∶1)的進行,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,則補縮這初始部份從100℃冷卻到4℃的收縮量也趨近于0,實現最小補縮量,結冰后的增重與變形也達到最小,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的。上述的討論即考慮了時間,又考慮了收縮量與膨脹量的數量,比單純的時間概念更有啟發。3澆注、冷卻、水補縮、冷鐵與保溫層由水模擬實驗可知,要使一部分水從4℃冷卻結冰的膨脹量與另一部分水從100℃冷卻到4℃收縮量完全相抵,即實現收縮與膨脹按比例進行,可以通過控制與調節保溫部分、冷卻部分、凝固部分的比例來現實。必須指出的是,要使膨脹與收縮相抵按比例進行,容器必須要具備一定的剛度抵抗結冰時的膨脹,以避免膨脹消耗在型壁移動上。對于鑄鐵件的補縮,在鑄型具有一定剛度的前提下,可以通過工藝方案的選擇,澆注系統與冒口系統的開設,冷鐵與保溫層的應用,控制與調節鑄件保溫部分、冷卻部分、凝固部分的比例,充分利用澆注過程的補縮及澆注后澆注系統的后補縮抵償初始冷卻收縮,實現用最小的補縮量而獲得致密、無縮孔、無縮松,增重少與變形小的鑄件是可能的。水在冷卻過程中,只有當溫度降至-0℃時才開始結冰,水在-0℃以上溫度不會出現結冰現象,也就是說水在冷卻過程中不存在初生結冰,任一部分結冰的膨脹量是在固定的溫度下(-0℃以下)產生的。對于鑄鐵件不同的是存在初生石墨或遺留石墨(生鐵、增碳劑中未完全擴散的石墨)問題,這就需要通過合理設計碳當量、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冰過程中液面不降低的結冰,可以通過控制與調節同一時刻保溫部分、冷