CN103008600A - 一种离心铸造时铸型最高温度的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心铸造技术领域，具体一种离心铸造时铸型最高温度的估算方法，根据铸件材料的分类，选择所述铸件材料的样本牌号，将铸型温度按照预设的温度差划分为多个温度采样点，计算每个温度采样点温度值对应的α值，根据铸型温度升高值方程计算铸型温度升高值，从而对铸铜件、铸铁件及碳素铸钢件，在离心铸造中铸型的最高温度进行估算。本发明的有益效果是能根据现有的铸件及铸型材料的高温物性数据，以低成本的方式估算对常用铸件离心铸型实际最高温度；从而既能对特定离心铸型能否浇注特定铸件作出判断；也能在当离心铸型产生破裂时给铸型的强度校核提供温度依据。

Description

一种离心铸造时铸型最高温度的估算方法

技术领域

本发明属于离心铸造技术领域，具体涉及一种离心铸造时铸型最高温度的估算方法，适用于对锡青铜、铝青铜、黄铜、灰铸铁、球墨铸铁、碳素铸钢离心铸造时铸型最高温度的估算。

背景技术

目前在离心铸造时的铸件一般分为铸造锡青铜、铝青铜、黄铜、灰铸铁与球墨铸铁、低碳钢、中碳钢各类铸件。理论上，当铸型温度升高到最高温度时，单位质量铸型的吸热量为q_铸型=C_铸型ΔT，则铸型吸收的热量为Q_踌型=M_铸型q_铸型=M_铸型C_铸型ΔT，而铸件散发的热量为Q_铸件=M_铸件[C_液（t₁-t₂）+L+C_固（t₃-t₄）]。考虑到铸造时铸件一部分热量会散发到空气中，故当铸件散热与铸型吸热处于热平衡时，热平衡方程为：M_铸件[C_液（t₁-t₂）+L+C_固（t₃-t₄）]η=M_铸型C_铸型·ΔT，式中：M_铸型为铸型质量，M_铸件为铸件质量，t₁为合金液的浇注温度，t₂为合金液的液相线温度，t₃为合金的固相线温度，t₄为铸件的脱模温度，C_液为合金的平均液态比热容，L为合金的熔化潜热，C_固为合金的平均固态比热容，C_铸型为铸型的固态比热容，△T为铸型从工作温度升高到最高温度的温度差值，即△T=T_最高温度－T_{铸型工作温度}，η为铸件散热量被铸型所吸收的比值，一般为70％～80％。由上述热平衡方程可以看出，当铸件及铸型材料的高温物性参数(合金的平均固态比热容C_固、合金的平均液态比热容C_液、合金的熔化潜热L、合金的液相线温度t₂、合金的固相线温度t₃、铸型材料的固态比热容C_铸型确定之后，就可以计算出离心铸型的温度升高值△T，从而计算出铸型的最高温度。

但在实际应用中，由于离心铸件的种类及牌号繁多，金属材料的高温物性试验实施比较困难且投入费用很高，若要将全部金属材料的高温物性数据测量出，其投入费用是一般的研究人员和企业无法承受的。铸造手册（机械工程学会铸造学会，铸造手册第3卷，铸造非铁合金，机械工业出版社2011第三版）中仅记载有最为常用的铸件材料及铸型材料的高温物性试验数据，而对于一般金属材料的高温物性数据却未有记载，这就导致无法准确估算出铸型最高温度，不能为铸型的强度校核提供温度依据。目前通常的处理方法是待铸件凝固、离心机停机之后，打开安全罩观察铸型发红的颜色来估计铸型的温度，但这时铸型的温度与铸型最高温度相差很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本的离心铸造时铸型最高温度的估算方法，通过对合金材料分类及样本选择，依据常用合金材料残缺的高温物性数据，对铸铜件、铸铁件及碳素铸钢件，在离心铸造过程中对铸型实际最高温度进行估算。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种离心铸造时铸型最高温度的估算方法，包括如下步骤：

根据铸件材料的分类，选择所述铸件材料的样本牌号，以所述样本牌号的平均固态比热容C_固、合金的平均液态比热容C_液、合金的熔化潜热L、合金的液相线温度t₂、合金的固相线温度t₃作为所述铸件材料的高温物性数据；

根据以下铸型温度升高值公式计算铸型温度升高值为：

取

其中，M_铸型为铸型质量，M_铸件为铸件质量，C_铸型为铸件质量型的固态比热容；

将铸型温度按照预设的温度差划分为多个温度采样点，计算每个温度采样点温度值对应的α值；

选取任意一个温度采样点温度值作为第一铸型对比温度T₁，将与T₁相应的α值带入公式（1）中，计算出第一铸型温度升高值△T₁及第一铸型最高温度T₂，若T₁与T₂差值的绝对值大于预设的温度差的一半，则在铸型温度范围选取与T₂温差绝对值最小的温度采样点温度值作为第二铸型对比温度，将第二铸型对比温度对应的α值再次代入公式（1）中，计算出第二铸型温度升高值△T₂及第二铸型最高温度T₃，将T₃作为该离心铸造时铸型的最高温度。

优选的，所述合金的平均液态比热容C_液为平均固态比热容C_固的1.25～1.65倍。

优选的，所述铸型比热容C_铸型数据，采用线性回归法或曲线拟合法计算得出。

优选的，当所述预设温度差为100℃时，将铸型温度按照100℃的温度差划分为多个温度采样点，计算铸型温度范围将每隔100℃时的α值；选取任意一个温度采样点温度值作为第一铸型对比温度，将与T₁相应的α值带入公式（1）中，计算出第一铸型温度升高值△T₁及第一铸型最高温度T₂，若T₁与T₂差值的绝对值大于50℃，则在铸型温度范围选取与T₂温差绝对值最小的温度采样点温度值作为第二铸型对比温度，将第二铸型对比温度对应的α值再次代入公式（1）中，计算出第二铸型温度升高值△T₂及第二铸型最高温度T₃，将T₃作为该离心铸造时铸型的最高温度。

优选的，当所述预设温度差为50℃时，将铸型温度按照50℃的温度差划分为多个温度采样点，计算铸型温度范围将每隔50℃时的α值；选取任意一个温度采样点温度值作为第一铸型对比温度T₁，将与T₁相应的α值带入公式（1）中，计算出第一铸型温度升高值△T₁及第一铸型最高温度T₂，若T₁与T₂差值的绝对值大于25℃，则在铸型温度范围选取与T₂温差绝对值最小的温度采样点温度值作为第二铸型对比温度，将第二铸型对比温度对应的α值再次代入公式（1）中，计算出第二铸型温度升高值△T₂及第二铸型最高温度T₃，将T₃作为该离心铸造时铸型的最高温度。

优选的，当所述铸型材料为铸铁和碳素铸钢时所述铸型温度范围为300℃～800℃，当所述铸型材料为铬钼铸钢时所述铸型温度范围为300℃～900℃。

本发明的有益效果是能根据现有的铸件及铸型材料的高温物性数据，以低成本的方式估算对常用铸件离心铸型实际最高温度；从而既能对特定离心铸型能否浇注特定铸件作出判断；也能在当离心铸型产生破裂时给铸型的强度校核提供温度依据。

具体实施方式

实施例1：

步骤a：本实施例选用的铸型材质为灰铸铁HT200，灰铸铁铸型的质量M铸型＝2283kg，灰铸铁铸型的工作温度设定为70℃；锡青铜铸件脱模温度设定为350℃，锡青铜铸件尺寸为Ф1358∕Ф1095×240mm，锡青铜铸件的质量M_铸件=1095kg。从铸造手册上可以查到：国标中锡青铜种类中有8个牌号，合金的固态比热容最高值为396kJ/(kg·℃)，最低值为360kJ/(kg·℃)；合金液的液相线温度t₂，最高值为1004℃，最低值为976℃；合金的固相线温度t₃，最高值为854℃，最低值为837℃。将锡青铜ZCuSn10Zn2选择为样本牌号，其平均固态比热容C_固=0.376kJ∕（kg·℃），液相线温度t₂=1000℃，固相线温度t₃=854℃，且能从其他资料（张以钟，铜套的铸造[J].特种铸造及有色合金.1992（4））中查得ZCuSn10Zn2的平均液态比热容C_液=0.607kJ∕（kg·℃），熔化潜热L=205kJ∕kg，因此本实施例选取锡青铜ZCuSn10Zn2的高温物性数据为锡青铜种类的样本数据。

步骤b：从铸造手册上可以查到灰铸铁HT200在以下各个温度与铸型的固态比热容C_铸型（kJ∕（kg·℃））之间的对应关系为：300℃，0.557；400℃，0.565；500℃，0.586；600℃，0.607；700℃，0.641；800℃，0.691，温度间隔差值为100℃。

步骤c：设铸件80%的散热量被铸型所吸收，浇注温度t₁=1080℃，铸型脱模温度t₄=350℃；将铸型温度按照100℃的温度差划分为五个温度采样点，计算每个温度采样点温度值对应的α值。铸型材料为铸铁铸型温度范围为300℃～800℃，选铸型最高温度为500℃作一个温度采样点，此时灰铸铁铸型的固态比热容C_铸型＝0.586kJ∕（kg·℃），可求得温度采样点为500℃时，锡青铜铸件与灰铸铁铸型搭配的α值：

同理，温度采样点为400℃时，锡青铜铸件与灰铸铁铸型搭配的α值：

同理，可计算出以下各个对比温度与α值的对应关系为：300℃，636.36；600℃，583.94；700℃，552.97；800℃，512.96。

当温度采样点差值为100℃时，准确性不够高，进一步在铸型温度范围内选取温度采样点，每相邻温度采样点差值为50℃，同时将所述每隔100℃时的α值插值处理，计算温度采样点每隔50℃时的α值。可计算出温度采样点为550℃的α值为500℃与600℃的平均值594.41，以此类推，得到新增加的温度采样点与α值的对应关系为：350℃，631.86；450℃，616.11；550℃，594.41；650℃，568.46；750℃，532.97。

步骤d：由于铸型在不同温度时的固态比热容不同，故在选择α值需要选取温度采样点500℃第一铸型对比温度T₁，将500℃时锡青铜铸件与铸铁铸型搭配时α=604.87带入公式（1）可计算第一铸型升高温度值△T₁：

对于锡青铜铸件，铸型的工作温度T_{铸型工作温度}为70℃，故第一铸型最高温度T₂为

T₂=△T₁＋T_{铸型工作温度}=290＋70=360℃

计算出的第一铸型最高温度T₂与第一铸型对比温度T₁相差值为140℃，大于25℃，则在铸型工作温度范围内选取与T₂温差最小的温度采样点值即350℃作为第二铸型对比温度，将第二铸型对比温度对应的α值631.86代入公式（1）重新计算第二铸型升高温度值△T₂：

则第二铸型最高温度T₃=△T₂＋T_{铸型工作温度}=303＋70=373℃，算出的第二铸型最高温度T₃和第二铸型对比温度为350℃相差小于25℃，则铸型最高温度为373℃。

实施例2

步骤a:本实施例选用的铸型材质为铬钼铸钢ZG20CrMo，铬钼铸钢铸型的质量M_铸型=2810kg，铸型的工作温度设定为230℃。选取铸件材质碳素钢ZG230-450为样本牌号，铸件脱模温度设定为820℃，ZG230-450铸件的尺寸为Ф620∕Ф496×1300mm，铸件的质量M_铸件=1100kg。

碳素铸钢的熔化潜热L=251.2kJ∕kg，液相线温度t₂=1525℃，固相线温度t₃=1490℃。取浇注温度t₁=1580℃，铸件脱模温度t₄=820℃。从铸造手册上可以查到，以下各个温度与碳素铸钢ZG230-450铸型材料的固态比热容C_铸型（kJ∕（kg·℃）的对应关系为：300℃，0.557；350℃，0.574；400℃，0.599；450℃，0.624；500℃，0.662；550℃，0.706；600℃，0.749；650℃，0.798；700℃，0.846；750℃，0.898；800℃，0.950。在800℃时，ZG230-450的固态比热容C=0.950kJ∕（kg·℃），可认为是ZG230-450的平均固态比热容。此外还缺乏碳素铸钢的液态比热容C_液，根据C_液=（1.3～1.6）C_固，可取C_液=1.3×0.950=1.235kJ∕（kg·℃），由于C_液（t₁－t₂）中（t₁－t₂）的值不大，即便C_液估算有偏差，但对铸型温度T计算的影响并不大。

步骤b：铬钼铸钢铸型的牌号为ZG20CrMo，但铸钢手册上无法查到有关的高温物性数据，从机电工程金属材料手册（万嘉礼主编.上海科学技术出版社，1990.第3版）中能查到铬钼铸钢ZG22CrMo的部分高温物性数据，仅有7个温度与固态比热容C_铸型（kJ∕（kg·℃））关系的数据：25℃，0.419；150℃，0.496；205℃，0.477；315℃，0.507；425℃，0.536；540℃，0.557；650℃，0.586。由于无其他资料可选，只能选用ZG22CrMo的固态比热容作为样本数据。对于在手册上查到铬钼铸钢固态比热容C_铸型的残缺不全数据，可以通过分析，找出已有数据显示的规律性，固态比热容C_铸型随着温度的升高而增大，即呈很强正相关性，可以通过回归分析方法，求解出线性回归方程，从而补全数据。从手册上查到7个ZG22CrMo的固态比热容C_铸型数据，因为我们所需要的是300℃以上的铸型温度T与固态比热容C_铸型的关系，采用205℃及以上的5个点进行线性回归分析，这样准确度要更高一些，求得固态比热容C_{铸 型}线性回归方程为

C_铸型=0.0002T＋0.43

此时，R²09959，相关系数R=0.9980，相关性很高。根据固态比热容CC_铸型线性回归方程可以算出在300℃～900℃范围内每隔50℃的铬钼铸钢铸型的固态比热容C：300℃，0.490；350℃，0.500；400℃，0.510；450℃，0.520；500℃，0.530；550℃，0.540；600℃，0.550；650℃，0.560；700℃，0.570；750℃，0.580；800℃，0.590；850℃，0.600；900℃，0.610。

步骤c：设铸件80%的散热量被铸型所吸收，浇注温度t₁=1580℃，铸型脱模温度t₄=820℃；在铸型温度范围内选取温度采样点，每温度采样点间差值为50℃，计算每个温度采样点对应的α值。铸型材料为铬钼铸钢时温度范围为300℃～900℃，以温度采样点500℃为例，铬钼铸钢铸型的比热容C_铸型=0.530kJ∕kg·℃，可求得在500℃时，碳素钢铸件与铬钼铸钢铸型搭配的α值：

从计算中可以看出铸件的液态散热量C_液（t₁－t₂）=67.93kJ∕kg，相对于熔化潜热L=251.2kJ∕kg及铸件的固态散热量C_固(t₃－t₄）=636.5kJ∕kg，是影响很小的。

同样，在温度采样点400℃时，碳素钢铸件与铬钼铸钢铸型搭配的α值：

$\mathrm{\α}=\frac{1442.45}{0.510}\×0.530=1499.02$

同理，可计算出各温度采样点温度与α值的对应关系：300℃，1560.20；350℃，1529.00；450℃，1470.19；550℃，1415.74；600℃，1390.00；650℃，1365.18；700℃，1341.23；750℃，1318.10；800℃，1295.76；850℃，1274.16；900℃，1253.28。

步骤d：由于铸型在不同温度时的固态比热容不同，故在选择α值需要预选取一个温度采样点600℃作为第一铸型对比温度T₁，将600℃时锡青铜铸件与铸铁铸型搭配时α=1399.00带入公式(1)可计算第一铸型升高温度值△T₁：

对于碳素钢铸件，铸型的工作温度T_{铸型工作温度}为230℃，故第一铸型最高温度T₂为

T₂=△T₁＋T_{铸型工作温度}=544＋230=774（℃）

计算出的第一铸型最高温度T₂与第一铸型对比温度T₁相差值为174℃，相差大于25℃，则在铸型工作温度范围内选取与T₂温差最小的温度采样点值即750℃作为第二铸型对比温度，将第二铸型对比温度对应的α值1318.10再次代入公式(1)重新计算第二铸型升高温度值△T₂：

则第二铸型最高温度T₃=△T₂＋T_{铸型工作温度}=516＋230=746℃，算出的第二铸型最高温度T₃和第二铸型对比温度为750℃相差小于25℃，则铸型最高温度为746℃。

当然，本发明中采用其他不同的铸件材料，其对应的铸型工作温度分别可取如下值：

对于铝青铜铸件，铸型的工作温度通常为140℃～200℃；对于黄铜铸件，铸型的工作温度通常为120℃～160℃。

对于铸铁铸件，热模法（即涂料金属型）生产时，铸型的工作温度通常为180℃～350℃。

本发明中对于其他不同铸件材料，对应的铸件脱模温度也不同：

铝青铜、黄铜铸件的脱模温度通常为400℃～600℃。

铸铁铸件的脱模温度通常为700℃～850℃。

本发明中铝青铜、黄铜取熔化潜热L=205kJ∕kg；

灰铸铁和球墨铸铁取熔化潜热L=219.81kJ∕kg；

低碳钢、中碳钢取熔化潜热L=251.2kJ∕kg。

本发明实施例能根据现有的铸件及铸型材料的高温物性数据，以低成本的方式估算对常用铸件离心铸型实际最高温度；从而既能对特定离心铸型能否浇注特定铸件作出判断；也能在当离心铸型产生破裂时给铸型的强度校核提供温度依据。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种离心铸造时铸型最高温度的估算方法，其特征是，包括如下步骤：

根据铸件材料的分类，选择所述铸件材料的样本牌号，以所述样本牌号的平均固态比热容C_固、合金的平均液态比热容C_液、合金的熔化潜热L、合金的液相线温度t₂、合金的固相线温度t₃作为所述铸件材料的高温物性数据；

根据以下铸型温度升高值公式计算铸型温度升高值为：

取

其中，M_铸型为铸型质量，M_铸件为铸件质量，C_铸型为铸件质量型的固态比热容；

将铸型温度按照预设的温度差划分为多个温度采样点，计算每个温度采样点温度值对应的α值；

选取任意一个温度采样点温度值作为第一铸型对比温度T₁，将与T₁相应的α值带入公式（1）中，计算出第一铸型温度升高值△T₁及第一铸型最高温度T₂，若T₁与T₂差值的绝对值大于预设的温度差的一半，则在铸型温度范围选取与T₂温差绝对值最小的温度采样点温度值作为第二铸型对比温度，将第二铸型对比温度对应的α值再次代入公式（1）中，计算出第二铸型温度升高值△T₂及第二铸型最高温度T₃，将T₃作为该离心铸造时铸型的最高温度。

2.根据权利要求1所述的离心铸造时铸型最高温度的估算方法，其特征在于，所述合金的平均液态比热容C_液为平均固态比热容C_固的1.25～1.65倍。

3.根据权利要求1所述的离心铸造时铸型最高温度的估算方法，其特征在于，所述铸型比热容C_铸型数据，采用线性回归法或曲线拟合法计算得出。

4.根据权利要求1所述的离心铸造时铸型最高温度的估算方法，其特征在于，当所述预设温度差为100℃时，将铸型温度按照100℃的温度差划分为多个温度采样点，计算铸型温度范围将每隔100℃时的α值；选取任意一个温度采样点温度值作为第一铸型对比温度T₁，将与T₁相应的α值带入公式（1）中，计算出第一铸型温度升高值△T₁及第一铸型最高温度T₂，若T₁与T₂差值的绝对值大于50℃，则在铸型温度范围选取与T₂温差绝对值最小的温度采样点温度值作为第二铸型对比温度，将第二铸型对比温度对应的α值再次代入公式（1）中，计算出第二铸型温度升高值△T₂及第二铸型最高温度T₃，将T₃作为该离心铸造时铸型的最高温度。

5.根据权利要求1所述的离心铸造时铸型最高温度的估算方法，其特征在于，当所述预设温度差为50℃时，将铸型温度按照50℃的温度差划分为多个温度采样点，计算铸型温度范围将每隔50℃时的α值；选取任意一个温度采样点温度值作为第一铸型对比温度T₁，将与T₁相应的α值带入公式（1）中，计算出第一铸型温度升高值△T₁及第一铸型最高温度T₂，若T₁与T₂差值的绝对值大于25℃，则在铸型温度范围选取与T₂温差绝对值最小的温度采样点温度值作为第二铸型对比温度，将第二铸型对比温度对应的α值再次代入公式（1）中，计算出第二铸型温度升高值△T₂及第二铸型最高温度T₃，将T₃作为该离心铸造时铸型的最高温度。

6.根据权利要求1或2所述的离心铸造时铸型最高温度的估算方法，

其特征在于，当所述铸型材料为铸铁和碳素铸钢时所述铸型温度范围为300℃～800℃，当所述铸型材料为铬钼铸钢时所述铸型温度范围为300℃～900℃。