一种金属液凝固过程中预测缩松的方法及缩松连续预测方法

摘要

本发明公开了一种金属液凝固过程中预测缩松的方法及缩松连续预测方法，所述金属液凝固过程中预测缩松的方法包括：(1)获取金属液的温度场数据；(2)选取进行预测的单元为当前单元，结合所述温度场数据，获取当前单元的压力P、粘度梯度G

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属液凝固过程中预测缩松的方法及缩松连续预测方法。

背景技术

铸件的凝固过程除了固液界面迁移外，还伴随着传热、传质的运动，铸件 的许多缺陷都与凝固过程密切相关。铸件凝固过程的计算机仿真模拟，可以形 象描述这一变化过程，对于分析铸造缺陷、预测铸件质量、优化铸造工艺有积 极的作用。

目前计算机在模拟铸造过程中的应用主要集中在以下4个方面：充型凝固 模拟、缩孔缩松预测、凝固过程应力模拟和凝固过程微观组织模拟。其中，缩 孔缩松预测尤其重要。

为了预测铸件缩松的产生及其程度(缩松形状、尺寸)，考虑缩松生成的机 理凝固解析是必要的，但是严密的解析非常困难，实际上往往采用以下几种简 易方法来预测它们的产生：1、等温度、等固相率曲线法。(1)固相线温度法， 判断缩松产生的条件是：发生在g_s＝1的闭回路中；(2)临界固相率法，判断缩 松产生的条件是发生在g_s＝g_sc的闭回路中。但是以上方法在闭回路不存在时难 以判断。2、温度梯度法，判断缩松产生条件是g_s＝1或g_s＝g_sc时的最大温度G ≤临界值。该方法比较简便，但是由于临界温度梯度随形状、冷却速率而异， 所以预测精度很低。3、固相率梯度法。判断缩松产生条件是g_s＝1或g_s＝g_sc时的 最大固相率≤临界值。该方法比较适合共晶合金凝固过程的缩松预测；当固相 率和温度的关系为1对1时与温度梯度发生等同。

目前主要应用的预测缩松的判据是其中G是温度梯度(K/cm)， R是冷却速率(K/min)，C是临界值。但是该方法对合金凝固过程缩松预测的精 度较低。

发明内容

为了克服现有技术中对合金凝固过程缩松预测的精度较低的问题，本发明 提供了一种金属液凝固过程中预测缩松的方法及缩松连续预测方法，该方法对 合金液凝固过程缩松预测的精度高，并且应用范围广。

本发明公开的金属液凝固过程中预测缩松的方法，包括：

(1)、获取金属液的温度场数据；

(2)、选取进行预测的单元为当前单元，结合所述温度场数据，获取当前 单元的压力P、粘度梯度G_v、等价冷却速率R₁以及补缩距离d和临界值C；

(3)、根据获得的P、G_v、R₁、d以及C值，按照判据：进 行判断，如果满足上述判据，则可判断当前单元为缩松单元；其中，e为自然对 数底。

此外本发明还公开了一种缩松连续预测方法，包括：

(a)、计算金属液的温度场；

(b)、根据温度场确定金属液是否即将凝固，如果确定不是即将凝固，则 返回步骤(a)继续计算温度场；如果确定即将凝固，则根据前述方法进行判断。

通过上述方法，对金属液凝固过程中缩松预测的精度高。并且该方法可以 对各种晶体或非晶合金熔液的凝固过程进行预测，应用范围广。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以 下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述 的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开的金属液凝固过程中预测缩松的方法，包括：

(1)、获取金属液的温度场数据；

(2)、选取进行预测的单元为当前单元，结合所述温度场数据，获取当前 单元的压力P、粘度梯度G_v、等价冷却速率R₁以及补缩距离d和临界值C；

(3)、根据获得的P、G_v、R₁、d以及C值，按照判据：进 行判断，如果满足上述判据，则可判断当前单元为缩松单元；其中，e为自然对 数底。即e在本发明中取值为2.71828。

根据本发明公开的上述方法，与现有的缩松判据相比，发明人发现，引入 了另一金属液的压力P作为判据影响因素，能提高判断的准确性。同时，本发 明的发明人根据金属液凝固过程中的各种因素的综合分析，提出了以粘度梯度 G_v作为判据的一大影响因素，并创造性的结合补缩距离d，增加新的参数e^d， 从而形成了上述判据发明人发现，在金属液凝固过程中，金 属的补缩距离对其凝固过程也有较大影响。作为金属的特定属性，金属的补缩 距离越大，金属液凝固过程中产生缩松缺陷时越容易得到补缩。对于现有的判 据，未考虑补缩距离，即可等效于本发明公开的判据中补缩距离为0，此时相当 于默认金属的补缩距离为0，与实际情况不符。在本发明中，通过增加新的参数 e^d来考虑补缩距离，金属的补缩距离越大，通过上述判据计算出的预测值也越 大，符合补缩距离越大，越容易得到补缩的实际情形。大大提高了预测精度。 在引入压力P和G_v并结合e^d对判据进行修正后，对金属液凝固过程中缩松产生 的预测精度极大的提高了。并且，相比于传统的固相率梯度判据，本发明通过 采用在本领域未尝使用过的粘度梯度判据，能对包括晶体、非晶等各种形态的 金属的凝固过程实现缩松预测，并且等价冷却速率不受金属晶体形态的影响， 扩大的应用的范围；预测的精度也得到了进一步提高。采用本发明公开的方法 对金属液凝固过程中缩松情况进行判断后，有利于技术人员对金属的熔炼工艺 进行调整。

在上述判据中，压力P的单位为Pa，粘度梯度G_v的单位为kg/(m².s)，等价 冷却速率R₁的单位为K/min，补缩距离d的单位为mm。

在本发明中，步骤a中温度场数据可通过现有的各种方法得到，如可以通 过传热学基本方程计算得到。

铸件凝固过程实际上是“铸件-铸型-环境”之间的不稳定热交换过程。在铸 件凝固过程中基本上包括了传热中的所有现象：热传导、热对流、热辐射。在 液态金属注入铸型后，液态金属内部的热量通过热传导到达铸件的表面，然后 通过热辐射和热传导传递给铸型，再通过热传导到达铸型的外表面，最后通过 热辐射和对流散发到环境中。与此同时铸型型腔内液态金属的温度不断下降， 且温度不均匀。这种不均匀性造成了铸型型腔中的液态金属的热对流。

下面分别对热传导、热对流和热辐射进行说明。

1、热传导换热

热传导简称导热，它属于接触传热，是连续介质在没有物质之间各部分相 对位移的情况下，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热振动进行的热量 传递。在密实的不透明的固体中，只能依靠导热方式传递热量。

对于多维温度场的确定，须以能量守恒和傅立叶定律为基础，分析导热体 中的微元体，得出表示导热现象基本规律的三维热传导的微分方程：

$\lambda (\frac{{\partial }^{2}T}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{\partial y^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{{\partial x}^2})+Q_3=\mathrm{c\rho }\frac{\partial T}{\partial t}$

式中：

Q₃-热传导热量变化值，单位为：J；

ρ-物体的密度，单位为：Kg/m³；

λ-导热系数，单位为：W/m·K；

c-比热，单位为：J/m³；

T-温度，单位为：K；

t-时间，单位为：s；

x、y、z-任意点的坐标值。

选取当前单元，即获得当前单元的x、y、z值，然后根据具体的金属种类， 可查询出其密度ρ、导热系数λ及比热c。再根据上一时刻的温度场数据，获得 上一时刻当前单元的温度数据T，通过上述方程可以计算出热传导热量变化值。

其中，由于初始时刻的温度均为事先设定的，即设定金属液达到某个温度 后开始凝固过程模拟，该温度即为初始时刻的温度，所以对于初始时刻的温度 场数据为已知的。根据该已知的初始时刻温度场数据，可以计算出从初始时刻 到下一时刻的热传导热量变化值。

2、热对流换热

对流是指流体各部分之间发生相对位移，冷流物体相互掺混所引起的热量 传递方式。对流仅能发生在流体中，而且必然伴随着导热。

对流换热在计算的形式上，采用牛顿所提出的公式，即：

Q₁＝αA(T_f-T_w)

式中：

Q₁-热对流热量变化值，单位为：J；

α-单位温度差下在单位面积上的换热量，单位为：W/m²K；

A-换热面积，单位为：m²；

T_f-热对流换热过程中的环境温度，单位为：K；

T_w-壁的温度，单位为：K。

上述方程中，α对于某种特定的金属材料，可以通过相关工具书查取。

T_f根据热对流过程中环境的实际温度进行设定。

T_w通过的温度场数据直接获取。

A对于特定模型不同，如对于圆柱体和立方体均不同，但均可以通过计算 选用的当前单元的模型的表面积得到。

通过上述方程可以计算出热对流热量变化值Q₁。

3、热辐射换热

不直接接触的两物体之间可以传递辐射能，这时物体之间也无需存在任何 介质。通常把物体发出辐射线及其传播的过程称为辐射，而物体把本身的内能 转化为对外发射辐射线及其传播的过程称为热辐射，即物体因热的原因发出辐 射能的现象称为热辐射。物体之间通过发出和接受辐射能进行的换热称为热辐 射换热。

铸型对周围环境热辐射换热的换热量：

$Q_2=ϵA_1{\sigma }_b(T_1^4-T_2^4)$

式中：

Q₂-热辐射热量变化值，单位为：J；

ε-灰体的黑度，0-1；

σ_b-斯蒂芬-玻耳兹曼常数，为5.67×10^-8(W/m²K⁴)；

A₁-物体的散热面积，单位为：m²；

T₁-热辐射过程中物体的温度，单位为：K；

T₂-热辐射过程中环境的温度，单位为：K。

上述方程中，ε对于某种特定的金属材料，可以通过相关工具书查取。

T₁即为当前单元的温度。

T₂热辐射过程中环境的温度设定得到。

A₁对于特定模型不同，如对于圆柱体和立方体均不同，但均可以通过计算 选用的当前单元的模型的表面积得到。

通过上述方程可以计算出热辐射热量变化值Q₂。

通过传热学方程计算温度场数据的方法包括：

(11)、选取任一单元，基于上一时刻的温度场数据，得出该单元上一时刻 的温度数据；然后通过热传导、热对流、热辐射计算该单元从上一时刻到当前 时刻的总热量变化值，通过该总热量变化值，采用温度变化方程计算该单元从 上一时刻到当前时刻的温度变化值；再基于上一时刻的温度数据和从上一时刻 到当前时刻的温度变化值，得到该单元当前时刻的温度数据；

所述温度变化方程为：$\mathrm{\Delta T}=\frac{Q}{\mathrm{C\rho V}},$

其中：Q为总热量变化值，为前述Q₁、Q₂、Q₃之和，单位为J，C为金属 的比热，单位是kJ/kg·℃，ρ为金属的密度，单位是kg/m³，V为当前单元的 体积，单位是m³；

(12)、重复步骤(11)，对金属液的所有单元按温度变化方程进行计算， 得到金属液的温度场数据。

其中，热传导热量变化值、热对流热量变化值、热辐射热量变化值可通过 前述方法进行计算。热传导热量变化值、热对流热量变化值、热辐射热量变化 值之和即为总热量变化值。

本领域技术人员通过以上方程的计算，即可得到上述温度场数据。

当前单元的压力P可通过现有的各种方法得到，如可以直接采用当前单元 的金属液静压力作为压力P。压力计算结束以后，保留至后续的缩松判据使用。

其中，所述金属液静压力可通过如下方式进行计算：

P＝h×ρ×g

式中：

P-当前单元受到的金属液静压力，单位：Pa；

h-当前单元距所在的熔池顶部的距离，单位：m；

ρ-金属液的密度，单位：kg/m³；

g-重力加速度，单位：m/s²。

上述方法中，熔池可定义为金属液凝固过程中，金属液可相互连通的区域。 即一个熔池可包括多个单元。熔池的划分可采用现有的多熔池划分技术进行。

在本发明公开的方法中，粘度梯度G_v的获取方法为：

选取与当前单元相邻的26个相邻单元，所述26个相邻单元为与当前单元 面相邻的6个单元，与当前单元棱相邻的12个单元和与当前单元顶点相邻的8 个单元，当前单元与各个相邻单元的距离是当前单元中心点与相邻单元中心点 之间的距离；

获得当前单元及26个相邻单元的粘度值；

取当前单元与其中一个相邻单元的粘度值之差除以当前单元与该相邻单元 的距离，得到一个商值，重复该步骤，然后取最大的商值为粘度梯度。

上述方法中，获取当前单元及26个相邻单元的粘度值的方法为：结合温度 场数据，分别获取当前单元及26个相邻单元的温度数据，根据当前单元及26 个相邻单元的温度数据，分别获得当前单元及26个相邻单元的粘度值。

对于每种固定组成的金属液，其他条件不变时，它在固定的温度下的粘度 是固定的，即粘度相对于温度具有固定的曲线。所以，获取当前单元及26个相 邻单元的温度数据后，可直接分别读取当前单元及26个相邻单元的粘度。如可 根据当前单元及26个相邻单元的温度数据，结合该金属材料的温度-粘度曲线， 直接读取当前单元及26个相邻单元的粘度值。上述金属材料的温度-粘度曲线为 可通过现有技术测得。

在本发明中，等价冷却速率R₁的获取方法为：将当前单元在一个时间步长 内释放的潜热换算成当前单元在该时间步长内温度的等价降低值，取该等价降 低值与该单元实际温度的实际降低值之和，然后除以所述时间步长，得到当前 单元的等价冷却速率R₁。上述时间步长即为当前时刻与前一时刻的时间差。

作为衡量金属液凝固是否产生缩松的关键判据，临界值C至关重要。对于 不同的合金，临界值C也不同。通常，该临界值C为已知的。同时，该临界值 C也可自行获取。临界值C的获取方法可以为现有技术中的各种方法，如判据 临界值C主要通过实际压铸与模拟相结合的方法获取。针对某种合金材料，基 于给定的模型和压铸工艺等条件，进行实际压铸。通过对铸件进行剖分观察内 部缩松的位置等。然后，不断对该临界值进行调整，设定预测临界值，采用基 础判据进行模拟分析获得包括缩松位置的模拟结果，将模拟结果 与铸件内部缩松的位置进行对照，如果模拟结果与实际铸件中缩松的位置不相 同，则调整预测临界值，再进行模拟；如果模拟结果与实际铸件中缩松的位置 相同，则该预测临界值即为临界值C。为验证该临界值的正确性，可根据不同的 模型和压铸工艺进行分析。在现有技术中，临界值C可直接通过相关技术词典 查询得到。在本发明中，临界值C的获取方法为：通过实际压铸与模拟相结合， 并进行修正得到。

根据本发明，在获取临界值C后，所述补缩距离d的获取方法为：针对固 定的金属材料，基于固定的模型和压铸工艺条件，进行实际压铸，得到铸件； 对铸件进行剖分确定铸件内部缩松的位置；

然后，根据获取的临界值C，设定预测补缩距离，采用判据进行模拟分析，获得包括缩松位置的模拟结果，将模拟结果与铸件内部缩松的 位置进行对照，如果模拟结果与实际铸件中缩松的位置不相同，则调整预测补 缩距离，再进行模拟；如果模拟结果与实际铸件中缩松的位置相同，则该预测 补缩距离即为补缩距离d。

获得上述P、G_v、R₁、d以及C值后，按照判据：进行判 断，如果满足上述判据，则可判断当前单元为缩松单元。

为了便于在实际中使用，在本发明中，还公开了一种缩松连续预测方法， 包括：

(a)、计算金属液的温度场；

(b)、根据温度场确定金属液是否即将凝固，如果确定不是即将凝固，则 返回步骤(a)继续计算温度场；如果确定即将凝固，则根据上述金属液凝固过 程中预测缩松的方法进行判断。

在上述方法中，当步骤(a)中已计算金属液的温度场，则在步骤(b)中， 可直接采用该温度场作为所需的温度场数据。

上述方法中，根据温度场确定金属液是否即将凝固为本领域公知的方法。 金属液凝固为相变过程，本领域技术人员根据获得的金属液的温度场数据，可 判断是否即将凝固。

同样，步骤(a)中所述的温度场可以通过传热学方程计算得到。本发明中， 各种数据的获得及计算均可通过现有技术中的计算机装置来完成。

根据本发明，以非晶合金为例，对其凝固过程进行缩松连续预测。具体方 法为：金属熔炼结束后，不断通过传热学方程计算金属液的温度场，根据温度 场确定金属液是否即将凝固，如果不是，则返回步骤(a)继续计算温度场；如 果确定即将凝固，选取进行预测的单元为当前单元，选用当前单元的金属液静 压力作为当前单元的压力P。

选取与当前单元相邻的26个相邻单元，所述26个相邻单元为与当前单元 面相邻的6个单元，与当前单元棱相邻的12个单元和与当前单元顶点相邻的8 个单元，当前单元与各个相邻单元的距离是当前单元中心点与相邻单元中心点 之间的距离；

获得当前单元及26个相邻单元的粘度值；

取当前单元与某相邻单元的粘度值之差除以当前单元与该相邻单元的距 离，得到一个商值，重复该步骤，然后取最大的商值为粘度梯度G_v。

然后，将当前单元在一个时间步长内释放的潜热换算成当前单元在该时间 步长内温度的等价降低值，取该等价降低值与该单元实际温度的实际降低值之 和，然后除以所述时间步长，得到当前单元的等价冷却速率R1。

最后，根据获得的P、G_v、R₁、d，并结合已知的临界值C，按照判据： 进行判断，如果满足上述判据，则可判断当前单元为缩松单元。

采用本发明公开的金属液凝固过程中预测缩松的方法，能实现金属液凝固 过程中缩松情况的精确预测。并且该方法的应用范围广，可对共晶或非晶等各 类金属材料的金属液凝固过程中缩松情况进行预测

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。