凝固過(guò)程中鑄件鑄型界面換熱的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、凝固過(guò)程中鑄件/鑄型界面換熱的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀趙建華，張恒(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400044 )摘要：鑄件/鑄型界面熱交換作為影響凝固過(guò)程的重要因素和計(jì)算機(jī)凝固模擬必備的邊界 條件愈來(lái)愈引起人們的關(guān)注并進(jìn)行研究。本文綜述了在鑄件凝固過(guò)程中對(duì)于幾種不同鑄 造方法，其鑄件/鑄型界面熱交換的國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)界面熱交換進(jìn)行了總結(jié) 和展望。關(guān)鍵詞：鑄件/鑄型；邊界條件；界面熱交換在鑄造領(lǐng)域中，提升鑄造相關(guān)過(guò)程模擬的精確性就成為了諸多研究工作者需要解決 的關(guān)鍵問(wèn)題之一。而實(shí)現(xiàn)精確的模擬，邊界條件是不可或缺的。而作為邊界條件的一種， 鑄件/鑄型界面換熱系數(shù)無(wú)疑是邊界條件中最重要的，由于鑄

2、件/鑄型界面的換熱是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，界面熱交換系數(shù)的確定迄今為止仍然是鑄件凝固過(guò)程數(shù)值模擬的重點(diǎn) 和難點(diǎn)。它在微觀上同時(shí)存在著金屬與鑄型的接觸導(dǎo)熱、金屬與鑄型間隙中氣體的導(dǎo)熱 以及表面間的熱輻射等。實(shí)際中，主要通過(guò)引入金屬/鑄型界面換熱系數(shù)h來(lái)處理這種換 熱條件，其邊界條件的表達(dá)式為：_/-1 .= h(Twi -Tw2 )18n 7wi其中，一鑄件材料的導(dǎo)熱系數(shù)， W m'w1、w2 鑄件與鑄型表面Twi、Tw2一分別代表鑄件和鑄型的表面溫度，K國(guó)內(nèi)外對(duì)界面換熱的研究方法一般是先實(shí)測(cè)間隙或溫度，然后計(jì)算出界面換熱參數(shù)，進(jìn)而將這些參數(shù)直接或作些處理后應(yīng)用于其他鑄件的凝固模擬。本文作

3、者將介紹鑄造凝固過(guò)程中界面換熱的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的一些問(wèn)題，使我們對(duì)界面換熱有一個(gè)清 晰、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)的繼續(xù)深入研究作基礎(chǔ)。1 各種鑄造方法界面換熱研究現(xiàn)狀1.1 砂型鑄造對(duì)于砂型鑄造來(lái)說(shuō)，由于砂型較低的導(dǎo)熱率、鑄件和鑄型之間的傳熱受砂型的影響 最大。界面換熱系數(shù)的確定一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的溫度數(shù)據(jù)與傳熱的數(shù)值模擬結(jié)合起來(lái) 進(jìn)行反問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算，從而建立起各種條件下的換熱系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線，砂型鑄 造時(shí)在冷鐵（金屬型）與鑄件的界面也會(huì)產(chǎn)生間隙。馮可芹等指出鑄件的凝固過(guò)程由砂 型和外冷鐵的傳熱共同影響，其中凝固初期主要受外冷鐵傳熱的影響，后期主要受砂型 傳熱的影響，整個(gè)系統(tǒng)的界面相當(dāng)于

4、鑄件/金屬型和鑄件/砂型兩者的復(fù)合界面。李德林 等詳細(xì)的研究端部冷鐵的界面氣隙及界面換熱問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)：換熱系數(shù)具有瞬變的性質(zhì)， 界面氣隙、冷鐵涂料層阻礙了界面換熱的進(jìn)行，使 h下降。臺(tái)灣的孫憲琪等人使用了總 容量計(jì)算法求得界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平均值，可進(jìn)而求得多段時(shí)間間隔的平均界面?zhèn)鳠嵯?數(shù)。此方法提供研究相關(guān)領(lǐng)域多樣化的選擇，以簡(jiǎn)易方式估算出砂型與金屬界面熱通量 及界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，以利于鑄造凝固過(guò)程的傳熱分析。1.2 金屬型鑄造對(duì)于金屬型鑄造來(lái)說(shuō)，情況與砂型鑄造則截然相反，由于金屬材料較好的導(dǎo)熱性， 大多數(shù)合金在金屬型中凝固時(shí)，鑄件、鑄型之間的熱阻主要集中在二者的交界面上，在鑄件和金屬型界面要產(chǎn)生界面

5、氣隙，界面換熱隨界面氣隙的形成而降低的現(xiàn)象非常明 顯。在早期的界面換熱研究中,Matuschka指出鑄件/鑄型間隙的形成是鑄件及鑄型材料 熱脹冷縮產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的結(jié)果，這些間隙的產(chǎn)生往往成為影響鑄件凝固過(guò)程的重要因 素。還有些研究人員假定鑄型和鑄件是緊密接觸的，這樣在界面上鑄件和鑄型具有相同 的溫度，只是各自的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱不同，其結(jié)果使計(jì)算造成較大的誤差。文獻(xiàn)考慮了 凝固過(guò)程間隙形成的影響，提出了用界面熱阻來(lái)描述間隙形成對(duì)界面?zhèn)鳠徇^(guò)程的影響，通過(guò)調(diào)整界面熱阻，使界面?zhèn)鳠岣咏鼘?shí)際情況。Y.Nishida等人發(fā)現(xiàn)鑄件現(xiàn)狀不同影響 間隙的形成。Pehlke®界面接觸狀況分為三種：一致性接

6、觸、非一致性接觸和被界面問(wèn) 隙分離，同時(shí)還將界面換熱的反算法第一次用于求解鑄件 /鑄型界面換熱系數(shù)。由于界面 氣隙的復(fù)雜性，趙健等人撇開界面氣隙不去考慮，直接用界面溫差函數(shù)進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn) 證明這一函數(shù)只與鑄件形狀有關(guān)而不受合金種類影響，然而在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，由于影 響界面氣隙的因素很多且復(fù)雜，導(dǎo)致氣隙寬度難以準(zhǔn)確測(cè)定。郝守衛(wèi)在研究球鐵 /金屬 型界面時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于石墨化膨脹的影響，鑄件 /鑄型之間不會(huì)產(chǎn)生氣隙，同時(shí)界面換熱 系數(shù)是隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐步上升的?？紤]到氨氣的熱導(dǎo)率約是空氣的5倍，這將可能大大提高鑄件/鑄型的界面換熱率。 于是Doutre等人在鑄件/鑄型界面注入氮?dú)?，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析

7、一致。文獻(xiàn)最近 詳細(xì)地研究了鋁合金鑄件/鑄型的間隙中注入氨氣對(duì)間隙形成的影響。由于影響鑄件/鑄型界面熱交換因素很多，Coates.Basil等主要研究了鑄件/鑄型表面 粗糙度和金屬液溫度對(duì)界面換熱系數(shù)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，邊界換熱系數(shù)和間隙的尺寸存 在函數(shù)關(guān)系，粗糙度增加將會(huì)使界面換熱系數(shù)減??；提高金屬澆注溫度會(huì)使流動(dòng)性增強(qiáng)， 導(dǎo)致邊界換熱系數(shù)增加。Reddy , A.V等研究了合金成分對(duì)界面換熱系數(shù)的影響。最近，隨著人們對(duì)界面換熱的認(rèn)識(shí)不斷加深，S.Arunkumar等人研究了在充型時(shí)鑄件/鑄型界面熱流的空間變化情況。謝錦婷等人也深入研究了鑄型和鑄件所處的不同位置 的界面換熱系數(shù)，指出豎直方向的

8、間隙隙大于水平方向的間隙，從而界面換熱系數(shù)也不 相同，這樣更能與實(shí)際情況吻合。1.3 高壓鑄造研究人員對(duì)普通鑄造過(guò)程鑄件/鑄型界面換熱行為的研究，已經(jīng)做了大量的工作， 但是針對(duì)壓鑄過(guò)程界面換熱行為的研究卻進(jìn)行的較少。Nelson、Hong以及Papai等進(jìn)行了早期的關(guān)于壓鑄過(guò)程界面換熱行為的研究，在實(shí)際的壓鑄機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)， 求解了壓鑄過(guò)程鑄件/鑄型的界面換熱系數(shù)。Dour等在實(shí)際的壓鑄機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)的實(shí) 驗(yàn)研究，求解了換熱系數(shù)，并分析了換熱系數(shù)隨著壓鑄工藝參數(shù)的變化規(guī)律，但是這些相關(guān)研究并沒(méi)有考慮金屬材料對(duì)換熱系數(shù)的影響，同時(shí)，對(duì)于工藝參數(shù)的影響討論上也只局限在鑄件的一個(gè)位置上，并沒(méi)有

9、分析鑄件不同位置下?lián)Q熱系數(shù)的區(qū)別。 針對(duì)以上問(wèn) 題，國(guó)內(nèi)學(xué)者郭志鵬等在對(duì)壓鑄過(guò)程中鑄件/鑄型界面換熱系數(shù)研究中，首次設(shè)計(jì)了 “階 梯”鑄件，從而使得研究鑄件不同厚度部分與鑄型之間的換熱系數(shù)變成可能。1.4 擠壓鑄造由于在高壓下充型和凝固的精確成形，擠壓鑄造最近幾年在國(guó)內(nèi)外穩(wěn)步發(fā)展，具開 發(fā)和投產(chǎn)的產(chǎn)品品種越來(lái)越多，但是專門從事擠壓鑄造界面換熱的研究少見(jiàn)報(bào)道，其原 因有：整個(gè)凝固過(guò)程時(shí)間比較短，凝固過(guò)程伴隨著傳熱和凝固殼的變形相互作用，鑄 件的傳熱屬于有內(nèi)熱源的瞬間傳熱問(wèn)題，導(dǎo)致了研究問(wèn)題的復(fù)雜性；對(duì)界面氣隙的形 成缺乏根本的認(rèn)識(shí)，界面壓力的變化及界面氣隙的形成改變了凝固殼表面的傳熱條件， 從而

10、影響了型腔內(nèi)的溫度場(chǎng)。為此，Alfred等研究出一種計(jì)算鑄件/模具界面氣隙的數(shù)學(xué) 模型，模型考慮了工藝參數(shù)如壓力和模具溫度對(duì)氣隙形成的影響，并認(rèn)為壓力的增大促 使了界面換熱的快速進(jìn)行。朱維等綜合考慮了受涂料、界面壓力、氣隙等因素對(duì)界面換 熱的影響，從而得出了求解等效界面換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。李敏華等在對(duì)擠壓鑄造舵面 得充型過(guò)程數(shù)值模擬研究中，首次建立了熱交換系數(shù)的估算模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)際結(jié)果和 模擬充型的結(jié)果相符合。1.5 低壓鑄造對(duì)于低壓鑄造過(guò)程，由于模具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，鑄造過(guò)程中邊界條件復(fù)雜多變，所以 對(duì)邊界換熱研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)對(duì)低壓鑄造復(fù)雜的邊界換熱進(jìn)行了全面的研究，建立了 引入冷卻介質(zhì)模型

11、塊的立體計(jì)算模型，根據(jù)傳熱計(jì)算中的節(jié)點(diǎn)分布位置，詳細(xì)分析了各 種不同的傳熱計(jì)算方式。并運(yùn)用上述方法處理?yè)Q熱情況，可以比較精確地模擬鑄件的凝 固過(guò)程。1.6 消失模鑄造金屬液-模樣界面上發(fā)生的復(fù)雜傳熱現(xiàn)象對(duì)鑄件的凝固方式具有重要的影響。目前,國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)不抽真空時(shí)鋁合金、鑄鐵充型凝固過(guò)程中的傳熱、凝固特性做了大量 的研究。YangJf巴金屬/模樣界面處受金屬液熱作用的模樣分為熱解區(qū)和 TA （Thermal Affected Zone ,即已受液態(tài)金屬熱作用的影響但未熱解的模樣區(qū)域）。Pan ENt義了在 液態(tài)金屬前沿的特征激冷區(qū)，在該區(qū)內(nèi)金屬液與模樣進(jìn)行熱交換。文獻(xiàn)根據(jù)實(shí)測(cè)的冷卻 曲線數(shù)據(jù)，開發(fā)了采用有限元法通過(guò)求解逆向傳熱問(wèn)題來(lái)估計(jì)金屬-模樣界面換熱系數(shù)的方法h,這一空隙的存在大大降低了金屬/模樣界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。國(guó)內(nèi)學(xué)者