凝固過程中鑄件鑄型界面換熱的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、凝固過程中鑄件/鑄型界面換熱的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀趙建華，張恒(重慶大學材料科學與工程學院，重慶，400044 )摘要：鑄件/鑄型界面熱交換作為影響凝固過程的重要因素和計算機凝固模擬必備的邊界 條件愈來愈引起人們的關(guān)注并進行研究。本文綜述了在鑄件凝固過程中對于幾種不同鑄 造方法，其鑄件/鑄型界面熱交換的國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀，并對界面熱交換進行了總結(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)鍵問題之一。而實現(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非常復雜的現(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程數(shù)值模擬的重點 和難點。它在微觀上同時存在著金屬與鑄型的接觸導熱、金屬與鑄型間隙中氣體的導熱 以及表面間的熱輻射等。實際中，主要通過引入金屬/鑄型界面換熱系數(shù)h來處理這種換 熱條件，其邊界條件的表達式為：_/-1 .= h(Twi -Tw2 )18n 7wi其中，一鑄件材料的導熱系數(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國內(nèi)外對界面換熱的研究方法一般是先實測間隙或溫度，然后計算出界面換熱參數(shù)，進而將這些參數(shù)直接或作些處理后應用于其他鑄件的凝固模擬。本文作

3、者將介紹鑄造凝固過程中界面換熱的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的一些問題，使我們對界面換熱有一個清 晰、系統(tǒng)的認識，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 砂型鑄造對于砂型鑄造來說，由于砂型較低的導熱率、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)的確定一般是通過實驗測試的溫度數(shù)據(jù)與傳熱的數(shù)值模擬結(jié)合起來 進行反問題的數(shù)值計算，從而建立起各種條件下的換熱系數(shù)與時間的關(guān)系曲線，砂型鑄 造時在冷鐵（金屬型）與鑄件的界面也會產(chǎn)生間隙。馮可芹等指出鑄件的凝固過程由砂 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，整個系統(tǒng)的界面相當于

4、鑄件/金屬型和鑄件/砂型兩者的復合界面。李德林 等詳細的研究端部冷鐵的界面氣隙及界面換熱問題，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行，使 h下降。臺灣的孫憲琪等人使用了總 容量計算法求得界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平均值，可進而求得多段時間間隔的平均界面?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)，以利于鑄造凝固過程的傳熱分析。1.2 金屬型鑄造對于金屬型鑄造來說，情況與砂型鑄造則截然相反，由于金屬材料較好的導熱性， 大多數(shù)合金在金屬型中凝固時，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)生相對移動的結(jié)果，這些間隙的產(chǎn)生往往成為影響鑄件凝固過程的重要因 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，只是各自的導熱系數(shù)和比熱不同，其結(jié)果使計算造成較大的誤差。文獻考慮了 凝固過程間隙形成的影響，提出了用界面熱阻來描述間隙形成對界面?zhèn)鳠徇^程的影響，通過調(diào)整界面熱阻，使界面?zhèn)鳠岣咏鼘嶋H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 隙分離，同時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)進行處理，實驗 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，然而在實際計算過程中，由于影 響界面氣隙的因素很多且復雜，導致氣隙寬度難以準確測定。郝守衛(wèi)在研究球鐵 /金屬 型界面時發(fā)現(xiàn)，由于石墨化膨脹的影響，鑄件 /鑄型之間不會產(chǎn)生氣隙，同時界面換熱 系數(shù)是隨時間增長而逐步上升的?？紤]到氨氣的熱導率約是空氣的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/鑄型界面注入氮氣，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與理論分析

7、一致。文獻最近 詳細地研究了鋁合金鑄件/鑄型的間隙中注入氨氣對間隙形成的影響。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，粗糙度增加將會使界面換熱系數(shù)減??；提高金屬澆注溫度會使流動性增強， 導致邊界換熱系數(shù)增加。Reddy , A.V等研究了合金成分對界面換熱系數(shù)的影響。最近，隨著人們對界面換熱的認識不斷加深，S.Arunkumar等人研究了在充型時鑄件/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，這樣更能與實際情況吻合。1.3 高壓鑄造研究人員對普通鑄造過程鑄件/鑄型界面換熱行為的研究，已經(jīng)做了大量的工作， 但是針對壓鑄過程界面換熱行為的研究卻進行的較少。Nelson、Hong以及Papai等進行了早期的關(guān)于壓鑄過程界面換熱行為的研究，在實際的壓鑄機上進行了相關(guān)的實驗， 求解了壓鑄過程鑄件/鑄型的界面換熱系數(shù)。Dour等在實際的壓鑄機上進行了相關(guān)的實 驗研究，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)研究并沒有考慮金屬材料對換熱系數(shù)的影響，同時，對于工藝參數(shù)的影響討論上也只局限在鑄件的一個位置上，并沒有

9、分析鑄件不同位置下?lián)Q熱系數(shù)的區(qū)別。 針對以上問 題，國內(nèi)學者郭志鵬等在對壓鑄過程中鑄件/鑄型界面換熱系數(shù)研究中，首次設(shè)計了 “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)品品種越來越多，但是專門從事擠壓鑄造界面換熱的研究少見報道，其原 因有：整個凝固過程時間比較短，凝固過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)熱源的瞬間傳熱問題，導致了研究問題的復雜性；對界面氣隙的形 成缺乏根本的認識，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。為此，Alfred等研究出一種計算鑄件/模具界面氣隙的數(shù)學 模型，模型考慮了工藝參數(shù)如壓力和模具溫度對氣隙形成的影響，并認為壓力的增大促 使了界面換熱的快速進行。朱維等綜合考慮了受涂料、界面壓力、氣隙等因素對界面換 熱的影響，從而得出了求解等效界面換熱系數(shù)的經(jīng)驗公式。李敏華等在對擠壓鑄造舵面 得充型過程數(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)實際結(jié)果和 模擬充型的結(jié)果相符合。1.5 低壓鑄造對于低壓鑄造過程，由于模具結(jié)構(gòu)比較復雜，鑄造過程中邊界條件復雜多變，所以 對邊界換熱研究相對較少。文獻對低壓鑄造復雜的邊界換熱進行了全面的研究，建立了 引入冷卻介質(zhì)模型

11、塊的立體計算模型，根據(jù)傳熱計算中的節(jié)點分布位置，詳細分析了各 種不同的傳熱計算方式。并運用上述方法處理換熱情況，可以比較精確地模擬鑄件的凝 固過程。1.6 消失模鑄造金屬液-模樣界面上發(fā)生的復雜傳熱現(xiàn)象對鑄件的凝固方式具有重要的影響。目前,國內(nèi)外的研究者對不抽真空時鋁合金、鑄鐵充型凝固過程中的傳熱、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)金屬液與模樣進行熱交換。文獻根據(jù)實測的冷卻 曲線數(shù)據(jù)，開發(fā)了采用有限元法通過求解逆向傳熱問題來估計金屬-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)。國內(nèi)學者