A356/H13钢热力耦合界面换热系数的稳态法测量研究

摘要

铸造过程中，铸件的冷却速度在很大程度上决定了铸件质量，而铸件的冷却过程是热流经过铸件向铸型传递并最终传递给周围介质的过程，因此铸件-铸型界面的热量传递在很大程度上决定着铸件的冷却速度。而数值模拟仿真软件中，要对铸件数学模型进行精确的模拟必须设置正确的材料物性参数、初始条件及边界条件等，换热系数作为边界条件中的重要系数，其设置的正确与否直接关系到数值模拟的精度。铸件-铸型界面换热系数定义为铸件-铸型界面热阻的倒数，它是影响界面换热诸多因素的综合体现。而铸件-铸型界面可以分为铸件-铸型外界面和存在模具型芯时的铸件-铸型内界面，由于两个界面换热条件的不同导致两个界面的研究也不相同。外界面随着凝固的进行产生小间隙，而内界面处受到铸件收缩包紧力而处于热力耦合条件下。
　　 为了对铸件-铸型的界面换热机理有全面深入的了解，有必要对铸件-铸型内界面的换热系数进行研究。采用稳态法和电测法相结合的实验方法，以铸件-铸型界面处受热力耦合作用为切入点，在对换热理论熟悉的基础上设计了一套具有良好增力效果并能测量界面在热力耦合条件下换热系数的实验装置；在此基础上研究分析了A356和H13模具钢在热力耦合下的界面换热系数影响因素及影响规律。深入探讨了热力耦合条件下界面换热机理。本课题的研究工作主要有以下几方面：
　　 ①对铸件-铸型界面换热系数国内外研究现状进行综述，对铸件-铸型界面换热系数研究的基本观点和研究方法作归纳总结，对内界面的换热机理作详细的分析研究。
　　 ②研究铸件处于凝固状态下的铸件-铸型内界面换热系数变化规律。
　　 ③在对界面换热因素及机理有一定认识的基础上，自行设计了一套可用于测量铸件-铸型热力耦合条件下的界面换热系数实验装置，重点考察了温度(包括温差)和界面载荷及相关影响因素对界面换热的影响机理。
　　 ④在单边控温条件下对界面换热系数进行了研究，发现温差对界面换热存在很大影响，为了剔除温差因素的影响，提出并设计了双边控温试验，对铸件、铸型温度分别控制，达到对凝固过程的控制效果。
　　 ⑤在双边控温条件下，研究了温度(包括温差)、界面载荷等对界面换热系数的影响规律，并深入探讨了界面的传热机理。
　　 对铸件-铸型热力耦合下换热系数的研究得到如下结论：
　　 ①温度对铸件-铸型界面换热系数的影响不仅体现在温度高低上，也体现在界面温差的大小上。温差一定时，界面换热系数随着界面温度的升高而增大，但并不是呈线性关系；铸件温度一定时，界面换热系数随着界面温差的增大而减小，两者成反比例关系。
　　 ②界面换热系数随着界面载荷的增加而增大，但两者并不是成线性关系；在低载荷区域，界面换热系数随载荷变化的敏感性较高，随着载荷的增大，二者之间的敏感性下降，出现了明显的“拐点”现象；随着界面温度的升高，“拐点”左移，达到“拐点”所需的界面载荷减小。
　　 ③对试验后试样的表面粗糙度进行检测，发现铸件试样表面Ra值随着温度和界面载荷的增大而减小，说明粗糙度对界面换热是有影响的。