铝合金高压铸造过程铸件与铸型间的界面热交换系数的研究
高压铸造工艺对铝合金力学性能的影响
高压铸造工艺对铝合金力学性能的影响高压铸造工艺对铝合金力学性能的影响高压铸造是一种常见的金属加工工艺，被广泛应用于铝合金的生产中。
本文将从步骤性思维的角度，探讨高压铸造工艺对铝合金力学性能的影响。
第一步，我们需要了解高压铸造工艺的基本原理。
高压铸造是一种通过施加高压力将熔融金属迫使进入模具中的工艺。
在铝合金的高压铸造过程中，铝合金被加热至熔点，并通过高压力被迫充满模具的空腔。
随后，熔融金属在模具中冷却和凝固，形成所需的铝合金零件。
第二步，我们需要了解高压铸造工艺对铝合金的力学性能产生的影响。
高压铸造能够显著提高铝合金的密度和结晶度。
由于高压铸造的施加压力，铝合金的晶粒在凝固过程中更加致密，晶格结构更加紧密。
这导致铝合金的强度和硬度得到提高，从而使其在应力下更加耐久和稳定。
第三步，我们需要考虑高压铸造工艺对铝合金晶粒大小的影响。
研究表明，高压铸造能够显著减小铝合金的晶粒尺寸。
较小的晶粒尺寸意味着晶界面更多，这可以有效阻止位错和晶界滑移的传播。
因此，高压铸造后的铝合金具有更好的抗变形性能和抗疲劳性能。
第四步，我们需要考虑高压铸造工艺对铝合金中夹杂物的影响。
夹杂物是指在金属中存在的非金属颗粒或气泡。
高压铸造能够通过迫使夹杂物沉积或排列在铝合金的特定区域，从而减少夹杂物的数量和尺寸。
这样可以减小夹杂物对铝合金的强度和韧性的负面影响，提高其整体力学性能。
综上所述，高压铸造工艺对铝合金的力学性能有着显著的影响。
通过高压铸造，铝合金的密度和结晶度得到提高，强度和硬度增加。
此外，高压铸造还能够减小铝合金的晶粒尺寸，改善其抗变形性能和抗疲劳性能。
同时，高压铸造还能够减少铝合金中的夹杂物数量和尺寸，提高其整体力学性能。
因此，高压铸造工艺是一种有效改善铝合金力学性能的加工方法。
铸铝ZL101与树脂砂型之间等效换热系数的数值模拟
铸铝Z L101 与树脂砂型之间等效换热系数的数值模拟薛祥, 周彼德, 蔺克亮(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院, 黑龙江哈尔滨150001)摘要: 采用Z L01 铝合金作为成型材料,用呋喃树脂砂作为造型材料.采用24 通道的数据采集系统采集了铸件凝固与冷却过程中铸型、铸件内和铸件表面温度与时间的变化规律.从而为等效换热系数的反问题数值计算提供了第一手的数据.对两平板铸件进行了换热反问题的计算,其结果得出了两板件上下表面的等效换热系数K E 与时间的变化关系.可以看出等效换热系数在凝固刚开始时达到一个峰值,而后逐渐减小,并且其大小与铸件的横截面积有关,这些为今后数值模拟中确定等效热交换系数K E 提供了科学的计算数据.关键词: 换热系数; 传热反问题; 非线性估计法文章编号: 100520299 (2001) 022*******中图分类号: TG248 文献标识码:AN umerical simu lation of equivalent heat transfer coeff i cient bet w een ca s t al u minum all oy Z L101 and f uran resin sand mol dXUE Xiang , ZH OU Bi2de , L I N K e2liang( S chool of Materials S cience and Eng ineering , Harbin Institu te of Technolog y , Harb in 150001 , C hina)Abstract : In this study the aluminum all oy Z L101 was used as the casting m aterial and the furan resin sand was used as the m old m aterial . During the casting process , a 24 - channel com puter data acquisiti on system was used t o collect the tem perature values of the m olds , the castings and the surfaces of castings at di fferent tim es , which give the first - hand data for the inverse calculati on. Based on the software system , the tem perature values of tw o thick plane castings during solidi ficati on and cooling process were calculated and the values of equivalent heat transfer co2 efficient K E on the upper and l ower surfaces of the castings under di fferent tem peratures have also been com puted through sim ulati on. The diagram gives out the relati onship between K E and T . At the beginning of solidificati on , the K E reaches a peak value and then gradually decreases. The peak value is related to the cross secti on area of the castings. These results are helpful to understand the equivalent heat transfer coefficient during casting process and can play the role of a base for simulati on process.K ey w or d s : equivalent heat transfer coefficient ; inverse heat transfer problem ; num erical simulati on ; nonlinear es2 tim ati on technique在应用计算机模拟金属凝固热传输的研究中,铸件/ 铸型(冷铁) 界面换热条件的处理极大地影响了整个模拟结果,为此人们对铸件/ 铸型( 冷铁) 界面进行了研究,并提出了一些计算界面换热系数的方法 1 ～3 . 铸件/ 铸型界面上的传热是一个非常复杂的过程,在许多的情况下,界面换热往往是整个系统传热的关键. 大多数合金凝固时在铸件和铸型之间要形成气隙,因此引起界面热阻的变化,成为影响铸件凝固过程的重要因素1 . 尽管已有许多的学者在这方面作了研究,但至今仍没有一种令人满意的方法来确定界面热交换系数( K E) 值的大小4 . 可以看出对铸件进行凝固过程数值模拟时必须解决铸件与铸型之间的界面热交换问题. 但影响界面热交换的因素很多,例如铸件材质、几何形状、尺寸大小、凝固初始条件等. 界收稿日期: 2000 - 12 - 19 .作者简介: 薛祥(1961 - ) ,男,副教授,博士.第 2 期薛 祥 ,等 :铸铝 Z L101 与树脂砂型之间等效换热系数的数值模拟·207 ·1 .2 数据采集系统采用的温度测试装臵为 24 通道数据采集系 统 ,它可进行最多 24 点的连续采集 ,最近两点采 集时间间隔为 0 . 04 s.1 . 3 热电偶的排布考虑到整个铸件和铸型是一个很大的平面 , 在平面中心附近选了两个比较靠近的两点 ,这两 点代表其平面内的各点温度 . 为了能够在铸件及 铸型中方便的安装热电偶及准确的测量出热电偶 热点 的 位 臵 , 本 实 验 采 用 事 先 制 作 的 75 mm ×75 mm ×100 mm 砂块 ,把热电偶放在一个砂块中 ,水平与垂直方向共放臵 4 个热电偶 ,其摆放方式 如图 2 所示. 在随后的造型中把砂块先与模具贴 实后造型 ,就可以把砂快和砂型连为一体. 热电偶 直径为 0 . 2 mm ,为了增大敏感系数 ,铸型中热电 偶应尽可能的靠近铸件表面 . 将热电偶植入离铸 件表面几毫米的地方 ,只有利用上述方法才有效 . 在安装砂块的表 面 形 状 必 须 同 铸 件 的 轮 廓 相 符 合 . 本实验所测铸件是一个简单的平板状 ,所以它 的表面只需平面即可 . 砂块与铸型的材料相同 . 水 平热电偶在制造砂块的过程中放入离表面适当深 度的位臵 ,其竖直的两个热电偶在树脂砂没有变 硬之前先行插入.1 . 4 铸件表面温度测量为了能够精确的测量出平板表面的温度 ,首 先采用一个简单 的 双 点 热 电 偶 并 把 它 装 在 砂 块 中 . 从图 2 的侧视图 1 中看到 :一个热电偶是测量 铸件内部的温度的 ,而另一个热电偶是头部断开 的 (双点热电偶) ,是为了测量液面处的温度值. 其 原理可以用“中间金属定律”来解释7 ,8 ,11 . 本文把两个热电偶线 插 入 到 铸 型 型 腔 中 来 实 现 一 个 双 点热电偶 ,其尺寸如图2所示 . 当砂块装入铸面换热系数是一个综合反映这些因素随凝固过程 变化的参数 . 所以换热系数是一个十分难于把握的参数 ,但是它对铸件质量的影响十分巨大 ,因此 迫切需要解决此问题 .本文将通过实验测试的温度数据与传热的数 值模拟结合起来进行反问题的数值计算 ,从而建 立起各种条件下的换热系数与时间的关系曲线 , 该曲线能清晰的反映出不同条件 、不同时间的换 热系数 ( K E ) 的计算值 5 ～9证 .,并将此值经过实验验1 实验及数值计算方法1. 1 实验铸件铸造工艺本文所计算的铸件是平板铝合金铸件 ,合金 牌号为 Z L101 . 其尺寸分别为 200 mm ×200 mm ×25 mm 和 200 mm ×200 mm ×6 . 5 mm. 造型材料为 自硬呋喃树脂砂 . 原砂为 70/ 120 # 的 水 洗 硅 砂 , 呋喃树脂 ,粘接剂的加入量为原砂的 1 % ( 质量分 数) ,铸型系统如图 1 所示.图 1 铸型系统剖面图Fig. 1 S ection of pouring system图 2 电偶位臵尺寸图Fig. 2 Diag ram of location and d imension of therm ocou ples therm ocou ples中后 ,将这两个热电偶线伸入型腔中 . 熔化金属浇 注到型腔中时电流接通 ,所测得的温度是表面的 平均温度 ,其温度是第一个接触点的温度 ,伸入到平板中的电偶线对温度没有影响 . 1. 5 计算等效换热系数的数学模型K E 是一个时间函数. 它可以通过铸件凝固过·208 ·材 料 科 学 与 工 艺 第 9 卷程中实 测 铸 件 和 铸 型 内 部 温 度 变 化 的 一 系 列 数 值 ,用非线性估计法和数值法求解得到 . 非线性估 计法的 关 键 是 如 何 使 下 式 表 示 的 函 数 取 最 小 的 值 .根 据 前 面 的 数 值 模 型 及 其 一 系 列 的 约 束 条 件 ,本文应用 VC + + 可视化编程语言和面向对象 的编程技术对 C AS M - 3D 系统进行了补增 ,采用 非线性估计法为 C AS M - 3D 系统添加了等效换热 系数计算的功能. 尤其在界面处理方面做了大量 的工作 ,能够模拟出换热系数与时间的关系曲线 , 同时对 C AS M - 3D 系统在软件的可用性 、集成性 、 界面友好等方面做了一定的工作 . 从而进一步完 善了 C AS M - 3D 系统的功能. 选择了三点的温度 与时间关系曲线表示如图 3 和图 4 .n nT mij ]2f ( K E ) =∑∑[ T ij ( K E ) - i = 1 j = 1式中 : T mij 为 i 点 j 时刻的实测温度 , ℃; T ij ( K E ) 为 i 点 j 时刻的计算温度. ℃T ij ( K E ) ≈ T ij ( K E 1) + T ′i ΔjK E 1 +1 5 T ij ( K E )T ′i j =5 E 13 模拟结果及分析计算过程是以实验数据为基础进行的. 其吻 通过用非线性估计法 ,求出等效换热系数在 随时间变化时 ,一时间段内变化值与前时间段的 比值 . 当 小 于 一 个 规 定 的 小 数 时 就 可 以 确 定合程度与所选的限定小数 ( E ) 有关. 计算数据与 实验数据其吻合程度越好 , 其计算出来的等效换 热系数就越能代表各种影响因素 . 所以在计算时尽可能取 E 为一个非常小的数 . 但是这是以牺牲 计算时间为代价的 , 不过这样可以使计算的精度 大大的提高 . 而本文所计算的只是一个等效换热 系数与时间的一个关系 , 精度只要满足工业生产 的精度就可以了. 所以本文所采用的 E 取 0. 005.平板件几何形状非常简单 ,但其凝固及冷却 过程中的界面处的等效换热系数变化十分复杂 . 本文研究平板铝合金件凝固及冷却过程中界面处 等效换热系数的变化 ,是具有一定代表性的 . 铸件 材质为 Z L101 . 铸型为树脂砂 (1 % (质量分数) 呋喃 树脂) ,其热物性参数为模拟前确定. 剖分后网格 单元总数为 281 250 个 ,25 mm 厚板铸件单元 2 250 个 ,网格尺寸为 4 mm ×4 mm ×4 mm. 6 . 5 mm 厚板 铸件 单 元 数 为 750 , 网 格 尺 寸 为 4 mm ×4 mm ×2 mm ,铸型初始 温 度 为 18 ℃( 薄 板) 和 15 ℃( 厚 板) . 厚板件金属浇注温度为 690 ℃,薄板件的浇注温度为 716 ℃,铸型的初始温度都为 15 ℃,浇 口杯始终为充满状态 . 图 5 给出通过逆算法与非 线性估计法相结合而算出的两不同厚度的平板界面自等效换热系数与时间的关系 ,在其它的图中 给出放臵热电偶的点上的实测温度值与计算值的 比较 ,可以看出其吻合程度很好 ,精度也很高 .通过对计算模拟出来的等效换热系数与时间 的关系图分析可以得出金属液刚浇入型腔时 K E 迅速达到一个峰值 . 这是由于刚浇入时金属液与 铸 型表面具有良好固液接触所致 . 在图5 ( a ) 中换 热系数值 大 约 在 50 ～ 150 W/ m 2 ·℃的 范 围 之 内 . 在刚刚浇入后达到峰值 ,接下来后上下表面的换 热 系数产生一致的衰减 . 在图5 ( b ) 中换热系数值K El 4 ,5.nm∑∑[ T mij -T ij ( K E 1) ] T ′i ji = 1 j = 1ΔK E 1 =nm∑∑( T ′i j) 2i = 1 j = 1将上式用台劳级数展开 ,通过迭代过程使其 最小 . 迭代从估计一个 K E 1 开始. 对 I = 0 , 逐渐增 加迭代次数 , 直到Δ K E 1/ K E 1 < E ( E 为一个有限小的数) 便认为满足要求 , 可以转入下一个时间间隔 的 的 K E . 依次求出各时刻的 K E , 绘制出各种条件下 K E - t 的关系曲线 .2 实验结果的数据处理通过对数据进行分析可以得出 : 铸件的上下 表面的温度是一致的 . 在某些点处因为外界因素 的影响 ,可能造成一点差别. 但可以看出在铸型中 的热电偶所测出的数据有着很大的差别 . 在实验 准备时 ,热电偶埋在铸型中的深度是相同的. 但在 铸件冷却后 ,对铸型进行挖掘发现 ,埋在铸型中的 热电偶与铸件的距离发生了变化 . 其变化的具体 数据如表 1 所示 ,从中可以看出下铸型中的热电 偶位臵变化较大 ,而上铸型中的热电偶的位臵变 化较小.表 1 浇注前后铸型中热电偶位置变化T a b le1 Location chang es of thermocoup les after pouring25 mm 厚板 6. 5 mm 厚板型 体上型下型上型下型浇注前 浇注后5 57 85 77 95 57 95 67 7第 2 期薛 祥 ,等 :铸铝 Z L101 与树脂砂型之间等效换热系数的数值模拟·209 ·图 3 6. 5 mm 薄板铸件各点温度测量数值(a) 上表面 ( b ) 下表面(c) 铸件内 ( d ) 铸型中Measured resu lts of temperatures at d ifferen t points for the plane w ith 6. 5 mm thicknessFig. 3 图 4 25 mm 厚板件铸件温度测量数值(a) 上下表面 ( b ) 铸件内 (c) 铸型内Fig. 4 Measured resu lts of temperatures at d ifferen t p oints for theplane w ith 25 mm thickness为 50～300W/ m 2·℃,并且底部的换热系数值一直很高 ,这是由于下表面上的由于重力等原因使热 接触点 比 上 表 面 的 接 触 情 况 好 . 可 以 看 出 在 达 到 峰值后其值迅速下降 ,这是由于从固液接触转·210 ·材 料 科 学 与 工 艺 第 9 卷为固固接触和固液接触 . 从图 5 ( b ) 中还可以看出 上界面处的换热系数在 600 s 处有一个峰值 ,这表 明了平板铸件和铸型之间的热接触点的相对增加 了 . 上表面的热交换系数在达到一个峰值后马上 降到了一个比较平稳的值 ,这可能是由于处于上 表面与铸型间形成较明显的气隙所致 .分析图 5 可以明显的看出试样的截面尺寸及 位臵对换热系数有重要的影响 ,25 mm 厚的铸件 的下表面的换热系数近似是 6 . 5 mm 厚铸件的换 热系数的两倍 ,这一结果与国外的相关报导相同 .4 结 论(1) 采用逆算法与非线性估计法作为基础 .对界面处等效换热系数进行模拟计算. 得出界面 处等效换热系数与时间的关系图 ;(2) 分析了计算模拟结果所得出的曲线. 发 现界面换热系数与铸件的截面尺寸有着十分密切 的关系 ,随着界面尺寸的增加 ,其等效换热系数加 大 .参考文献 :1WOODBURY K A , CHEN Y , PARKER J K , et al . Mea 2 surement of heat 2trans fer coefficien ts b etw een Al castings and resin 2b on d ed M olds J . AFS Transactions , 1998 , (116) : 7052711. 程 军 , 柳百成 . 铸件 - 铸型界面热交换参数的通 用化处理 J .铸造 , 1991 , (2) : 22225.2 3 李德林 , 周尧和 . 铸件/ 冷铁界面换热研究 J . 属科学与工艺 , 1990 , (6) : 53257.金4 高尚书 . 计算机技术及其在铸造行业中的应用 J . 铸造 , 1995 , (6) : 31237.曾松岩 , 王深强 , 蒋祖令 , 等 . 铸件物性值的测定方 法及计算机辅助校正 J . 铸造 , 1989 , (5) : 16221.佟天夫 , 张大辉 . 熔模铸造金属与型壳界面作用的研究 J .铸造 , 1993 , (2) : 126.HO , K , PEH L KE R D. Transient m ethods for d etermina 2 tion of metal 2m old interfacial heat trans fer J . AFS Trans 2 actions , 1983 , (80) : 6892698.HO K , PEH L K E R D. Mechanisms of heat trans fer at a metal 2m old interface J . AFS Transactions , 1984 , (61) : 5872597.袁浩扬 , 闵光国 , 林汉同 , 等 . 凝固模拟中实用三维 几何造型方法的研究 J . 铸造 , 1994 , (2) : 8211. 第五十届国际铸造会议论文摘要 . 铸造 . 1984 : 45248.(责任编辑 张积滨)5 6 78 图 5 界面等效热交换系数与时间变化关系(a ) 6. 5 mm 厚板件( b ) 25 mm 厚板件9 Fig. 5Relationship b etw een equ ivalent heat trans fer coefficientand time10。
铸造铝合金铸件的热处理研究
铸造铝合金铸件的热处理研究摘要：与钢铁材料比较，铸造铝合金兼具体积质量较小、强度较高、抗腐蚀性强、切削加工性能好等优点，很多产品为了缩减重量、提升性能，逐渐开始重视对锻造铝合金的利用，而其需要经过热处理获得所需机械性能。
本文主要针对热处理过程中所造成变形及其工艺改进措施进行了简要分析。
关键词：铝合金铸件热处理变形大型铝合金铸件由于尺寸较大，形状较为复杂，热处理过程有着显著的复杂性与特殊性，非常容易出现机械性能不良、变形等缺陷问题。
现有机械设备与工艺条件之下，铝合金铸件经过热处理后的合格率通常较低，这也成为了影响生产效益的主要问题。
怎样充分明确铸造铝合金铸件的热处理原理，并采取具有针对性的措施进行改进，值得我们深思。
1、铸造铝合金铸件热处理工艺分析在针对铝合金铸件进行热处理加热和冷却的过程中，因为会出现热应力及组织应力，会无法避免的出现变形情况。
而在现实生产中，对于热处理变形的控制主要是以确保机械加工作为基准，主要目标在于使热处理变形量被控制于预留机械加工余量的范围之内。
在加工余量确定的条件下，经热处理所造成的最大变形量不应该大于加工余量，才可以确保零件机械加工过程的有序开展。
为缩减大型铝合金铸件在热处理过程所产生的变形，需要针对影响变形量的各类要素进行综合分析，并利用大型铝合金时效炉和固熔炉，作具有针对性的优化处理。
某厂原铸造铝合金热处理工艺规范如表一所示。
表一铸造铝合金热处理工艺规范2、铸造铝合金铸件热处理工艺改进措施2.1热处理工艺参数与铸造铝合金有关的工艺参数主要包括保温时间、固溶温度以及时效温度等，均会直接影响到铸件的实际机械性能。
如果温度越高，其中强化元素的溶解速度也就越快，实际数量越多，所获得的强化效果越好。
一般情况下，针对铸造铝合金进行固溶处理加热的温度依然接近于固相线温度，其实际可调节范围较窄。
如果提升温度，非常容易导致低熔点共晶融化出现过热及过烧情况；而缩减温度，会对固溶效果产生影响。
铸型界面换热行为的研究II. 工艺参数对界面换热的影响
Manuscript received 2007{02{01, in revised form 2007{05{31
Correspondent: XIONG Shoumei, professor, Tel: (010) 62773793, E-mail: smxiong@ Supported by Korea Institute of Industrial Technology (No.20063000196), National Natural Science Foundation of China (No.50675114) and National Basic Research Program of China (No.2005CB724105)
GUO Zhipeng, XIONG Shoumei CHO Sang{Hyun, CHOI Jeong{Kil
Advanced Material R & D Center, Korean Institute of Industrial Technology, Inchon, Korea Tsinghua{Toyo R&D Center of Mg&Al Alloys Processing Technology, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084
Z ; ),^9g`@ 20063000196 O,,_ cg yN{`@ 50675114 U,_SpNP; 6\D `@ 2005CB724105 `X cL nR : 2007{02{01, cr nR : 2007{05{31 g8bw : *GN B 1981 I -
高压铸造铝合金铸件的热处理
高压铸造铝合金铸件的热处理发布时间：2021-07-31T03:22:56.227Z 来源：《新型城镇化》2021年9期作者：徐华杨[导读] 因此在对其进行铸造加工时，比较容易出现疏松、裂纹和偏析等各种铸造缺陷。
扬州凯翔精铸科技有限公司江苏扬州 225800摘要：随着时代的进步和科技技术的发展，高强度铝合金的铸造工艺技术也同时受益于这一时代发展的趋势，越来越多的新技术理论被探索出来，有助于高强度铝合金的铸造技术工艺技巧和铸造技术的进步与完善，提高了高强度铝合金铸造工作的效率以及高强度铝合金铸造的质量。
关键词：高强度铝合金；铸造工艺；热处理工艺1基本特点以 ZL205A 为代表的高强度铝合金材料，其最主要的特点便体现在强度较高，通常其硬度值不低于 100HBS，抗拉强度在 440MPa 以上，因此适用于对承受荷载要求较高的各种零件，包括汽车轮毂、飞机挂梁、导弹舵面等等。
此外受合金材料自身特性的影响，使得高强度铝合金材料的成分复杂度也相对较高，如 ZL205A 合金中的主要元素涉及铜、钛、铝以及锰等多种元素，其成分范围则相对较窄，对控制杂质含量的要求并不高。
在 ZL205A 合金中，要求铁、硅与锌等杂质含量，分别不超 0.15%、0.06% 与 0.10%。
合金固液相温度之间有较宽间隔，这也导致相较于普通铝硅合金材料，高强度铝铜合金普遍缺乏良好的流动性与致密性，具有较大收缩率和热裂倾向，因此在对其进行铸造加工时，比较容易出现疏松、裂纹和偏析等各种铸造缺陷。
2处理工艺中存在的问题在进行高强度铝合金热处理工艺设计时，相关工作人员充分立足实际，并严格遵循国家相关规定要求，制定出科学合理的热处理工艺方案，对各项相关工艺参数进行统一明确，从而为之后的高强度铝合金热处理奠定坚实基础。
一般情况下，在对高强度铝合金进行热处理时，工件的保温时间应当在 9~20h，并依照实际情况合理选用冷却方式，在工件完成固溶处理后及时对其进行冷却。
铝合金压铸过程铸件／铸型界面换热行为的研究 Ⅰ.实验研究和界面换热系数求解
Ｃ ｒｅｐ ｎ ｅ ｔ ｏ ｒｓ ｏ ｄ ｎ ：ＸＩ ＯＮＧ ｈ ｕ ｉｐ ｏｅ ｓ ｒ Ｓ ｏ ｍｅ， ｒｆ ｓｏ ， ｆ Ｏ Ｄ６ ７ ３９ ， ｍａｌ ｍｘｏ ｇ ｓｎ ｈ ａ ｅ ｕｃ （ｌ ）２ ７７ ３ 口 ｉ ：ｓ ｉ ｎ ＠ｔｉｇ ｕ ．ｄ ．ｎ
Ｓ ｐ ｏｔ ｙＫｏｅ ｎｔ ｕｅｏ Ｉｄ ｓｒａ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ（０６００９ ）Ｎａｉｎ ｌ ａｕａ Ｓ ｉ ｃ ｏ ｎ ａ ｕｐ ｒｅ ｂ ｒａＩｓｉ ｔ ｌ ｎ ｕ ｔ ｌ ｅｈ ｏｏ ２０３０１６， ｔ ａ Ｎ ｔｒｌ ｃｅ ｅ ｕ ｄ — ｄ ａ ｓｃＲｅ ｅ ｒｈＰｒ ａ ｏ ｈ ｎ ２０ Ｃ ７４ ０ ｉ ｎ ｏ ｈ ｎ ５ ６５ １ ）ａ ｄ Ｎｎｉｎ ｌ Ｂａ ｉ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｍ ｆＣ ｉ ａ ｆ ５ Ｂ ２ １ ５ ． ｑ ０ ）
Ｍ ａｎ ｃ ｉ ｅ ｅ ｖ ｄ ２ ０７ ２ ２， ｎ ｒ ｖｉｅ ｏ ｍ ０ ７ ５ １ ｕｓ ｒｐｔ ｒ ｃ ｉ ｅ ０ －０ —１ ｉ ｅ ｓ ｄ ｆ ｒ ２ ０ —０ —３
铸型之间的界面热流和换热系数峰值均减小，但是界面热流和换热系数较大值保持的时间则逐渐增大．
关键词 压铸，铝合金，界面换热系数
中图法分类号
Ｔ ２９２ Ｔ ９ Ｇ ４．， Ｇ２２
文献标识码 Ａ
文章编号
０１ － ９ １ ０７１－ １９ ０ ４ ２ １６ （ ０ ）１ １４ － ６ ２
ｓ ｕＤＹ Ｎ Ａ ＲＡＮｓ Ｅ ＨＡ ｏＲ Ａ Ｔ ／ Ｅ Ｔ ｏ ＨＥ Ｔ Ｔ Ｆ Ｒ ＢＥ ＶＩ Ｔ ＭＥ ＡＬ ＤＩ
维普资讯
第４ ３卷
第 １ 期 １
仓 扁 学 坂
ＡＣ ＴＡ ＥＴＡＬＬＵＲ ＧＩ Ｍ ＣＡ Ｉ Ｉ Ｓ Ｎ ＣＡ
薄壁铝合金压铸充型过程中铸件与铸型界面的换热行为
Abstract: The thinwall AlSi10MnMg aluminum alloy samples were prepared by high pressure die casting. The motion laws of pressshoot ram were recorded by a high speed camera system and the heat transfer coefficients between the casting and mold were calculated by the energy conservation equation. Therefore, the effects of different heat transfer coefficients on the simulated filling results were discussed. The results show that the filling fluidity length increases with the pouring temperature increasing; when the filling process is above the liquidus, the filling time and the heat transfer coefficient increase with the pouring temperature increasing. However, when the filling process is below the liquidus, the changes of the filling time and the heat transfer coefficient are insignificant. The simulations using the heat transfer coefficient which is calculated by the energy conservation equation are well consistent with the experimental results. Key words: thinwall aluminum alloy; high pressure die casting; filling process; heat transfer coefficient; simulation
高强度铝合金铸造与热处理技术研究
高强度铝合金铸造与热处理技术研究摘要与普通的铝合金进行对比，高强度铸造的铝合金具有非常高的强度以及防腐性能，在机械、汽车、航空、航天等领域中进行了非常广泛的应用。
现阶段，对高强度的铝合金的需求越来越高，对铝合金压铸工艺也提出了新的要求，需要对其进行大规模高效的生产，因此，探索铝合金高强度铸造和热处理工艺的优化途径成为了比较重要的工作。
关键词高强度；铝合金铸造；热处理技术；研究Research on casting and Heat treatment technology of High strength Aluminum alloyWang JinhuiTianjin New Wei San Industry Co., LTD., Tianjin 301701, ChinaCompared with ordinary aluminum alloy, high-strength cast aluminum alloy has very high strength and corrosion resistance, which is widely used in machinery, automobile, aviation, aerospace and other fields.At present, the demand for high-strength aluminum alloy is higher and higher, and new requirements for aluminum alloy die casting processare put forward, which requires large-scale and efficient production. Therefore, it is more important to explore the optimization way ofhigh-strength aluminum alloy casting and heat treatment process.Key words high strength; Aluminum alloy casting; Heat treatment technology; research引言铝合金具有轻质、耐腐蚀、导热等性能好、可塑性的优势，因此广泛应用于机械零件的生产。
高强度铝合金铸造及其热处理研究
高强度铝合金铸造及其热处理研究摘要：在科学技术不断发展过程中，高强度铝合金铸造工艺也越来越成熟，并衍生出多种新技术理论，促进高强度铝合金铸造工艺的完善与发展。
为进一步保证高强度铝合金铸造质量与效率，本文重点探究高强度铝合金的制造工艺和热处理方法，为相关技术人员提供一定参考。
关键词：高强度铝合金；铸造工艺；热处理前言：高强度铝合金铸件对铸造工艺和热处理方法有很大依附性，需要相关技术人员正确掌握高强度铝合金铸造工艺，结合铸件特点制定合理的铸造方案和热处理方案，在此基础上保证铸件性能与质量。
在对高强度铝合金进行铸造加工期间，要充分掌握铸件铸造提出的生产要求，优选合理、先进的铸造技术和热处理方法，保证铸件性能，并不断提升铸造工作效率。
1、高强度铝合金铸造与热处理技术流程1.1 坯料制备对高强度铝合金铸造而言，通常需要对铝合金材料采取熔化、精炼等措施，或者是通过真空熔炼方法进行熔炼，在铸造、轧制和锻造后完成成形处理。
这些方法实用性虽然很强，但是却有固溶度低、偏析严重等问题，影响了高强度铸造铝合金性能。
为解决这些缺陷，也开始应用快速凝固、单向凝固和粉末冶金等技术，但应用过程较为繁琐，投入较大，难以有效控制质量。
因为铝合金成分、喷射速度和沉积质量等存在差异，造成挤压温度、速度等也不一样，所以可以适当调整喷射速度、合金成分、挤压比等参数。
由于喷射成型偏析小、晶粒细化，可以保证铝合金固溶度更高，性能也将得到改善，是高强度铝合金铸造中常用方法。
1.2 退火通过退火，能够将铸造应力与机械加工期间形成的内应力去除，这样加工件形状、尺寸等更加稳定，促使Al-Si系合金的部分Si晶体球状化，从而有效改善合金塑性。
技术流程包括以下几点：提高铝合金铸件温度到280～300℃，保温2～3h，并与炉一起冷却到室温，这样固溶体开始被分解，将第二质点聚焦析出。
这样铸件内应力将被消除，不仅保证尺寸更加稳定，也能有效改善塑性，避免发生变形。
铝合金压铸过程铸件／铸型界面换热行为的研究 Ⅱ.工艺参数对界面换热的影响
Ｉ． Ｉ Ｅ ｃ ｆＰｒ ｃ ｓ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓ ｏ ｈ ｎ ｅ ｆ ｃａ ａ ａ ｓｅ ｔ０ ｏ ｅ ｓＰａ ａ ｔ ｒ ｎ ｔ ｅ Ｉ ｔ ｒａ ｉ ｌＨｅ ｔＴｒ ｎ ｆｒ
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第 ４ ３卷
第 １ １期
仓 属 学 放
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ＮＯ． １ １
２０ ０ ７年 １ １月 第 １ ５ － １ ６ １ ５ １ ０页
Ｎｏ ． ２ ７ ＰＰ． ５ —１ ６ ｖ ００ １ ５ ０ １ １
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典型环形铸件凝固过程的界面换热系数分析
第４３卷第２期２０２１年３月沈 阳 工 业 大 学 学 报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ ４３Ｎｏ ２Ｍａｒ ２０２１收稿日期：２０１９－０３－０４．基金项目：辽宁省教育厅重点科研项目（２０１７２４１２３）．作者简介：邱克强（１９６２－），男，辽宁葫芦岛人，教授，博士生导师，主要从事非晶态合金、铸造工艺等方面的研究．本文已于２０１９－１１－２２１２∶５７在中国知网优先数字出版．网络出版地址：ｈｔｔｐ：∥ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２１．１１８９．Ｔ．２０２１０３０５．１００９．０２８．ｈｔｍｌｄｏｉ：１０．７６８８／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１６４６．２０２１．０２．０７典型环形铸件凝固过程的界面换热系数分析邱克强，张 令，孙治国，向青春，张 伟（沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳１１０８７０）摘 要：为了提高铸造数值模拟软件精度，考虑到外砂型和内砂芯的传热过程差异性，针对典型铝合金环形铸件设计了砂型重力铸造过程测温实验，建立了环形铸件外砂型及内砂芯的界面热流和界面换热系数的反算数学模型，利用ＭＡＴＬＡＢ软件编写界面换热系数反算程序．结果表明，铸件凝固过程中铸件／内砂芯的界面换热系数始终大于铸件／外砂型的界面换热系数，且铸件／外砂型界面换热系数的变化主要来源于界面间隙，反算误差结果验证了反算程序的可行性．关 键 词：砂型铸造；环形铸件；外砂型；内砂芯；界面热流；界面换热系数；反算数学模型；界面间隙中图分类号：ＴＧ２４９ ２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－１６４６（２０２１）０２－０１５６－０７ＡｎａｌａｓｉｓｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｙｐｉｃａｌａｎｎｕｌａｒｃａｓｔｉｎｇｄｕｒｉｎｇｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓＱＩＵＫｅ ｑｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＬｉｎｇ，ＳＵＮＺｈｉ ｇｕｏ，ＸＩＡＮＧＱｉｎｇ ｃｈｕｎ，ＺＨＡＮＧＷｅｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｃｃｕｒａｃｙｆｏｒｃａｓｔｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｓａｎｄｍｏｌｄｇｒａｖｉｔｙｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｙｐｉｃａｌａｎｎｕｌａｒｃａｓｔｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｃｅｓｓｂｅｔｗｅｅｎｏｕｔｅｒｓａｎｄｍｏｌｄａｎｄｉｎｎｅｒｓａｎｄｃｏｒｅ，ａｎｄａｎｉｎｖｅｒｓｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｂｏｔｈｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｈｅａｔｆｌｕｘａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（ＩＨＴＣ）ｏｆｏｕｔｅｒｓａｎｄｍｏｌｄａｎｄｉｎｎｅｒｓａｎｄｃｏｒｅｏｆａｎｎｕｌａｒｃａｓｔｉｎｇｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ａｎｉｎｖｅｒｓｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｏｆＩＨＴＣｗａｓｃｏｍｐｉｌｅｄｗｉｔｈＭＡＴＬＡＢｓｏｆｔｗａｒｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＩＨＴＣｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃａｓｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｉｎｎｅｒｓａｎｄｃｏｒｅｉｓａｌｗａｙｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃａｓｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｏｕｔｅｒｓａｎｄｍｏｌｄ，ａｎｄｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＩＨＴＣｂｅｔｗｅｅｎｃａｓｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｏｕｔｅｒｓａｎｄｍｏｌｄｉｓｍａｉｎｌｙｄｕｅｔｏｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｇａｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｉｎｖｅｒｓｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｅｒｒｏｒｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｏｕｒｉｎｖｅｒｓｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓａｎｄｃａｓｔｉｎｇ；ａｎｎｕｌａｒｃａｓｔｉｎｇ；ｏｕｔｅｒｓａｎｄｍｏｌｄ；ｉｎｎｅｒｓａｎｄｃｏｒｅ；ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｈｅａｔｆｌｕｘ；ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｉｎｖｅｒｓｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ；ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｇａｐ 铸造模拟软件是模拟铸件充型和凝固的有效工具，并能预测铸件内部缺陷的形成过程、数量和分布位置，为生产高质量铸件缩短了周期和成本［１－２］，其精确的温度场模拟十分依赖于材料的热物性能和边界条件，而材料的热物性能比较容易获得．铸件／铸型界面换热系数是边界条件中对模拟精度影响最为明显的参数，且随金属／铸型界面的动态变化而改变，在很大程度上取决于铸型材料、铸件形状和铸造工艺参数．目前获得界面换热系数的方法有热传导数值反算法、界面间隙法、多因素回归法等，其中使用最广泛的是数值反算法，相比于其他方法，该方法以热电偶实测温度为基础来反算界面换热系数，更符合实际传热情况［３－５］．以往对砂型铸造的界面换热系数研究主要针沈 阳 工 业 大 学 学 报 第４３卷对砂型，而针对铸件／内砂芯界面换热系数的研究甚少．考虑到砂型铸造过程中内砂芯与外砂型传热过程的差异性，本文同时针对砂型和砂芯的界面换热系数进行研究并以实际ＺＬ１０１合金环形铸件为研究对象，以实验测温为基础，基于Ｂｅｃｋ非线性估算法［６］建立界面换热系数模型并编制ＭＡＴＬＡＢ反算程序，同时对铸件／外砂型和铸件／内砂芯的界面热流和界面换热系数进行对比研究，并通过比较反算温度与实测温度来验证反算模型的准确性．１ 测温试验方法及过程１ １ 试验材料及尺寸参数采用ＺＬ１０１合金环形铸件、呋喃树脂砂造型和制芯，铸件、砂型和砂芯的结构尺寸及测温点位置如图１所示（单位：ｍｍ）．为保证铸件沿径向传热，砂型上下表面均用石棉绝热，以减小纵向热量传递．图１中１和５号热电偶分别紧贴型腔内表面和砂芯外表面，分别用来测量铸件／砂型和铸件／砂芯的界面温度；２、３和４号热电偶距铸件／砂型界面的距离分别为６、１４和２２ｍｍ，同样６、７和８号热电偶距铸件／砂芯界面的距离也分别为６、１４和２２ｍｍ，所有热电偶的高度位置均位于铸件的中间平面上．为防止热电偶相互位置过近导致造型困难，８个热电偶位置并不放置在同一径向上，图１所示热电偶位置为实际热电偶的等效位置．１ ２ 测温仪器及试验过程选择ＴＰ＿７００多功能１６通道数据采集仪进行温度数据采集，选取的采集时间步长为０ ５ｓ．考虑到热传导反问题的求解对温度测量高度较为敏感，对热电偶的选择和固定等各方面需要进行综合考虑．热电偶响应时间也会产生较大误差，热电偶接头尺寸需要尽可能小．选择直径为０ ３ｍｍ的Ｋ型热电偶，热电偶接头采用点焊连接，保证热电偶接头具有更快的响应时间［７］．为了减小热电偶位置偏差，热电偶前端由直径为４ｍｍ的双孔陶瓷刚玉管固定，且热电偶与铸件轴线平行放置以减少其对温度场的破坏，从而保证热电偶不会产生明显测量误差．图１ 测温试验装置系统示意图Ｆｉｇ １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ 待测温试验装置准备妥当后，采用ＺＬ１０１合金用井式电阻炉进行熔炼，完成精炼脱气和除渣后，将合金液浇入测温试验装置中．待铸件凝固冷却完毕后，从数据采集仪上获得所需温度数据．２ 数学模型２ １ 一维温度场为克服三维热传导反问题计算量大的问题，７５１第２期 邱克强，等：典型环形铸件凝固过程的界面换热系数分析将铸件／铸型界面换热系数的求解过程简化为一维问题进行处理［８］．当求解砂型和砂芯的温度场时，砂型与砂芯的一维瞬态热传导表达式为ρＣＰＴｔ＝ ｘλ Ｔ ()ｘ （１）式中：ρ、ＣＰ、λ分别为材料密度、等效比热容和导热系数；Ｔ为温度；ｔ为时间；ｘ为沿ｘ轴方向位移．等效比热容综合考虑了铸件结晶潜热的释放．利用隐式有限差分法对式（１）进行离散．一维温度场的简化离散几何模型如图２所示．图２中红色节点为离散单元中热电偶所在位置，各热电偶测试的温度用Ｔｃｎ（ｎ＝１～８）表示，并将Ｔｃ４和Ｔｃ８作为反算过程的边界温度．图２ 一维温度场的简化离散模型Ｆｉｇ ２ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｄｉｓｃｒｅｔｅｍｏｄｅｌｆｏｒｏｎｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ 由于砂型和砂芯的传热推导过程相同，本文以砂型的温度场数学模型为例进行说明．设Δｘ为空间步长，Δｔ为时间步长，ｉ（ｉ＝１～６）为几何单元编号，ｔｐ为ｐ时刻的时间；Ｔｐｉ为第ｉ号单元在ｐ时刻的计算温度，Ｔｐｃｎ为第ｎ号热电偶在ｐ时刻的实测温度；ｑｐ为［Ｔｐ，Ｔｐ＋１］时间段内的均值界面热流，且热流方向以铸件流入砂型为正，反之为负；Ａｉｎ（ｉ）、Ａｏｕｔ（ｉ）、Ｖ（ｉ）分别为第ｉ号单元的热流流入面积、流出面积和单元体积；Ｓｉｎ（ｉ）（ｉ＝１～６）、Ｓｏｕｔ（ｉ）（ｉ＝１～６）、Ｓｑ为相应简化计算公式参数．根据能量守恒定律并结合隐式差分格式，得出ｔｐ至ｔｐ＋１时间内各几何单元的温度场数学模型．第１号界面单元温度简化计算公式为 （１＋Ｓｏｕｔ（１））Ｔｐ＋１１－Ｓｏｕｔ（１）Ｔｐ＋１２＝Ｔｐ１＋Ｓｑ（２）第２～５号内部单元（ｉ＝２～５）温度简化计算公式为－Ｓｉｎ（ｉ）Ｔｐ＋１ｉ－１＋（－１＋Ｓｉｎ（ｉ）＋Ｓｏｕｔ（ｉ））Ｔｐ＋１ｉ－Ｓｏｕｔ（ｉ）Ｔｐ＋１ｉ＋１＝Ｔｐｉ（３）Ｓｉｎ（ｉ）、Ｓｏｕｔ（ｉ）和Ｓｑ可以分别表示为Ｓｉｎ（ｉ）＝ΔｘＦｐｏＡｉｎ（ｉ）Ｖ（ｉ）Ｓｏｕｔ（ｉ）＝ΔｘＦｐｏＡｏｕｔ（ｉ）Ｖ（ｉ）Ｓｑ＝Δｘ２ＦｐｏＡｉｎ（１）Ｖ（１）ｑｐ式中，Ｆｐｏ为傅里叶数，且其表达式为Ｆｐｏ＝λｐΔｔρＣｐＰΔｘ２ （４）第６号单元可看作边界单元，其温度与４号热电偶的实测温度相等，即Ｔｐ＋１６＝Ｔｐ＋１ｃ４ （５）每个单元中热流流入面和流出面所对应的半径ｒｉｎ和ｒｏｕｔ值不同，为了简化数学模型，引入对应单元面积和体积的比值作为几何函数．砂型几何函数简化公式为Ａｉｎ（ｉ）Ｖ（ｉ）＝Ｒ２＋（ｉ－１）ΔｘΔｘ（Ｒ２＋（ｉ－０ ５）Δｘ）Ａｏｕｔ（ｉ）Ｖ（ｉ）＝Ｒ２＋ｉΔｘΔｘ（Ｒ２＋（ｉ－０ ５）Δｘ{） （６）砂芯几何函数简化公式为Ａｉｎ（ｉ）Ｖ（ｉ）＝（Ｒ１－（ｉ－１）Δｘ）Δｘ（Ｒ１－（ｉ－０ ５）Δｘ）Ａｏｕｔ（ｉ）Ｖ（ｉ）＝（Ｒ１－ｉΔｘ）Δｘ（Ｒ１－（ｉ－０ ５）Δｘ{） （７）式中，Ｒ１和Ｒ２分别为环形铸件的内圆半径和外圆半径．在铸件／外砂型界面处的热流值已确定的情况下，可利用由式（２）～（６）形成的矩阵方程组，通过追赶法对矩阵求逆计算砂型的瞬态温度场．同理，铸件／内砂芯温度场数理模型的建立方法与环件外砂型方法相同，只是由于单元的建立顺序是从铸件／砂芯界面位置为起始单元依次排列，因而其几何函数需更换成式（７）．８５１沈 阳 工 业 大 学 学 报 第４３卷为使反算结果更精确，材料的热物性参数需要考虑温度变化．树脂砂的热物性参数可从ＰｒｏＣＡＳＴ软件中的ＭａｔｅｒｉａｌＤａｔａｂａｓｅ数据库中获得，砂型密度（ρ＝１５９０ｋｇ／ｍ３）保持不变，对未知温度下的热物性参数运用多段线性插值法获得导热系数λ和等效比热容ＣＰ，其随温度的变化分别如表１、２所示．表１ 树脂砂的导热系数Ｔａｂ １ ＴｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｒｅｓｉｎｓａｎｄＴ／℃２０２３２４１４６００７０８λ／（Ｗ·ｍ－１·℃－１）０ ７１２０ ６７２０ ５５４０ ５０ ６１表２ 树脂砂的比热容Ｔａｂ ２ ＳｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｃａｐａｃｉｔｙｏｆｒｅｓｉｎｓａｎｄＴ／℃５０１５０２５０３５０４００４５０ＣＰ／（Ｊ·ｇ－１·℃－１）０ ７３０ ８５０ ９０ ９５１ ０１１ ０１２ ２ Ｂｅｃｋ反算模型求解界面换热系数时，需要结合Ｂｅｃｋ提出的非线性估算方法确定热流值．本文以求解铸件／砂型的界面换热系数为例进行说明，求解界面热流和界面换热系数的流程如图３所示．当采用非线性估算法求解ｐ时刻的热流ｑｐ时，为了减少测量温度所造成的误差，假设ｐ时刻与其未来ｆ个时间步长的热流值相等，且都等于热流初始值ｑ０，从而对热流进行分段处理，即ｑｐ＝ｑｐ＋１…＝ｑｐ＋ｆ－１＝ｑ０ （８）利用［ｔｐ，ｔｐ＋ｆ］时间段内２号和３号热电偶的测量温度Ｔｃｎ（ｎ＝２、３）与计算温度Ｔｍｎ（ｑ）建立最小二乘法目标函数，其表达式为Ｆ（ｑ）＝∑３ｎ＝２∑ｆ－１ｊ＝０（Ｔｐ＋ｊｃｎ－Ｔｐ＋ｊｍｎ（ｑ））２ （９）为使Ｆ（ｑ）极小化，对目标函数求导，即令 Ｆ／ ｑ＝０．引入热敏感系数Ｘｍｎ来表征温度相对于热流的一阶导数，且Ｘｐｍｎ为ｐ时刻微小热流εｑｐ的变化对第ｎ号热电偶所在单元计算温度的影响，Δｑｐ为截断误差热流．假设通过微小热流εｑｐ（ε＜０ ００１）的改变得到新的热流（ｑｐ＋εｑｐ），并通过Ｔａｙｌｏｒ级数展开推导来求解界面修正热流ｑｐｃｏｒｒ，涉及到的表达式为Ｘｐｍｎ＝Ｔｐｍｎ（ｑｐ＋εｑｐ）－Ｔｐｍｎ（ｑｐ）εｑｐ （１０）Δｑｐ＝∑３ｎ＝２∑ｆ－１ｊ＝０（Ｔｐ＋ｊｃｎ－Ｔｐ＋ｊｍｎ（ｑｐ））Ｘｐ＋ｊｍｎ∑３ｎ＝２∑ｆ－１ｊ＝０（Ｘｐ＋ｊｍｎ）２ （１１）ｑｐｃｏｒｒ＝ｑｐ＋Δｑｐ （１２）图３ ＩＨＴＣ估算的求解过程流程图Ｆｉｇ ３ ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｓｏｌｖｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒＩＨＴＣｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ采用式（１２）进行迭代获得界面修正热流，每次迭代均需对砂型内部温度场进行计算，直到满足终止条件，其表达式为Δｑｐｑｐｃｏｒｒ＜０ ０００１ （１３）Ｎ≤Ｎｍａｘ （１４）式中：Ｎ为迭代次数；Ｎｍａｘ为最大迭代次数．界面换热系数求解公式为ｈｐ＝ΔｑｐＴｐｃ１－Ｔｐ１ （１５）利用ＭＡＴＬＡＢ软件编写了反算程序，完成对［ｔｐ，ｔｐ＋１］时间段的界面换热系数求解后，转入下一时间段进行反算，直到计算结束．３ 试验结果及讨论３ １ 测温试验数据分析图４为典型ＺＬ１０１合金环形铸件测温试验中热电偶测试温度随时间的变化曲线，其中合金的浇注温度为６８０℃，砂型和砂芯的初始温度均为２５℃，热电偶Ｔｃ１、Ｔｃ５的测试曲线分别表征铸件／外砂型和铸件／内砂芯的界面温度．由图４可见，约１２０ｓ后金属液的过热温度被消除，冷却曲９５１第２期 邱克强，等：典型环形铸件凝固过程的界面换热系数分析线斜率明显变化，这表明合金开始凝固，约８５０ｓ后合金达到共晶成分进行共晶凝固，约１７５０ｓ后凝固过程结束，铸件冷却速率增加．观察图４可以发现，内砂芯和外砂型的温度场变化相差很大，整个过程中外砂型温度均低于铸件温度，而内砂芯温度约在２５００ｓ后逐渐高于铸件温度．此外，Ｔｃ４、Ｔｃ８温度曲线约在１００℃前产生曲折现象，这可能是由于砂型（芯）内部残留的水分在受热过程中以水蒸汽形式渗透出去，从而吸收一定热量，导致其温度曲线有所偏离［８－９］．图４ 热电偶测试温度随时间的变化Ｆｉｇ ４ Ｔｉｍｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｓ３ ２ 反算结果及讨论根据图４所示的实测温度数据，通过反算程序反算出外砂型和内砂芯的瞬态界面热流密度、表面单元温度和界面换热系数．反算过程中未来时间步长的个数ｆ取值为６，此时求解过程更稳定，结果更趋于真实值．外砂型、内砂芯与铸件界面的瞬态界面热流如图５所示．由图５可见，前８０ｓ外砂型和内砂芯的界面热流分别迅速升高到６２、９３ｋＷ／ｍ２．凝固开始时界面热流密度应该是最高的，而实际上从热量扩散到热电偶并感应出型（芯）温度的这段时间内，热流被低估了，而型砂的低热传导率特性放大了这一特点，因而出现了初期界面热流上升阶段［１０］．初期砂芯界面热流要高于砂型，这是由于受到几何函数公式（６）、（７）的影响．随着铸件与型（芯）温差的减小，砂型、砂芯界面热流都会快速下降，砂型界面热流数值趋于稳定在６ｋＷ／ｍ２；而约２５００ｓ后砂芯界面热流降为零，随后产生反向热流并逐渐趋近于－２ｋＷ／ｍ２，这是后期砂芯内部温度高于铸件温度所引起的，这一结果也符合图４ｂ所示的温度数据．图５ 外砂型、内砂芯与铸件界面的瞬态界面热流Ｆｉｇ ５ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｈｅａｔｆｌｕｘａｔｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｏｆｃａｓｔｉｎｇ／ｏｕｔｅｒｓａｎｄｍｏｌｄａｎｄｃａｓｔｉｎｇ／ｉｎｎｅｒｓａｎｄｃｏｒｅ砂型和砂芯表面１号单元的温度如图６所示．由图６可见，反算出的外砂型和内砂芯的表面单元温度在１２０ｓ之前急剧上升，这阶段金属液处于过热区，铸型和金属液温差很大，产生很大的界面热流使得铸型温度快速上升，且这段时间砂芯表面温度比砂型上升更快，可以归因于初期砂芯的界面热流大于砂型界面热流．经历金属液过热区后，砂型和砂芯两者表面温度变化趋势十分接近，其温度上升速率逐渐降低，约１７５０ｓ后铸件潜热释放完全，砂型和砂芯表面温度达到最高值随后温度平稳下降，且二者温差也逐渐减少，其根本原因是两者热流都在逐渐减少．图６ 砂型和砂芯表面１号单元的温度Ｆｉｇ ６ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＮｏ １ｕｎｉｔｏｎｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｓａｎｄｍｏｌｄａｎｄｓａｎｄｃｏｒｅ外砂型、内砂芯与铸件界面的瞬态界面换热系数如图７所示．由图７可见，砂型和砂芯的界面换热系数差别很大．整个过程砂芯的界面换热系数都要高于砂型，这是由于内砂芯和外砂型所在位置不同而引起的传热差异所致．０～８０ｓ初期阶段内砂０６１沈 阳 工 业 大 学 学 报 第４３卷芯和外砂型的界面换热系数分别由１４５Ｗ／（ｍ２·℃）增加到１８０Ｗ／（ｍ２·℃）和由８３Ｗ／（ｍ２·℃）增加到１１８Ｗ／（ｍ２·℃），这是由于最初热电偶的响应时间特性问题而产生如图５所示的实际界面热流被低估现象，从而使得初始反算界面换热系数低于真实值，随着反算模型的不断修正迭代，界面换热系数随后上升并趋于真实值．在８０～４００ｓ这一阶段，两个界面换热系数都先减少再增加，这主要是受到树脂砂导热系数的影响［１１］，两个界面换热系数达到最小值时对应的界面温度约为６００℃，而此时树脂砂的最小热传导系数约为０ ５Ｗ／（ｍ·℃）．金属液约在１２０ｓ后开始凝固，１２０～４００ｓ期间内的金属液凝固收缩形成的间隙太小，因而不能作为主要影响因素．４００ｓ后砂型和砂芯的界面换热系数变化差别可能是由于铸件收缩引起界面间隙发生动态变化的缘故．当环形铸件发生凝固收缩和冷却收缩时，内砂芯与铸件之间会变得更加紧密，不会产生明显的界面间隙，因而４００ｓ后铸件／内砂芯的界面换热系数未发生太大变化，仅在２５００ｓ后界面热流方向改变后，铸件／内砂芯的界面换热系数呈现增加趋势．与内砂芯不同，外砂型与铸件的界面间隙在凝固过程中会变大，从而使得间隙内的气体导热对传热热流产生较大影响，而外砂型与铸件界面间隙的变大会使界面换热系数减小［１２］．结合图４、７可知，针对图４ａ中合金在４００～８５０ｓ的凝固收缩后半段和１７５０ｓ后的冷却收缩阶段，图７中相对应的铸件／砂型界面换热系数降低，而在８５０～１７５０ｓ阶段铸件温度变化不大，相对应的铸件／砂型界面换热系数也基本保持恒定，表明铸件收缩形成界面间隙是影响铸件／砂型界面换热系数的主要因素，且砂型界面换热系数受铸件收缩的影响相比砂芯更为明显．图７ 外砂型、内砂芯与铸件界面的瞬态界面换热系数Ｆｉｇ ７ ＴｒａｎｓｉｅｎｔＩＨＴＣａｔｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｏｆｃａｓｔｉｎｇ／ｏｕｔｅｒｓａｎｄｍｏｌｄａｎｄｃａｓｔｉｎｇ／ｉｎｎｅｒｓａｎｄｃｏｒｅ３ ３ 界面换热系数反算结果验证图８为砂型中第２号热电偶与砂芯中第６号热电偶所在位置处的实测温度与计算温度之间的差值．由图８可见，实测温度与计算温度之间的差值在前８０ｓ内均较大，但随着时间的推移，反算程序自身的迭代修正使得计算误差逐渐减少．１００ｓ前Ｔｃ２和Ｔｃ６热电偶位置处实测温度与计算温度之间的最大绝对差值分别为２２、２０℃，而１００ｓ后该最大绝对差值分别为１３、０ ５℃，表明反算过程对计算误差的修正已使反算温度和实测温度十分吻合，因此，采用本文反算方法法求解环形铸件与砂型（芯）的界面换热系数是准确和可靠的．图８ Ｔｃ２和Ｔｃ６处实测值与反算值之间的温差Ｆｉｇ ８ ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄｉｎｖｅｒｓｅｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄｖａｌｕｅｓａｔｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆＴｃ２ａｎｄＴｃ６４ 结 论本文设计了砂型铸造环形铸件的测温试验方案，建立了界面换热系数的反算数学模型，为砂型铸造铸件凝固传热规律的更精确研究打下了一定基础．以实测温度为依据，利用反算数学模型和反算程序得到了铸件／砂型和铸件／砂芯的界面热流和界面换热系数随时间的变化曲线，为数值模拟软件中界面换热系数这一重要模拟参数的设置提供了参考借鉴．凝固过程中铸件／砂芯的界面换热系数要大于砂型，且铸件／砂型的界面换热系数受铸件收缩的影响相比砂芯要大得多．由反算程序计算出来的反算温度与实测温度基本吻合，表明反算数学模型和反算程序准确可靠，可应用于铸造模拟软件来提高模拟精度．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］ＺｈａｎｇＬ，ＴａｎＷ，ＨａｏＨ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｔｔｈｅｍｅｔａｌ ｓａｎｄｍｏｌｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｌｏｓｔｆｏａｍｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｈｅａｔ＆ＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒ，２０１６，５２（６）：１１３１－１１３８．［２］ＣｈｅｎｇＷＬ，ＨｕａＣ，ＬｅｉＨ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｒｏｐｌｅｔｆｌａｓｈｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｏｎｖａｃｕｕｍｆｌａｓｈｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｃｏｏｌｉｎｇ：ｍｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅａｔ＆ＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒ，２０１５，８４：１４９－１５７．［３］ＤｅｎｇＣＹ，ＫａｎｇＪＷ，ＳｈａｎｇｇｕａｎＨＬ，ｅｔａｌ．Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆａｉｒｃａｖｉｔｙｉｎｓａｎｄｍｏｌｄｕｓｉｎｇ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇ１６１第２期 邱克强，等：典型环形铸件凝固过程的界面换热系数分析ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＦｏｕｎｄｒｙ，２０１８，１５（１）：３７－４３．［４］ＶａｃｃａＳ，ＭａｒｔｏｒａｎｏＭＡ，ＨｅｒｉｎｇｅｒＲ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｒｍｉ ｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｔｔｈｅｍｅｔａｌｍｏｌｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｄｕｒｉｎｇｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｃａｓｔｉｎｇ［Ｊ］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡ，２０１５，４６（５）：２２３８－２２４８．［５］许征兵，曾建民．一种铸件／铸型界面传热系数的反求法［Ｊ］．特种铸造及有色合金，２０１０，３０（８）：６９４－６９６．（ＸＵＺｈｅｎｇ ｂｉｎｇ，ＺＥＮＧＪｉａｎ ｍｉｎ．Ａｒｅｖｅｒｓｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｔｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｃａｓｔｉｎｇｓ／ｍｏｌｄｓ［Ｊ］．ＳｐｅｃｉａｌＣａｓｔｉｎｇａｎｄＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＡｌｌｏｙｓ，２０１０，３０（８）：６９４－６９６．）［６］ＹｕＷＢ，ＣａｏＹＹ，ＧｕｏＺＰ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｉｎｖｅｒｓｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅｌｂｅｔｗｅｅｎｌｉｑｕｉｄｍｅｔａｌａｎｄｓｈｏｔｓｌｅｅｖｅｉｎｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｕｎｄｅｒｎｏｎ ｓｈｏｏｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＦｏｕｎｄｒｙ，２０１６，１３（４）：２６９－２７５．［７］ＫｏｒｔｉＡＩＮ，ＡｂｂｏｕｄｉＳ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｈｏｔｓｌｅｅｖｅｆｉｌｌｉｎｇｏｎｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｅｃａｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｔａｌｃａｓｔｉｎｇ，２０１６，１１（２）：１－１７．［８］盈亮，高天涵，蒋迪，等．７ＸＸＸ系铝合金ＨＦＱ温成形界面换热系数实验研究［Ｊ］．中国有色金属学报，２０１８，２８（４）：６６２－６６９．（ＹＩＮＧＬｉａｎｇ，ＧＡＯＴｉａｎ ｈａｎ，ＪＩＡＮＧＤｉ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｆｏｒ７ＸＸＸｓｅｒｉｅｓａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｉｎＨＦＱ［Ｊ］．ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ，２０１８，２８（４）：６６２－６６９．）［９］ＷａｎｇＭ，ＺｈａｎｇＣ，ＸｉａｏＨ，ｅｔａｌ．Ｉｎｖｅｒｓｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｏｎｔａｃｔｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｈｏｔｓｔａｍｐｉｎｇｏｆｂｏｒｏｎｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，８７（９）：１－８．［１０］ＭｅｎｄｉｇｕｒｅｎＪ，ＯｒｔｕｂａｙＲ，ＡｇｉｒｒｅｔｘｅＸ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｒｍｉ ｎａｔｉｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｉｔｉａｌｔｏｏｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｎｄｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｃｏｎｓｔａｎｔｃｏｎｔａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓ［Ｊ］．ＫｅｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１５，６５１（１１）：１５３７－１５４２．［１１］郭志鹏，熊守美，曹尚铉，等．铝合金压铸过程铸件／铸型界面换热行为的研究Ⅰ：实验研究和界面换热系数求解［Ｊ］．金属学报，２００７，４３（１１）：１１４９－１１５４．（ＧＵＯＺｈｉ ｐｅｎｇ，ＸＩＯＮＧＳｈｏｕ ｍｅｉ，ＣＡＯＳｈａｎｇ ｘｕａｎ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｂｅｈａｖｉｏｒａｔｃａｓｔｉｎｇ／ｄｉｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｎａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｄｉｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓＩ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ［Ｊ］．ＡｃｔａＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２００７，４３（１１）：１１４９－１１５４．）［１２］李日，冯传宁．界面换热系数和型砂热物性参数对凝固过程影响程度的比较［Ｊ］．铸造技术，２０１５，３６（２）：３８９－３９３．（ＬＩＲｉ，ＦＥＮＧＣｈｕａｎ ｎｉｎｇ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｒｍａｌｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｍｏｌｄｓａｎｄｏｎｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＦｏｕｎｄｒｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１５，３６（２）：３８９－３９３．）（责任编辑：尹淑英 英文审校：尹淑英）２６１沈 阳 工 业 大 学 学 报 第４３卷。
超高压输变电用铝合金铸件的温度变化与热扩散性能研究
超高压输变电用铝合金铸件的温度变化与热扩散性能研究1. 引言超高压输变电系统在现代电力输送中起着关键作用。
在这些系统中，输电线路和变电站等关键组件承受的高温、高压以及大电流条件下，需要具备良好的热扩散性能。
铝合金铸件广泛应用于输变电系统中，因其具有良好的导热性和机械强度。
本文旨在研究超高压输变电用铝合金铸件的温度变化与热扩散性能，以提高系统的安全性和可靠性。
2. 研究方法2.1 材料选择本研究选用常用的铝合金材料，如A356和铝硅合金等。
这些材料具有良好的导热性和机械强度，能够耐受高温和大电流条件下的工作环境。
2.2 温度变化模拟实验通过在实验室中搭建符合超高压输变电系统工作条件的实验平台，模拟不同工作环境下的温度变化情况。
通过在铝合金铸件表面安装温度传感器，并在实验过程中记录温度数据，以了解温度随时间的变化规律。
2.3 热扩散性能测试利用热扩散性能测试仪器对铝合金铸件进行热扩散性能测试。
测试过程中，通过施加不同温度的热源，测量铸件表面的温度分布，从而得到铝合金铸件的热扩散系数。
3. 结果与讨论3.1 温度变化规律实验结果显示，在不同工作环境下，铝合金铸件表面温度随时间的变化呈现不同的规律。
当系统处于高温、高压和大电流条件下时，铸件表面温度上升较快，且达到较高温度。
这是由于铝合金的导热性能优良，使其能够快速吸收和传导热量。
3.2 热扩散性能通过热扩散性能测试，得到了铝合金铸件的热扩散系数。
结果表明，铝合金铸件具有较高的热扩散性能，能够迅速将热量传导到周围环境。
这有助于提高系统的散热效率，保持组件在稳定的温度范围内运行。
4. 影响因素分析4.1 材料性能铝合金的导热系数是影响热扩散性能的重要因素之一。
铝合金中添加适量的合金元素，如铜和镁等，可以改善其导热性能。
此外，铝合金的晶粒尺寸和晶界结构也会对热扩散性能产生一定影响。
4.2 温度梯度温度梯度是指铝合金铸件表面和内部温度的差异。
温度梯度越大，热量传导的速度越快，热扩散性能越好。
铸造凝固界面换热系数求解的反热传导模型
铸造凝固界面换热系数求解的反热传导模型张立强;李落星;谭文芳;徐戎【摘要】In order to calculate the interfacial heat transfer coefficient (IHTC) with the latent heat released during the solidification of the molten, a model of inverse heat conduction based on the equivalent specific heat method was established. The effects of some parameters in the model on the stability and the accuracy of calculation results were also discussed. The parameters include the damping factor μ, the future time step R, the time step Δθ in the forward heat cond uction calculation and the value of the iteration Tcr. The heat transfer coefficient of A356 Al alloy on copper chill is obtained by using the inverse heat conduction method based on the measured temperatures in the casting. And it is found that the IHTC varies with time during the casting solidification. The values are in the range of approximately 1 200-6 200 W/(m2∙K) and two peak values exist because of the released latent heat.%考虑到铸件凝固过程中因潜热释放造成的数值计算结果难于收敛问题，建立基于等效比热法的反热传导模型，并分析模型中各种计算参数如阻尼系数μ、未来时间步长R、正热传导计算时的时间步长Δθ及收敛误差值Tcr等对反算求解结果稳定性及准确性的影响，应用所建立的反热导模型，通过铸件内温度数据计算得到A356铝合金与铜冷却介质间的界面换热系数。
7XXX系铝合金HFQ温成形界面换热系数实验研究
7XXX系铝合金HFQ温成形界面换热系数实验研究盈亮;高天涵;蒋迪;侯文彬;胡平【摘要】基于自主设计的圆台模具淬火实验平台,研究高强度7075-T6铝合金在HFQ温成形过程中的瞬态传热规律.通过Beck非线性估算法(Beck反算法)获得界面换热系数(IHTC)在不同因素下(包括合模压强与表面粗糙度)随温度变化的瞬态换热规律,并分析各因素对IHTC的影响机理.结果表明:Beck反算法在计算瞬态换热系数时具有较高的计算精度.7075-T6铝合金与模具界面的瞬态换热系数随压强增大而增大,当压强增大到80 MPa时,瞬态平均换热系数IHTC趋近于3375W/(m2?K).进一步,表面粗糙度也会影响7075-T6铝合金温成形过程的IHTC,当粗糙度大于0.57μm并小于0.836μm时,IHTC随粗糙度的增大而明显减小,当粗糙度小于0.57μm或大于0.836μm时,IHTC值均随粗糙度的增大而缓慢减小.%Based on self-developed cylindrical-die experimental model, transient heat transfer law of high-strength 7075-T6 aluminum alloy in HFQ warm forming was investigated in this paper. Beck's non-linear estimation method (Beck's method) was used to calculate IHTC under different processing factors, including different closure pressure and surface roughness. The results showed that Beck's method has a high accuracy in calculating IHTC; The transient IHTC of 7075-T6 aluminum increases with the increases of closure pressure, and when pressure is above 80 MPa, IHTC approaches to 3375 W/(m2?K). Furthermore, surface roughness can also affect IHTC, when surface roughness is between 0.57 μm and 0.836 μm, IHTC decreases obviously with the increase of surface roughness, andwhen surface roughness is larger than 0.836 μm or less than 0.57 μm, IHTC decreases slowly with the increase of roughness.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2018(028)004【总页数】8页(P662-669)【关键词】7075-T6铝合金;HFQ温成形;界面换热系数;Beck反算法;工艺因素【作者】盈亮;高天涵;蒋迪;侯文彬;胡平【作者单位】大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,大连 116024;大连理工大学汽车工程学院,大连 116024;大连理工大学汽车工程学院,大连 116024;大连理工大学汽车工程学院,大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,大连 116024;大连理工大学汽车工程学院,大连 116024;大连理工大学汽车工程学院,大连 116024【正文语种】中文【中图分类】TG146.2轻量化与安全性是汽车工业追求的两大永恒目标。
铝车轮铸造模具水冷界面换热系数反算求解
铝车轮铸造模具水冷界面换热系数反算求解
董国疆;李世德;王克奇;王海翔;王佶;毕江
【期刊名称】《中国有色金属学报》
【年(卷),期】2024(34)5
【摘要】铝车轮低压铸造过程中,模具温度场是影响铝液凝固的重要因素。
水冷作为铸造模具的主要冷却方式,对模具温度场的影响机理仍不明晰,有待深入研究。
本文以铝车轮铸造模具的边模水冷模块为研究对象,设计水冷降温实验并采集水冷过程中的模具温度数据。
通过ProCAST及ANSYS分析冷却水流动状态,以实测温度数据为基础进行软件反求解,基于Beck非线性估算法,建立界面换热数值模型。
通过对比分析两种界面换热系数求解方式,并正向求解以验证两种求解方式的准确性,以期为铝车轮低压铸造模拟验证提供数据支撑,有望获取冷却水与模具的真实换热系数,并揭示其传热行为和换热机理。
【总页数】11页(P1495-1505)
【作者】董国疆;李世德;王克奇;王海翔;王佶;毕江
【作者单位】燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室;中信戴卡股份有限公司;燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TF11.31
【相关文献】
1.铸造凝固界面换热系数求解的反热传导模型
2.铝合金末端淬火界面换热系数的反分析求解
3.6061铝合金与H13模具钢固体界面接触换热系数的反分析求解
4.铝合金压铸过程铸件/铸型界面换热行为的研究Ⅰ．实验研究和界面换热系数求解
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高强度铝合金铸造与热处理技术研究
高强度铝合金铸造与热处理技术研究发布时间：2022-10-09T03:19:33.398Z 来源：《工程管理前沿》2022年6月第11期作者：何小海叶挺陈飞吴文杰[导读] 当前，我国经济发展正在朝着高质量发展的方向前进何小海叶挺陈飞吴文杰广东鸿图武汉压铸有限公司湖北省 430200摘要：当前，我国经济发展正在朝着高质量发展的方向前进，这样的经济发展形势和时代背景，对工业的技术水平以及制造业的综合质量水平都提出了更高的要求。
科学技术是第一生产力，改革开放以来，我国一直把提高技术水平作为第二产业发展的重点，在材料工艺、施工工艺等方面都做出了不同的努力。
本文就探讨了高强度铝合金的铸造及其热处理工艺的相关要点，以供参考。
关键词：高强度；铝合金铸造；热处理；工艺高强度铝合金作为一种重要的结构材料，应越来越多地加以利用，尤其是在航空、航天和军事领域中发挥重要作用，不仅在飞机上广泛使用，火箭、导弹以及大量的常规作战武器中充分使用，以减少结构的重量，这可以提高武器的承载能力和做战能力。
随着科技和国防工业的迅速发展，铝合金材料仍然是航空、航空和军用工业的一个主要材料领域，特别是高强度铝合金，由于其强度、加工性能和工艺性能良好，在航空、军事领域是一个非常重要的位置。
随着航空、航天和军用工业的迅速发展，对高强度铝合金材料性能的要求更高。
1均匀化处理由于高强铝合金具有非常高的合金化元素总量，因此，在铸造铝合金的过程中，均匀化是对其进行初步处理的必经工序。
在对合金凝固的过程中，通常会出现枝晶偏析，而对其进行均匀化处理能够降低或者消除枝晶组织及化学成分不均匀性，同时减少或者消除在对快速冷却铸锭的过程中所导致的内应力，使其热塑性得到有效改善。
对高强铝合金进行均匀化处理可以保证在铸造铝合金的过程中出现的非平衡进行二次溶解，降低二次溶解时的体积分数，是合金塑性得到有效改善，提高在基体中高强铝合金的固溶度，同时使其固溶强度得到提高。
铸型界面换热系数的研究的开题报告
金属型铸造凝固过程铸件/铸型界面换热系数的研究的开题报告题目：金属型铸造凝固过程铸件/铸型界面换热系数的研究一、研究背景及意义金属型铸造是一种高精度、高稳定性的铸造工艺。
在金属型铸造过程中，铸件和铸型之间的换热过程对于铸件质量和生产效率具有重要影响。
目前，通过数值模拟和试验研究得出的金属型铸造中铸件/铸型界面换热系数存在巨大的差异，因此有必要对其进行更深入的研究。
二、研究内容及技术路线1. 界面换热实验方法研究本研究计划采用薄膜数据采集技术和实时测量技术，通过建立实验样品的热传导模型，测量铸件和铸型的温度，并计算其换热系数。
2. 材料和实验设计针对金属型铸造的实际工艺和工作条件，选取适当的材料和铸造方案。
利用正交试验设计方法，研究金属型铸造中不同工艺参数对铸件/铸型界面换热系数的影响。
3. 数值模拟分析采用ANSYS软件建立金属型铸造数值模型，通过建立铸件温度场和固相分数分布情况的数学模型，研究铸件/铸型界面换热系数及其对于铸件凝固组织的影响。
4. 结果分析和优化设计通过对实验、模拟结果的对比分析，得出具有代表性的金属型铸造凝固过程中换热系数，并对其优化设计提供一定的理论基础和参考。
三、预期成果和经济效益本研究的预期成果包括：1. 确定金属型铸造凝固过程中铸件/铸型界面换热系数的真实值。
2. 优化金属型铸造工艺，提高产品质量和生产效率。
3. 为其他相关铸造工艺研究提供参考依据。
4. 提高企业在铸造市场的竞争力。
经济效益方面，通过研究金属型铸造的界面换热系数，可以减少生产成本，提高产品质量，为企业带来实际的经济效益。
同时，对于相关铸造工艺的参考价值也将带来额外的经济收益。
四、研究进程安排本研究计划为期两年，进程安排如下：第一年：1. 研究界面换热实验方法并建立实验装置；2. 开展材料和实验设计；3. 完成实验工作。
第二年：1. 建立金属型铸造数值模型；2. 开展数值模拟分析；3. 分析结果并完成优化设计。
铝合金汽车轮毂压铸模具温度场及热应力数值分析研究的开题报告
铝合金汽车轮毂压铸模具温度场及热应力数值分析
研究的开题报告
一、研究背景和目的
随着汽车工业不断发展，越来越多的汽车零部件采用铝合金材料制造。
铝合金轮毂是一种常见的汽车零部件，其轻量化、强度高、耐磨损
等特点使其得到广泛应用。
铝合金轮毂的制造需要使用压铸模具进行生产，因此压铸模具的研究对于提高铝合金轮毂的质量和生产效率具有重
要意义。
压铸模具的温度场及热应力分析是模具设计的关键问题，需要
进行深入研究。
本研究旨在通过分析铝合金汽车轮毂压铸模具的温度场及热应力，
探索优化模具设计和制造工艺的方法，提高铝合金轮毂的制造效率和质量。
二、研究内容和方法
1. 收集铝合金汽车轮毂压铸模具的相关资料，了解模具的结构和使
用情况。
2. 通过ANSYS等有限元软件对铝合金轮毂压铸模具的温度场进行数值模拟分析，得到温度场分布图。
3. 根据模拟数据，分析温度场分布的规律，探究温度场对模具的影响。
4. 通过热应力分析，研究模具在使用过程中可能出现的热应力情况，并探讨方法减缓热应力对模具的损害。
5. 针对研究得到的数据，对模具结构和使用工艺进行改进，提高铝
合金轮毂的制造效率和质量。
三、预期成果和意义
1. 研究得到铝合金汽车轮毂压铸模具的温度场分布规律和热应力情况，为模具设计和制造提供参考和依据。
2. 发现并探索减缓热应力的方法，在一定程度上保护模具，延长模具使用寿命。
3. 提高铝合金轮毂制造的效率和质量，推动汽车工业的发展。