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1、凝固过程中铸件/铸型界面换热的国内外研究现状赵建华，张恒（重庆大学材料科学与工程学院，重庆，400044）摘要：铸件/铸型界面热交换作为影响凝固过程的重要因素和计算机凝固模拟必备的边界条件愈来愈引起人们的关注并进行研究。本文综述了在铸件凝固过程中对于几种不同铸造方法，其铸件/铸型界面热交换的国内外研究发展现状，并对界面热交换进行了总结和展望。关键词：铸件/铸型；边界条件；界面热交换在铸造领域中，提升铸造相关过程模拟的精确性就成为了诸多研究工作者需要解决的关键问题之一。而实现精确的模拟，边界条件是不可或缺的。而作为边界条件的一种，铸件/铸型界面换热系数无疑是边界条件中最重要的，由于铸件/铸型界面
2、的换热是一个非常复杂的现象，界面热交换系数的确定迄今为止仍然是铸件凝固过程数值模拟的重点和难点。它在微观上同时存在着金属与铸型的接触导热、金属与铸型间隙中气体的导热以及表面间的热辐射等。实际中，主要通过引入金属/铸型界面换热系数来处理这种换热条件，其边界条件的表达式为： 其中，铸件材料的导热系数，、铸件与铸型表面、分别代表铸件和铸型的表面温度，国内外对界面换热的研究方法一般是先实测间隙或温度，然后计算出界面换热参数，进而将这些参数直接或作些处理后应用于其他铸件的凝固模拟。本文作者将介绍铸造凝固过程中界面换热的国内外研究现状及存在的一些问题，使我们对界面换热有一个清晰、系统的认识，为后续的继续深
3、入研究作基础。1 各种铸造方法界面换热研究现状1.1 砂型铸造对于砂型铸造来说，由于砂型较低的导热率、铸件和铸型之间的传热受砂型的影响最大。界面换热系数的确定一般是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，砂型铸造时在冷铁（金属型）与铸件的界面也会产生间隙。冯可芹等指出铸件的凝固过程由砂型和外冷铁的传热共同影响，其中凝固初期主要受外冷铁传热的影响，后期主要受砂型传热的影响，整个系统的界面相当于铸件/金属型和铸件/砂型两者的复合界面。李德林等详细的研究端部冷铁的界面气隙及界面换热问题，发现：换热系数具有瞬变的性质，界面气隙
4、、冷铁涂料层阻碍了界面换热的进行，使h下降。台湾的孙宪琪等人使用了总容量计算法求得界面传热系数的平均值，可进而求得多段时间间隔的平均界面传热系数。此方法提供研究相关领域多样化的选择，以简易方式估算出砂型与金属界面热通量及界面传热系数，以利于铸造凝固过程的传热分析。1.2 金属型铸造对于金属型铸造来说，情况与砂型铸造则截然相反，由于金属材料较好的导热性，大多数合金在金属型中凝固时，铸件、铸型之间的热阻主要集中在二者的交界面上，在铸件和金属型界面要产生界面气隙，界面换热随界面气隙的形成而降低的现象非常明显。在早期的界面换热研究中，Matuschka指出铸件/铸型间隙的形成是铸件及铸型材料热胀冷缩产
5、生相对移动的结果，这些间隙的产生往往成为影响铸件凝固过程的重要因素。还有些研究人员假定铸型和铸件是紧密接触的，这样在界面上铸件和铸型具有相同的温度,只是各自的导热系数和比热不同，其结果使计算造成较大的误差。文献考虑了凝固过程间隙形成的影响,提出了用界面热阻来描述间隙形成对界面传热过程的影响,通过调整界面热阻,使界面传热更接近实际情况。Y.Nishida等人发现铸件现状不同影响间隙的形成。Pehlke把界面接触状况分为三种：一致性接触、非一致性接触和被界面间隙分离，同时还将界面换热的反算法第一次用于求解铸件/铸型界面换热系数。由于界面气隙的复杂性，赵健等人撇开界面气隙不去考虑，直接用界面温差函数
6、进行处理，实验证明这一函数只与铸件形状有关而不受合金种类影响，然而在实际计算过程中，由于影响界面气隙的因素很多且复杂，导致气隙宽度难以准确测定。郝守卫在研究球铁/金属型界面时发现，由于石墨化膨胀的影响，铸件/铸型之间不会产生气隙，同时界面换热系数是随时间增长而逐步上升的。考虑到氦气的热导率约是空气的5倍，这将可能大大提高铸件/铸型的界面换热率。于是Doutre等人在铸件/铸型界面注入氦气，发现实验结果与理论分析一致。文献最近详细地研究了铝合金铸件/铸型的间隙中注入氦气对间隙形成的影响。由于影响铸件/铸型界面热交换因素很多，Coates.Basil等主要研究了铸件/铸型表面粗糙度和金属液温度对界
7、面换热系数的影响。结果发现，边界换热系数和间隙的尺寸存在函数关系，粗糙度增加将会使界面换热系数减小；提高金属浇注温度会使流动性增强，导致边界换热系数增加。Reddy，A.V等研究了合金成分对界面换热系数的影响。最近，随着人们对界面换热的认识不断加深， S.Arunkumar等人研究了在充型时铸件/铸型界面热流的空间变化情况。谢锦婷等人也深入研究了铸型和铸件所处的不同位置的界面换热系数，指出竖直方向的间隙隙大于水平方向的间隙，从而界面换热系数也不相同，这样更能与实际情况吻合。1.3 高压铸造研究人员对普通铸造过程铸件/铸型界面换热行为的研究，已经做了大量的工作，但是针对压铸过程界面换热行为的研究
8、却进行的较少。Nelson、Hong以及Papai等进行了早期的关于压铸过程界面换热行为的研究，在实际的压铸机上进行了相关的实验，求解了压铸过程铸件/铸型的界面换热系数。Dour等在实际的压铸机上进行了相关的实验研究，求解了换热系数，并分析了换热系数随着压铸工艺参数的变化规律，但是这些相关研究并没有考虑金属材料对换热系数的影响，同时，对于工艺参数的影响讨论上也只局限在铸件的一个位置上，并没有分析铸件不同位置下换热系数的区别。针对以上问题，国内学者郭志鹏等在对压铸过程中铸件/铸型界面换热系数研究中，首次设计了“阶梯”铸件，从而使得研究铸件不同厚度部分与铸型之间的换热系数变成可能。1.4 挤压铸造
9、由于在高压下充型和凝固的精确成形，挤压铸造最近几年在国内外稳步发展，其开发和投产的产品品种越来越多，但是专门从事挤压铸造界面换热的研究少见报道，其原因有：整个凝固过程时间比较短，凝固过程伴随着传热和凝固壳的变形相互作用，铸件的传热属于有内热源的瞬间传热问题，导致了研究问题的复杂性；对界面气隙的形成缺乏根本的认识，界面压力的变化及界面气隙的形成改变了凝固壳表面的传热条件，从而影响了型腔内的温度场。为此，Alfred等研究出一种计算铸件/模具界面气隙的数学模型，模型考虑了工艺参数如压力和模具温度对气隙形成的影响，并认为压力的增大促使了界面换热的快速进行。朱维等综合考虑了受涂料、界面压力、气隙等因素
10、对界面换热的影响，从而得出了求解等效界面换热系数的经验公式。李敏华等在对挤压铸造舵面得充型过程数值模拟研究中，首次建立了热交换系数的估算模型，结果发现实际结果和模拟充型的结果相符合。1.5 低压铸造 对于低压铸造过程，由于模具结构比较复杂，铸造过程中边界条件复杂多变，所以对边界换热研究相对较少。文献对低压铸造复杂的边界换热进行了全面的研究，建立了引入冷却介质模型块的立体计算模型，根据传热计算中的节点分布位置，详细分析了各种不同的传热计算方式。并运用上述方法处理换热情况，可以比较精确地模拟铸件的凝固过程。1.6 消失模铸造金属液-模样界面上发生的复杂传热现象对铸件的凝固方式具有重要的影响。目前，
11、国内外的研究者对不抽真空时铝合金、铸铁充型凝固过程中的传热、凝固特性做了大量的研究。YangJ把金属/模样界面处受金属液热作用的模样分为热解区和TA（Thermal Affected Zone，即已受液态金属热作用的影响但未热解的模样区域）。Pan EN定义了在液态金属前沿的特征激冷区，在该区内金属液与模样进行热交换。文献根据实测的冷却曲线数据，开发了采用有限元法通过求解逆向传热问题来估计金属-模样界面换热系数的方法h，这一空隙的存在大大降低了金属/模样界面传热系数。国内学者刘子利等对抽真空条件下消失模铸造金属/铸型间的传热特性进行了研究。在抽真空条件下，凝固过程中铸件/涂料界面空隙出现较早，原因在于：金属凝固前沿与涂料的紧密接触加快了涂料有机成分的烧失和强度的降低；凝固后期铸件凝固收缩进一步增大了金属-涂料界面的空隙。与不抽真空相比，铸件/涂料界面空隙内空气稀薄且较少流动，因此，铸件/涂料界面的传热系数急剧下降。