压铸过程铸件-铸型界面换热行为的研究进展

综述了铸造过程中铸件/铸型界面换热行为的研究,重点对压铸过程进行阐述.介绍作者在压铸过程界面换热行为研究方面的工作进展.研究表明,压铸过程铸件-铸型界面换热系数是一个随着铸件厚度、工艺参数以及合金等因素变化的量,同时,换热系数与铸件凝固速率之间存在线形关系h=ηv ω.其中,η、ω为与铸型初始温度、铸件厚度以及铸件、铸型热物性参数相关的参数.     

采用正交设计优化单晶合金定向凝固数值模拟参数

采用正交设计方法研究单晶高温合金定向凝固过程数值模拟所需参数对温度场和冷却曲线的影响.结果表明:单晶高温合金凝固曲线对模拟参数十分敏感,特别敏感于铸件与铸型之间的界面换热系数.通过正交设计获得边界条件参数使模拟结果与试验结果吻合良好.确定符合DD6单晶高温合金凝固过程的数值模拟边界条件.     

引入界面传热系数后铸型厚度与蓄热能力关系

采用硅铝合金(含Si 13.5%)为铸件材料,45号钢为铸型材料,引入铸造数值模拟重要的边界条件界面传热系数,同时改变铸型厚度,利用有限元分析软件ANSYS模拟了金属铸造过程温度场的分布规律,分析了铸型厚度变化对铸造温度场分布的影响。结果表明:引入界面传热系数可提高数值模拟的准确性;增加铸型壁厚可提高铸件凝固速度,当铸型壁厚增加到一定厚度后,对凝固速度的影响减弱以至消失。     

热物性值对铸钢件温度场数值模拟计算精度的影响

本文研究了铸件和铸型的热物性值对铸钢件凝固过程温度场数值模拟精度的影响,指出铸型的热物性值较铸件的热物性值对模拟计算精度的影响更大。计算时,必须正确掌握不同铸造工艺条件下确切的热物性值。     

铸型对镁合金铸造过程温度分布的影响

采用直接差分法求解热传导方程,对镁合金铸造过程进行模拟,研究了铸型条件对温度分布和铸件质量的影响。结果表明:砂型铸造条件下,铸型导热系数小,铸件凝固速率慢,铸件\铸型界面温度值突变小;金属型铸造条件下,铸型导热系数大,铸件凝固速率快,铸件\铸型界面温度值突变大。在实际铸造工艺中,需选择合适导热系数的材料制作铸型,从而在避免较大热变形和热裂现象的同时提高铸造速度。     

熔模铸造条件下Ti6Al4V合金铸件与陶瓷型壳间界面换热系数研究

建立了Ti6Al4V合金铸件/铸型界面换热系数(h)的一维反算模型,从数学及数值模拟的角度研究了型壳热物性参数和热电偶定位等参数对h计算的影响,分析了不同参数影响的不同特点,据此对型壳热物性参数和热电偶定位位置等进行了修正,提高了h反算精度.修正计算参数后的反算结果表明,Ti6Al4V合金熔模铸造条件下,h的变化可分为4个阶段:(1)铸件为液态,h维持约440 W/(m2·K);(2)铸件表面生成完整凝固层,此阶段h下降近60%;(3)凝固层不断增厚至铸件凝固,此阶段h下降接近峰值的20%;(4)铸件凝固后,h随温度缓慢下降.在三维模型中对反算得到的h进行了验证,得到的模拟温度与实测温度基本吻合,表明反算得到的h较为准确,可以应用于Ti6Al4V合金熔模铸造过程的数值模拟中.     

基于典型曲面结构铸件凝固过程收缩量的模拟研究

为模拟铸造过程中铸件的受阻收缩问题,开发了基于ANSYS的铸造过程热应力双向耦合模拟系统。设定铸件材质以及铸型材质的物理参数随温度变化而变化,采用接触单元处理铸件-铸型间的相互作用,实现了温度场与应力场的耦合。通过模拟具有典型曲面结构的铸件,发现铸件在凝固过程中的收缩量不仅与铸件的材质有关,还与铸件的凝固速度成反比,凝固速度越快,铸件收缩量越小;凝固速度越慢,铸件收缩量越大。     

铸件热裂纹研究进展

热裂纹是铸件在凝固接近结束时形成的一种常见铸造缺陷。热裂纹的出现严重地影响了铸件质量,降低了生产效率、造成了工业损失、甚至带来安全隐患。本文在分析铸件热裂纹形成机理基础上,对制定的各种热裂纹判据做了对比分析总结,阐述了铸造合金化学成分、铸造工艺参数、几何参数等因素对热裂形成的影响;详细分析了当前热裂数值模拟的实现方法,影响数值模拟精度的各种因素,如:模型简化、网格划分、力学本构模型的建立、数值计算方法及边界条件处理;论述了热裂试验研究的主要内容和实验方法。指出了今后热裂纹研究的重点与发展方向。     

铸件充型凝固三维数值模拟软件SRIFCAST的研制及其应用

铸件充型凝固过程数值模拟软件SRIFCAST在确定了金属液在充型和凝固冷却过程中的湍流和层流流动模式以及三维速度场和温度场数值模拟计算方程及数值求解的基础,编制了网格单元的剖分、三维速度场和温度场计算、二维等温线图、速度矢量图和三维温度场显示等程序;在Windows 9x操作平台上,设计了方便、快捷的各种鼠标操作主界面和分界面;建立了铸铁、铸钢、高温合金、铸造有色合金等金属材料,以及石英砂等造型材料的热物性参数数据库。SRIFCAST软件在汽车铸件和重大装备铸件上进行了生产应用,获得了优质铸件,证明了它的先进性、实用性和易操作性。     

铝合金铸件／金属型界面间隙及换热系数通用化的研究

本文首次通过理论推导和对多因素试验条件下的测试结果进行多元最小二乘回归处理,得到了铝合金长方形铸件在金属型(表面有氧化锌涂层)重力铸造条件下,界面间隙及换热系数计算的通用化公式.公式中系统地考虑了铸件及铸型的热物理参数、工艺条件、位置等因素的影响.利用公式得到的界面热边界参数用于一般铸件的计算机凝固模拟,取得了与实测相吻合的结果.此通用化公式的建立对丰富计算机凝固模拟热边界参数数据库具有一定的作用.     

K4169合金-陶瓷型壳间界面传热系数研究

界面传热系数(IHTC)是铸造数值模拟前处理时需要设置的边界条件之一,对铸件凝固过程温度场计算精度有重要影响。采用ProCAST软件反算模块和试样不同壁厚处实测温度数据反算求得K4169高温合金熔模铸造试样-陶瓷型壳间的界面传热系数,并分别用于试样熔模铸造数值模拟,结果表明,计算温度与实测温度误差均在3%以内。     

不同铸型铸造凝固过程温度场的有限元模拟

利用有限元方法,采用阶梯试块,对ZL105合金的砂型铸造和金属型铸造的凝固过程中的温度场进行了有限元模拟.结果表明,砂型铸造时铸件冷却速度慢,铸件内温度梯度小,最后冷却的部位在铸件的最大尺寸处,铸型与铸件界面处的温度较高.金属型铸造时铸件冷却速度快,铸件内温度梯度大,最后冷却的部位偏离铸件的最大尺寸位置一定距离,铸型与铸件界面处的温度较低.     

A319合金挤压铸造凝固过程数值研究

利用ANSYS有限元分析软件,考虑相变潜热、对流边界条件和界面传热系数等因素,建立了铝合金挤压铸造凝固过程温度场模型,研究了挤压铸造过程参数(挤压力及模具预热温度)对铸件凝固过程温度分布的影响.通过分析不同挤压力下铸件的显微组织,表明模拟结果与实验结果基本一致.     

ZTC4钛合金机匣构件离心铸造过程的数值模拟

采用数值模拟方法,研究ZTC4合金机匣离心铸造的充型和凝固过程,分析了离心转速、浇注温度和铸型预热温度对熔体充填过程流动场、凝固过程温度场和应力场的影响,并预测了缺陷的分布.结果表明,随离心转速提高,熔体充型速度无明显变化,但柯氏力作用更加明显,铸型中熔体流股变细;熔体过热度低于30℃时,铸件出现明显的浇不足缺陷;铸型预热温度是影响铸件残余应力的主要因素,而离心转速和熔体过热度的影响次之;铸件最后凝固的较厚部位容易出现缩松、缩孔缺陷,且其位置与X射线检测结果较吻合.     

A356合金重力铸造凝固过程的空间界面传热行为与表面特征（英文）

铸件/铸型界面传热系数是影响凝固过程温度场分布的重要因素。基于改进的非线性估算法,结合A356合金重力铸造凝固过程底部与侧部界面的温度测量,利用有限元法逆向求解界面传热系数的变化。结果表明:当铸件底部形成凝壳后,该界面的传热系数达到稳定;而侧部界面的传热系数稳定阶段发生在铸件体收缩完成时;底部界面传热系数的稳定值为750 W/(m~2?℃),约为侧部界面的3倍。此外,铸件底部与侧部界面的表面形貌分析表明,凝固过程表面特征的演变导致空间界面传热系数的差异。     

轴承衬套离心铸造凝固过程的数值模拟

应用ANSYS软件对油膜轴承衬套巴氏合金层离心铸造凝固过程温度场和应力场进行了数值模拟,分析研究了不同的浇注温度和铸型预热温度对凝固过程的影响。结果表明,随着金属液浇注温度和铸型预热温度的升高,金属液凝固速率降低,铸型内部产生的热应力增大,越靠近合金层的地方,热应力越大;铸型预热温度越高,铸型的冷却能力越差;在离心铸造凝固过程中铸型预热温度的影响比浇注温度的影响更大;分析并得出了最佳工艺参数。模拟结果与实际生产相符合。     

界面热阻对镁合金砂型铸造过程温度分布的影响

采用直接差分法求解热传导方程,对AZ91镁合金砂型铸造过程进行模拟,研究了界面热阻对温度分布影响。结果表明:在AZ91镁合金砂型铸造过程中,随着铸件/铸型热阻的减小,铸件/铸型界面散热情况得到改善,拐角位置温度降低速率趋于相同,整个铸件从冒口区域和底座区域同时向内部区域凝固;随着铸件/空气热阻的增加,冒口位置温度降低速率减慢,冒口区域的优先凝固优势消失,整个铸件从冒口区域和底座区域同时向内部区域凝固。此外,铸型/空气热阻对AZ91镁合金砂型铸造过程的温度分布影响不明显。     

球墨铸铁连杆铸件凝固过程数值模拟运行参数的确定

利用Pro CAST软件对球墨铸铁连杆铸造工艺过程进行数值模拟,可实现对铸件质量的预判,降低生产成本。运行参数的确定是影响数值模拟结果能否与实际结果相一致的关键因素。依据连杆铸造工艺及生产结果,铸型刚度、石墨化膨胀、球化处理和孕育处理对铸件凝固过程的影响,确定了相关运行参数的具体数值,为铸造工艺的数值模拟提供了数值依据。     

铝合金长铸件的定向凝固

目前人们十分重视对高温合金叶片定向凝固的研究,但对铝合金铸件定向凝固的研究和应用却比较少。本文研究了铝合金长铸件定向凝固工艺,并籍此了解定向凝固工艺的一般规律。在定向凝固条件下,通过改变浇注温度、铸型预热温度、铸型下降速度和冷却条件(水冷铜结晶器的通水量)等四个铸造工艺因素,研究这些工艺因素与凝固参数;凝固参数与铸件组织、性能的关系。选用典型的宽结晶温度范围的合金—Al-4.5％Cu,在自制的定向装置上,分别用精铸型壳和保温材料做铸型,采用正交设计方法。此外,还对生产上常用的ZL—105合金,作了定向凝固条件下的机械性能试验。     

钢液导热系数对大型钢锭凝固过程的影响

数值模拟是提高大型钢锭质量、优化浇铸工艺、降低实验费用和帮助缺陷诊断分析的重要手段之一.模拟结果是否可靠很大程度上取决于数学模型假设是否合理,合金热物性参数和边界条件的设置是否准确等因素.利用ProCAST铸造模拟软件,分析了钢液导热系数对钢锭充型和凝固过程中的温度分布、凝固时间和缩孔、疏松的影响规律.结果表明,导热系数的提高显著缩短钢锭整体凝固时间,增加钢锭中心产生缺陷的可能性,因此有必要在模拟计算之前准确测量该物性参数.另外,对于在同一模具中浇铸具有不同物性参数的各类合金,该结果为了解其凝固规律提供了参考.