cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2017-1-40-52cvmet-425Research ArticleЛитейное производствоFoundryОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И ТЕПЛООТДАЧИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ АЛЮМИНИЯ В ГРАФИТОВЫЕ ФОРМЫDETERMINATION OF HEAT TRANSFER COEFFICIENT BETWEEN ALUMINUM CASTING AND GRAPHITE MOLDБаженовВ. Е.BazhenovV. E.

канд. техн. наук, ст. препод. кафедры литейных технологий и художественной обработки материалов (ЛТиХОМ),

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4

Cand. Sci. (Tech.), senior lecturer, Department of foundry technologies and material art working (FT&MAW),

119049, Moscow, Leninskii pr., 4

V.E.Bagenov@gmail.comКолтыгинА. В.KoltyginA. V.

канд. техн. наук, доцент той же кафедры

Cand. Sci. (Tech.), assistant prof., Department of FT&MAW

misistlp@mail.comЦеловальникЮ. В.TselovalnikYu. V.

студент той же кафедры

student, Department of FT&MAW

TselovalnikYuri@gmail.comСанниковА. В.SannikovA. V.

канд. техн. наук, нач. участка Инжинирингового центра «Литейные технологии и материалы»

Cand. Sci. (Tech.), section foreman, Engineering Centre «Foundry technologies and materials»

sannikov.ltm@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology (NUST) «MISIS»Russian Federation201721022017014052Copyright © Баженов В.Е., Колтыгин А.В., Целовальник Ю.В., Санников А.В., 20172017Баженов В.Е., Колтыгин А.В., Целовальник Ю.В., Санников А.В.Bazhenov V.E., Koltygin A.V., Tselovalnik Y.V., Sannikov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/425

Для получения отливок из титановых, никелевых, медных, алюминиевых и цинковых сплавов могут использоваться формы из графита, что позволяет обеспечить высокую скорость охлаждения. При этом не нужны краски и смазки. Компьютерное моделирование процессов литья в графитовые формы требует знания теплофизических свойств заливаемого сплава и графита. Помимо этого для получения адекватных результатов моделирования необходимо определить ряд граничных условий – таких, как коэффициенты теплопередачи и теплоотдачи. Наиболее важными являются коэффициент теплопередачи между отливкой и формой, коэффициент теплопередачи между элементами формы и коэффицент теплоотдачи формы в окружающую атмосферу. В данной работе определяли коэффициент теплопередачи h (iHTC – interface Heat Transfer Coefficient) между цилиндрической отливкой из алюминия (99,99 %) и формой, выполненной из блочного графита марки ГМЗ. Форму изготавливали путем фрезерования на станке с числовым программным управлением. Нахождение коэффициента теплопередачи производилось путем минимизации значения функции ошибок, отражающей разницу между экспериментальными и полученными в процессе математического моделирования значениями температуры в форме и в отливке в процессе заливки, затвердевания и охлаждения отливки. Построены зависимости величины коэффициента теплопередачи между алюминием и графитом от температуры поверхности отливки и от времени, прошедшего с начала заливки. Установлено, что при температурах поверхности металла, контактирующего с формой, 1000, 660, 619 и 190 °С значения h равны 1100, 4700, 700 и 100 Вт/(м2 ·К) соответственно, т.е. при понижении температуры расплава от 1000 °C (температура заливки) до 660 °C (температура кристаллизации алюминия) величина h растет от 1100 до 4700 Вт/(м2 ·К), а после образования слоя твердого металла на поверхности отливки и уменьшения ее температуры – снижается. Уменьшение коэффициента теплопередачи при температурах поверхности отливки менее 660 °C, по нашему мне- нию, связано с появлением зазора между поверхностями формы и отливки вследствие линейной усадки последней. Коэффициент теплопередачи между элементами формы (графит–графит) постоянен, составляя 1000 Вт/(м2 ·К). Коэффициент теплоотдачи графита в воздушную атмосферу равен 12 Вт/(м2 ·К) при температуре поверхности формы до 600 °С.

Graphite molds can be used to produce titanium, nickel, copper, aluminum and zinc castings. Using of the graphite molds provides a high cooling rate. Moreover no die coatings and lubricants are required. To get appropriate results of the casting process simulation in graphite molds it is necessary to know thermophysical properties of materials and boundary conditions such as interface heat transfer coefficients, but they are still unknown. The most important properties are heat transfer coefficient between casting and mold, and between mold parts and between mold and environment. The heat transfer coefficient h (iHTC – interface Heat Transfer Coefficient) was determined between cylindrical aluminium (99,99 % Al) casting and mold made of low-ash graphite. The mold was produced by milling graphite blocks on the CNC machine. The heat transfer coefficient was determined by minimizing the error function, representing the difference between the experimental and obtained by simulation temperature in the mold during pouring, solidification and cooling of the casting. The dependences of the iHTC between aluminium and graphite on the temperature of the casting surface and time elapsed from the start of pouring of the casting. Determined values of the heat transfer coefficient at metal temperatures 1000, 660, 619 and 190 °С are 1100, 4700, 700 and 100 W/(m2 ·К) respectively. Therefore, with decreasing of the melt temperature from 1000 °C (pouring temperature) to 660 °C (aluminium melting point), the heat transfer coefficient increases. After casting surface forming and lowering its temperature, the heat transfer coefficient decreases. Decrease of the iHTC at temperatures below 660 °C (lower the melting point) is associated primarily with the appearance of an air gap between the mold surface and casting surface as a result of linear shrinkage. The iHTC between the mold parts (graphite– graphite) is constant 1000 W/(m2 ·К). The heat transfer coefficient between graphite and the air environment is 12 W/(m2 ·К) at the mold surface temperature up to 600 °C.

компьютерное моделирование литейных процессовProCastкоэффициент теплопередачиграфитовая форматеплофизические свойствапроцесс затвердеванияcomputer simulation of foundry processesProCastinterface heat transfer coefficientiHTCgraphite moldthermal propertiessolidificationПравительство Российской Федерации, стипендия Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (конкурс 2016—2018 гг.).ReferencesO’Connor S. Titanium rammed graphite castings // Adv. Mater. Processes. 2008. Vol. 166. No. 3. P. 29—31.O’Connor S. Titanium rammed graphite castings. Adv. Mater. Processes. 2008. Vol. 166. No. 3. P. 29—31.O’Connor S. Titanium rammed graphite castings for military applications // AMMTIAC Quarterly. 2007. Vol. 2. No. 1. P. 3—7.O’Connor S. Titanium rammed graphite castings for military applications. AMMTIAC Quarterly. 2007. Vol. 2. No. 1. P. 3—7.Фадеев А.В., Баженов В.Е., Белов В.Д., Петровский П.В., Павлинич С.П., Аликин П.В. Особенности изготовления тонкостенных отливок газотурбинного двигателя из титановых сплавов методом безмодельной технологии // Литейщик России. 2014. No. 2. С. 23—26.Fadeev A.V., Bazhenov V.E., Belov V.D., Petrovskiy P.V., Pavlinich S.P., Alikin P.V. Osobennosti izgotovleniya tonkostennykh otlivok gazoturbinnogo dvigatelya iz titanovykh splavov metodom bezmodel’noi tekhnologii [Model-free technology production specifics of thin-walled turbine engine titanium castings]. Liteishchik Rossii. 2014. No. 2. P. 23—26.Фадеев А.В., Белов В.Д., Баженов В.Е., Колтыгин А.В., Петровский П.В., Санников А.В., Никитина А.А., Павлинич С.П., Аликин П.В. Особенности изготовления крупногабаритных тонкостенных отливок газотурбинного двигателя из титановых сплавов по безмодельной технологии // Литейщик России. 2014. No. 9. С. 14—19.Fadeev A.V., Belov V.D., Bazhenov V.E., Koltygin A.V., Petrovskiy P.V., Sannikov A.V., Nikitina A.A., Pavlinich S.P., Alikin P.V. Osobennosti izgotovleniya krupnogabaritnykh tonkostennykh otlivok gazoturbinnogo dvigatelya iz titanovykh splavov po bezmodel’noi tekhnologii [Specifics of manufacturing of large-sized thin-walled turbine engine titanium castings by the model-free technology]. Liteishchik Rossii. 2014. No. 9. P. 14—19.Jia L., Xu D., Li M., Guo J., Fu H. Casting defects of Ti—6Al—4V alloy in vertical centrifugal casting processes with graphite molds // Met. Mater. Int. 2012. Vol. 18. No. 1. P. 55—61.Jia L., Xu D., Li M., Guo J., Fu H. Casting defects of Ti—6Al—4V alloy in vertical centrifugal casting processes with graphite molds. Met. Mater. Int. 2012. Vol. 18. No. 1. P. 55—61.Zanchuk V. Graphite molds cast zinc alloys // Adv. Mater. Processes. 2004. Vol. 162. No. 11. P. 66—67.Zanchuk V. Graphite molds cast zinc alloys. Adv. Mater. Processes. 2004. Vol. 162. No. 11. P. 66—67.Zanchuk V. ZA-12 alloy casting with graphite molds: economical precision parts, reduced time-to-market // Die Cast. Eng. 2006. No. 1. P. 38—41.Zanchuk V. ZA-12 alloy casting with graphite molds: Economical precision parts, reduced time-to-market. Die Cast. Eng. 2006. No. 1. P. 38—41.Mysov G.V. Use of permanent graphite molds for obtaining a bronze casting // Chem. Petrol. Eng. 1975. Vol. 11. No. 11. P. 1038—1038.Mysov G.V. Use of permanent graphite molds for obtaining a bronze casting. Chem. Petrol. Eng. 1975. Vol. 11. No. 11. P. 1038—1038.Baumeister G., Buqezi-Ahmeti D., Glaser J., RitzhauptKleissl H.-J. New approaches in microcasting: permanent mold casting and composite casting // Microsystem Technol. 2011. Vol. 17. No. 2. P. 289—300.Baumeister G., Buqezi-Ahmeti D., Glaser J., RitzhauptKleissl H.-J. New approaches in microcasting: permanent mold casting and composite casting. Microsystem Technol. 2011. Vol. 17. No. 2. P. 289—300.Chen W.-C., Teng F.-Y., Hung C.-C. Characterization of Ni—Cr alloys using different casting techniques and molds // Mater. Sci. Eng. C. 2014. Vol. 35. P. 231—238.Chen W.-C., Teng F.-Y., Hung C.-C. Characterization of Ni—Cr alloys using different casting techniques and molds. Mater. Sci. Eng. C. 2014. Vol. 35. P. 231—238.Nee A.Y.C. Handbook of manufacturing engineering and technology. London: Springer, 2015.Nee A.Y.C. Handbook of manufacturing engineering and technology. London: Springer, 2015.Pattnaik S., Karunakar D.B., Jha P.K. Developments in investment casting process: A review // J. Mater. Process. Technol. 2012. Vol. 212. No. 11. P. 2332—2348.Pattnaik S., Karunakar D.B., Jha P.K. Developments in investment casting process: A review. J. Mater. Process. Technol. 2012. Vol. 212. No. 11. P. 2332—2348.Kim M.-G., Kim S.K., Kim Y.-J. Effect of mold material and binder on metal-mold interfacial reaction for investment castings of titanium alloys // Mater. Trans. 2002. Vol. 43. No. 4. P. 745—750.Kim M.-G., Kim S.K., Kim Y.-J. Effect of mold material and binder on metal-mold interfacial reaction for investment castings of titanium alloys. Mater. Trans. 2002. Vol. 43. No. 4. P. 745—750.Kuang J.P., Harding R.A., Campbell J. Investigation into refractories as crucible and mould materials for melting and casting γ-TiAl alloys // Mater. Sci. Technol. 2000. Vol. 16. No. 9. P. 1007—1016.Kuang J.P., Harding R.A., Campbell J. Investigation into refractories as crucible and mould materials for melting and casting γ-TiAl alloys. Mater. Sci. Technol. 2000. Vol. 16. No. 9. P. 1007—1016.Prabhu K.N., Suresha K.M. Effect of superheat, mold, and casting materials on the metal/mold interfacial heat transfer during solidification in graphite-lined permanent molds // J. Mater. Eng. Perform. 2004. Vol. 13. No. 5. P. 619—626.Prabhu K.N., Suresha K.M. Effect of superheat, mold, and casting materials on the metal/mold interfacial heat transfer during solidification in graphite-lined permanent molds. J. Mater. Eng. Perform. 2004. Vol. 13. No. 5. P. 619—626.Wang D., Zhou C., Xu G., Huaiyuan A. Heat transfer behavior of top side-pouring twin-roll casting // J. Mater. Process. Technol. 2014. Vol. 214. P. 1275—1284.Wang D., Zhou C., Xu G., Huaiyuan A. Heat transfer behavior of top side-pouring twin-roll casting. J. Mater. Process. Technol. 2014. Vol. 214. P. 1275—1284.Griffiths W.D., Kawai K. The effect of increased pressure on interfacial heat transfer in the aluminium gravity die casting process // J. Mater. Sci. 2010. Vol. 45. No. 9. P. 2330—2339.Griffiths W.D., Kawai K. The effect of increased pressure on interfacial heat transfer in the aluminium gravity die casting process. J. Mater. Sci. 2010. Vol. 45. No. 9. P. 2330—2339.Sun Z., Hu H., Niu X. Determination of heat transfer coefficients by extrapolation and numerical inverse methods in squeeze casting of magnesium alloy AM60 // J. Mater. Process. Technol. 2011. Vol. 211. P. 1432—1440.Sun Z., Hu H., Niu X. Determination of heat transfer coefficients by extrapolation and numerical inverse methods in squeeze casting of magnesium alloy AM60. J. Mater. Process. Technol. 2011. Vol. 211. P. 1432—1440.Nishida Y., Droste W., Engler S. The air-gap formation process at the casting-mold interface and the heat transfer mechanism through the gap // Metall. Mater. Trans. B. 1986. Vol. 17B. P. 833—844.Nishida Y., Droste W., Engler S. The air-gap formation process at the casting-mold interface and the heat transfer mechanism through the gap. Metall. Trans. B. 1986. Vol. 17B. P. 833—844.Тихомиров М.Д. Моделирование тепловых и усадочных процессов при затвердевании отливок из высокопрочных алюминиевых сплавов и разработка системы компьютерного анализа литейной технологии: Автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб.: СПбГПУ, 2004Tikhomirov M.D. Modelirovanie teplovykh i usadochnykh protsessov pri zatverdevanii otlivok iz vysokoprochnykh alyuminievykh splavov i razrabotka sistemy komp’yuternogo analiza liteinoi tekhnologii [Simulation of thermal and shrinkage processes during solidification and developing of computer analysis model of cast technology]: Abstract of the dissertation of the PhD. St. Petersburg: SPbSPU, 2004.Prabhu K.N., Griffiths W.D. Assessment of metal/mould interfacial heat transfer during solidification of cast iron // Mater. Sci. Forum. 2000. Vol. 329-330. P. 455—460.Prabhu K.N., Griffiths W.D. Assessment of metal/mould interfacial heat transfer during solidification of cast iron. Mater. Sci. Forum. 2000. Vol. 329—330. P. 455—460.Bouchard D., Leboeuf S., Nadeau J.P., Guthrie R.I.L., Isac M. Dynamic wetting and heat transfer at the initiation of aluminum solidification on copper substrates // J. Mater. Sci. 2009. Vol. 44. No. 8. P. 1923—1933.Bouchard D., Leboeuf S., Nadeau J.P., Guthrie R.I.L., Isac M. Dynamic wetting and heat transfer at the initiation of aluminum solidification on copper substrates. J. Mater. Sci. 2009. Vol. 44. No. 8. P. 1923—1933.Prasad A., Bainbridge I.F. Experimental determination of heat transfer within the metal/mold gap in a DC casting mold. Part II. Effect of casting metal, mold material, and other casting parameters // Metall. Mater. Trans. A. 2013. Vol. 44. No. 7. P. 3099—3113.Prasad A., Bainbridge I.F. experimental determination of heat transfer within the metal/mold gap in a DC casting mold. Part II. Effect of casting metal, mold material, and other casting parameters. Metall. Mater. Trans. A. 2013. Vol. 44. No. 7. P. 3099—3113.Lu S.-L., Xiao F.-R., Zhang S.-J., Mao Y.-W., Liao B. Simulation study on the centrifugal casting wet-type cylinder liner based on ProCAST // Appl. Therm. Eng. 2014. Vol. 73. P. 512—521.Lu S.-L., Xiao F.-R., Zhang S.-J., Mao Y.-W., Liao B. Simulation study on the centrifugal casting wet-type cylinder liner based on ProCAST. Appl. Therm. Eng. 2014. Vol. 73. P. 512—521.Prabhu K.N., Chowdary B., Venkataraman N. Casting/ mold thermal contact heat transfer during solidification of Al—Cu—Si alloy (LM 21) plates in thick and thin molds // J. Mater. Eng. Perform. 2005. Vol. 14. No. 5. P. 604—609.Prabhu K.N., Chowdary B., Venkataraman N. Casting/ mold thermal contact heat transfer during solidification of Al—Cu—Si alloy (LM 21) plates in thick and thin molds. J. Mater. Eng. Perform. 2005. Vol. 14. No. 5. P. 604—609.Sutaria M., Gada V.H., Sharma A., Ravi B. Computation of feed-paths for casting solidification using level-setmethod // J. Mater. Process. Technol. 2012. Vol. 212. P. 1236—1249.Sutaria M., Gada V.H., Sharma A., Ravi B. Computation of feed-paths for casting solidification using level-setmethod. J. Mater. Process. Technol. 2012. Vol. 212. P. 1236—1249.Baghani A., Davami P., Varahram N., Shabani M.O. Investigation on the effect of mold constraints and cooling rate on residual stress during the sand-casting process of 1086 steel by employing a thermomechanical model // Metall. Mater. Trans. B. 2014. Vol. 45. P. 1157—1169.Baghani A., Davami P., Varahram N., Shabani M.O. Investigation on the effect of mold constraints and cooling rate on residual stress during the sand-casting process of 1086 steel by employing a thermomechanical model. Metall. Mater. Trans. B. 2014. Vol. 45. P. 1157—1169.Chen L., Wang Y., Peng L., Fu P., Jiang H. Study on the interfacial heat transfer coefficient between AZ91D magnesium alloy and silica sand // Exp. Therm. Fluid Sci. 2014. Vol. 54. P. 196—203.Chen L., Wang Y., Peng L., Fu P., Jiang H. Study on the interfacial heat transfer coefficient between AZ91D magnesium alloy and silica sand. Exp. Therm. Fluid Sci. 2014. Vol. 54. P. 196—203.Palumbo G., Piglionico V., Piccininni A., Guglielmi P., Sorgente D., Tricarico L. Determination of interfacial heat transfer coefficients in a sand mould casting process using an optimised inverse analysis // Appl. Therm. Eng. 2015. Vol. 78. P. 682—694.Palumbo G., Piglionico V., Piccininni A., Guglielmi P., Sorgente D., Tricarico L. Determination of interfacial heat transfer coefficients in a sand mould casting process using an optimised inverse analysis. Appl. Therm. Eng. 2015. Vol. 78. P. 682—694.Bertelli F., Cheung N., Garcia A. Inward solidification of cylinders: Reversal in the growth rate and microstructure evolution // Appl. Therm. Eng. 2013. Vol. 61. P. 577—582.Bertelli F., Cheung N., Garcia A. Inward solidification of cylinders: Reversal in the growth rate and microstructure evolution. Appl. Therm. Eng. 2013. Vol. 61. P. 577—582.Martorano M.A., Capocchi J.D.T. Heat transfer coefficient at the metal-mould interface in the unidirectional solidification of Cu—8%Sn alloys // Int. J. Heat Mass Transfer. 2000. Vol. 43. P. 2541—2552.Martorano M.A., Capocchi J.D.T. Heat transfer coefficient at the metal-mould interface in the unidirectional solidification of Cu—8%Sn alloys. Int. J. Heat Mass Transfer. 2000. Vol. 43. P. 2541—2552.Griffiths W.D. A model of the interfacial heat-transfer coefficient during unidirectional solidification of an aluminum alloy // Metall. Mater. Trans. B. 2000. Vol. 31B. No. 2. P. 285—295.Griffiths W.D. A model of the interfacial heat-transfer coefficient during unidirectional solidification of an aluminum alloy. Metall. Mater. Trans. B. 2000. Vol. 31B. No. 2. P. 285—295.Жмуриков Е.И., Савченко И.В., Станкус С.В., Tecchio L. Измерения теплофизических свойств графитовых композитов для конвертора нейтронной мишени // Вестн. НГУ. Сер. Физика. 2011. Т. 6. No. 2. С. 77—84.Zhmurikov E.I., Savchenko I.V., Stankus S.V., Tecchio L. Izmereniya teplofizicheskikh svoistv grafitovykh kompozitov dlya konvertora neitronnoi misheni [Measurements of thermal properties of graphite composites for neutron target converter]. Vestnik NGU. Seriya: Fizika. 2011. Vol. 6. No. 2. P. 77—84.Powell R.W., Ho C.Y., Liley P.E. Thermal conductivity of selected materials NSRDS 8 (Report). Washington D.C.: US Government Printing Office, 1966.Powell R.W., Ho C.Y., Liley P.E. Thermal conductivity of selected materials NSRDS 8 (Report). Washington D.C.: US Government Printing Office, 1966.Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов: Справ. рук-во. М.: Физматгиз, 1959.Chirkin V.S. Teplofizicheskie svoistva materialov [Thermal properties of materials]. Moscow: Fizmatgiz, 1959.Huggins R.A. Energy storage: fundamentals, materials and applications. Heidelberg: Springer, 2015.Huggins R.A. Energy storage: fundamentals, materials and applications. Heidelberg: Springer, 2015.Лариков Л.Н., Юрченко Ю.Ф. Тепловые свойства металлов и сплавов: Справочник. Киев: Наук. думка, 1985.Larikov L.N., Yurchenko Yu.F. Teplovye svoistva metallov i splavov [The thermal properties of metals and alloys]. Kiev: Naukova dumka, 1985.Martienssen W., Warlimont H. Springer handbook of condensed matter and materials data. Heidelberg: Springer, 2006.Martienssen W., Warlimont H. Springer handbook of condensed matter and materials data. Heidelberg: Springer, 2006.Taylor R.E., Groot H. Thermophysical properties of POCO graphite: AFOSR-TR-78-1375 (Report). Indiana: Purdue University Lafayette Properties Research Laboratory, 1978.Taylor R.E., Groot H. Thermophysical properties of POCO graphite: AFOSR-TR-78-1375 (Report). Indiana: Purdue University Lafayette Properties Research Laboratory, 1978.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.