ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И ТЕПЛООТДАЧИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЛИТЬЯ АЛЮМИНИЯ В ГРАФИТОВЫЕ ФОРМЫ

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.

компьютерное моделирование литейных процессов, ProCast, коэффициент теплопередачи, графитовая форма, теплофизические свойства, процесс затвердевания

1. O’Connor S. Titanium rammed graphite castings // Adv. Mater. Processes. 2008. Vol. 166. No. 3. P. 29—31.

2. O’Connor S. Titanium rammed graphite castings for military applications // AMMTIAC Quarterly. 2007. Vol. 2. No. 1. P. 3—7.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Zanchuk V. Graphite molds cast zinc alloys // Adv. Mater. Processes. 2004. Vol. 162. No. 11. P. 66—67.

7. 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.

8. Mysov G.V. Use of permanent graphite molds for obtaining a bronze casting // Chem. Petrol. Eng. 1975. Vol. 11. No. 11. P. 1038—1038.

9. 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.

10. 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.

11. Nee A.Y.C. Handbook of manufacturing engineering and technology. London: Springer, 2015.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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, 2004

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов: Справ. рук-во. М.: Физматгиз, 1959.

36. Huggins R.A. Energy storage: fundamentals, materials and applications. Heidelberg: Springer, 2015.

37. Лариков Л.Н., Юрченко Ю.Ф. Тепловые свойства металлов и сплавов: Справочник. Киев: Наук. думка, 1985.

38. Martienssen W., Warlimont H. Springer handbook of condensed matter and materials data. Heidelberg: Springer, 2006.

39. Taylor R.E., Groot H. Thermophysical properties of POCO graphite: AFOSR-TR-78-1375 (Report). Indiana: Purdue University Lafayette Properties Research Laboratory, 1978.