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亚快速凝固过程中瞬态界面换热研究

张卫  
【摘要】:熔体在金属激冷体表面凝固过程中的界面换热现象广泛存在于众多快速及亚快速凝固工艺中,例如金属模铸,喷射成型,激光熔覆,平面流铸,单辊快淬,离心雾化,薄带连铸等等。液态金属和金属基体之间的热交换是凝固过程中的核心内容之一,其研究具有重要的理论意义和工程价值。界面热流的大小及变化直接影响到熔体的冷却与凝固速率,进而影响了凝固组织特征、合金元素分布、材料力学性能、产品表面质量以及生产率,也影响到金属模具的寿命。对于界面换热的精确测量和研究能够加深对产品质量具有决定意义的凝固初期行为的认识,为工艺参数的制定提供理论参考,并且可以为数值模拟提供边界条件。对界面热流的控制和改善则可以提高生产率,减少模具损耗,提高产品质量。 对于传统金属模铸工艺的界面换热研究很多,但考察的凝固时间均比较长,一般在数十秒以上。对于新兴的近快速凝固工艺如薄带连铸,其凝固时间在0.4~0.6秒之间,对薄带表面质量具有重要影响的时间段在50毫秒以内,传统研究界面换热的方法对此无能为力。因此必须设计新的实验装置和技术方法,对该阶段的界面换热进行精确测量和研究。 基于理论研究与生产实际的需要,本文主要目的是研究典型工艺因素(熔体过热度、基体温度、表面粗糙度、合金元素等)对界面传热与凝固组织的影响及其机理;针对生产实际情况设计控制及改善界面热流与凝固组织的方法(涂层、镀层、纹理等);并且建立相应的界面换热微观模型。 为了达到上述目的,本文中主要完成了以下工作并得到相应结果: (1)设计了的一种新型界面热流测量装置,能够在实验室条件下较为精确的测量钢水在铜基体上开始凝固的500ms时间段内的热流密度,得到了亚快速凝固过程中的基本热流变化曲线,具有毫秒级的分辨率。该设计相对于其他研究者所采用的装置和方法具有以下特点:基体的对称设计确保内壁边界条件为绝热;避免了在基底上的打孔操作,消除了相应误差,可以认为是严格的一维传热;焊接操作使热电偶和基底为冶金结合,从而保证热电偶和基底的良好接触,避免相关误差;结构简单,可靠性高。结果发现,常规条件下,热流在钢水和基体刚接触的20~30ms时间内达到最大值15~20MW/m2,而后热流很快降低至3~5 MW/m-2并基本保持稳定。经分析认为其对应过程分别为液态接触和固态接触阶段。 (2)建立了峰值热流与基体表面形貌,润湿角等因素之间的关系模型。结果显示,熔体和基体之间的润湿角对于峰值热流影响明显。在此基础上,探讨了不同类型纹理对热流的影响机理。 (3)以304不锈钢为实验材料,考察了钢水温度、基体温度,粗糙度等关键工艺参数对界面热流及凝固组织的影响。结果表明:界面热流峰值随钢水温度的增加而增加,随基体温度的增加先增后降,随粗糙度变化不明显。凝固壳形成后的平均热流随各因素变化较小。通过对凝固组织的观察发现,高过热度下大的界面热流可以增加凝固壳表面形核率,并在靠近表面的部分形成无扩散平面晶组织。究其原因,过热度的增加降低了熔体表面张力,因此熔体和基体之间的润湿角减小,接触情况变好,从而界面热流增加。由于界面热流增加造成熔体表面过冷度增加以及熔体和基体之间润湿角减小两个因素的共同作用,随过热度增加,凝固壳表面形核率增加。以纯铁为基础材料,研究了合金元素硅、硼、磷对界面热流的影响及其相应的凝固组织,发现随着硅含量的增加界面峰值热流减小,硼,磷元素在含量较小的情况下,对热流峰值影响不明显。凝固壳生长阶段的热流随各元素含量变化不明显。 (4)以低碳钢为实验材料,研究了基体表面镀层和纹理对界面热流及凝固组织的影响。镀层研究对象包括镀层成分,镀层厚度等,纹理包括喷砂,冷喷涂形成的表面形貌以及人为设计的梯形纹理。结果表明:镀层可以降低峰值热流,对平均热流影响不显著,对于凝固组织,可以提高其均匀性;镀层成分变化对传热和凝固组织的影响不显著。对于规则纹理,峰值热流随实际表面积的增加而增加。而对于不规则纹理,峰值热流随表面粗糙度的增加而减小,表面粗糙度对平均热流的影响不显著。大的粗糙度容易在凝固壳表面形成气孔等缺陷,对产品表面质量产生不利影响。 (5)研究了三种有代表性的涂层对热流以及凝固组织和表面质量的影响:1.以沉积碳、石墨、氮化硼为代表的无机非金属固体涂层,可以减小峰值热流并使热流随时间变化更均匀,反映在凝固组织上表现为在厚度方向上均匀一致的组织。表面晶粒较无涂层基体上的样品粗大但缺陷减少,质量得到明显改善。2.以Zn为代表的低熔点金属镀层,结果表明Zn镀层可大幅度提高凝固壳形成后的热流,相应的凝固组织可以在较大范围内保持高的冷却和凝固速率。3.以凡士林为代表的有机涂层,结果发现有机涂层大幅度降低界面热流并在凝固壳表面形成渗碳的效果,导致表面发生重熔现象。对以上现象的机理进行了初步探讨。


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