金属熔体与基体间界面换热研究及应用

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亚快速凝固技术由于较小的冷却速率,相对于快速凝固方法在工业上具有更广泛的开发推广空间而得到研究者的高度重视。目前亚快速凝固通常使用具有高热导率金属作为基体用来生产小尺寸产品,产品质量主要依赖于界面传热。本文研究了界面凝固各阶段的传热机制,利用界面液-固接触状态下热流量大,冷却速率高这一特性,提出了一种新型亚快速凝固技术方法——可熔金属铸型技术,全文围绕这一思路展开讨论。  为验证可熔铸型方法可操作性,首先设计熔体滴落实验模拟金属与基体接触瞬态的界面换热情况,采用基体-热电偶一体化的T型热电偶提高分辨率。研究了熔体滴落后20ms内界面换热系数变化规律,研究材料包括Al-Cu、Al-Si、Al-Zn以及Al-Mg合金,每组实验至少操作三次以提高准确性,结果表明,熔体与基体接触瞬间界面换热系数具有最大值,随后逐渐降低,界面换热系数变化规律可以用指数函数?=1·t-m近似表示。所研究材料中Al-30wt.%Cu与基体接触瞬间界面换热系数最高。  其次使用304不锈钢作为实验材料制备小型铸锭,使用Fluent软件建立简化模型模拟计算了304不锈钢在可熔铸型凝固过程中的液相率和温度场变化,结果表明,可熔铸型在金属液充型后12.8s开始熔化,此时已经形成很薄的一层凝固壳,40s的时候可熔铸型完全熔化,140s后铸锭凝固完成,在随后的时间内可熔铸型始终保持液态,直到1240s的时候才开始凝固。  最后,研究了可熔铸型方法对M2高速钢碳化物细化效果。M2高速钢是用于制作高速切削刀具常用钢种之一,其典型铸态组织为树枝状基体组织间分布有网状连续的共晶碳化物,高速钢导热能力差,碳化物粗大且严重损害高速钢使用性能。通过对比实验发现,使用可熔铸型可以提高高速钢凝固速度达100%,得到更加细小具有复杂层片状形貌的M2C碳化物,分析发现可熔铸型熔化后只有极少量Al元素通过热扩散渗入钢锭,深度约为250μm,可通过后续加工除去,因此可熔铸型不影响原始合金成分。
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