亞快速凝固過(guò)程中瞬態(tài)界面換熱研究.pdf

1、熔體在金屬激冷體表面凝固過(guò)程中的界面換熱現(xiàn)象廣泛存在于眾多快速及亞快速凝固工藝中，例如金屬模鑄，噴射成型，激光熔覆，平面流鑄，單輥快淬，離心霧化，薄帶連鑄等等。液態(tài)金屬和金屬基體之間的熱交換是凝固過(guò)程中的核心內(nèi)容之一，其研究具有重要的理論意義和工程價(jià)值。界面熱流的大小及變化直接影響到熔體的冷卻與凝固速率，進(jìn)而影響了凝固組織特征、合金元素分布、材料力學(xué)性能、產(chǎn)品表面質(zhì)量以及生產(chǎn)率，也影響到金屬模具的壽命。對(duì)于界面換熱的精確測(cè)量和研究能夠加

2、深對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量具有決定意義的凝固初期行為的認(rèn)識(shí)，為工藝參數(shù)的制定提供理論參考，并且可以為數(shù)值模擬提供邊界條件。對(duì)界面熱流的控制和改善則可以提高生產(chǎn)率，減少模具損耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
　　對(duì)于傳統(tǒng)金屬模鑄工藝的界面換熱研究很多，但考察的凝固時(shí)間均比較長(zhǎng)，一般在數(shù)十秒以上。對(duì)于新興的近快速凝固工藝如薄帶連鑄，其凝固時(shí)間在0.4~0.6秒之間，對(duì)薄帶表面質(zhì)量具有重要影響的時(shí)間段在50毫秒以內(nèi)，傳統(tǒng)研究界面換熱的方法對(duì)此無(wú)能為力。因此必須設(shè)計(jì)

3、新的實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)方法，對(duì)該階段的界面換熱進(jìn)行精確測(cè)量和研究。
　　基于理論研究與生產(chǎn)實(shí)際的需要，本文主要目的是研究典型工藝因素（熔體過(guò)熱度、基體溫度、表面粗糙度、合金元素等）對(duì)界面?zhèn)鳠崤c凝固組織的影響及其機(jī)理；針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際情況設(shè)計(jì)控制及改善界面熱流與凝固組織的方法（涂層、鍍層、紋理等）；并且建立相應(yīng)的界面換熱微觀模型。
　　為了達(dá)到上述目的，本文中主要完成了以下工作并得到相應(yīng)結(jié)果：
　?。?）設(shè)計(jì)了的一種新型界面熱流

4、測(cè)量裝置，能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下較為精確的測(cè)量鋼水在銅基體上開(kāi)始凝固的500ms時(shí)間段內(nèi)的熱流密度，得到了亞快速凝固過(guò)程中的基本熱流變化曲線，具有毫秒級(jí)的分辨率。該設(shè)計(jì)相對(duì)于其他研究者所采用的裝置和方法具有以下特點(diǎn)：基體的對(duì)稱設(shè)計(jì)確保內(nèi)壁邊界條件為絕熱；避免了在基底上的打孔操作，消除了相應(yīng)誤差，可以認(rèn)為是嚴(yán)格的一維傳熱；焊接操作使熱電偶和基底為冶金結(jié)合，從而保證熱電偶和基底的良好接觸，避免相關(guān)誤差；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)條件下，

5、熱流在鋼水和基體剛接觸的20~30ms時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值15~20MW/m2，而后熱流很快降低至3~5 MW/m-2并基本保持穩(wěn)定。經(jīng)分析認(rèn)為其對(duì)應(yīng)過(guò)程分別為液態(tài)接觸和固態(tài)接觸階段。
　?。?）建立了峰值熱流與基體表面形貌，潤(rùn)濕角等因素之間的關(guān)系模型。結(jié)果顯示，熔體和基體之間的潤(rùn)濕角對(duì)于峰值熱流影響明顯。在此基礎(chǔ)上，探討了不同類型紋理對(duì)熱流的影響機(jī)理。
　?。?）以304不銹鋼為實(shí)驗(yàn)材料，考察了鋼水溫度、基體溫度，粗糙度等關(guān)鍵

6、工藝參數(shù)對(duì)界面熱流及凝固組織的影響。結(jié)果表明：界面熱流峰值隨鋼水溫度的增加而增加，隨基體溫度的增加先增后降，隨粗糙度變化不明顯。凝固殼形成后的平均熱流隨各因素變化較小。通過(guò)對(duì)凝固組織的觀察發(fā)現(xiàn)，高過(guò)熱度下大的界面熱流可以增加凝固殼表面形核率，并在靠近表面的部分形成無(wú)擴(kuò)散平面晶組織。究其原因，過(guò)熱度的增加降低了熔體表面張力，因此熔體和基體之間的潤(rùn)濕角減小，接觸情況變好，從而界面熱流增加。由于界面熱流增加造成熔體表面過(guò)冷度增加以及熔體和基體

7、之間潤(rùn)濕角減小兩個(gè)因素的共同作用，隨過(guò)熱度增加，凝固殼表面形核率增加。以純鐵為基礎(chǔ)材料，研究了合金元素硅、硼、磷對(duì)界面熱流的影響及其相應(yīng)的凝固組織，發(fā)現(xiàn)隨著硅含量的增加界面峰值熱流減小，硼，磷元素在含量較小的情況下，對(duì)熱流峰值影響不明顯。凝固殼生長(zhǎng)階段的熱流隨各元素含量變化不明顯。
　?。?）以低碳鋼為實(shí)驗(yàn)材料，研究了基體表面鍍層和紋理對(duì)界面熱流及凝固組織的影響。鍍層研究對(duì)象包括鍍層成分，鍍層厚度等，紋理包括噴砂，冷噴涂形成的表面

8、形貌以及人為設(shè)計(jì)的梯形紋理。結(jié)果表明：鍍層可以降低峰值熱流，對(duì)平均熱流影響不顯著，對(duì)于凝固組織，可以提高其均勻性；鍍層成分變化對(duì)傳熱和凝固組織的影響不顯著。對(duì)于規(guī)則紋理，峰值熱流隨實(shí)際表面積的增加而增加。而對(duì)于不規(guī)則紋理，峰值熱流隨表面粗糙度的增加而減小，表面粗糙度對(duì)平均熱流的影響不顯著。大的粗糙度容易在凝固殼表面形成氣孔等缺陷，對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。
　?。?）研究了三種有代表性的涂層對(duì)熱流以及凝固組織和表面質(zhì)量的影響：1

9、.以沉積碳、石墨、氮化硼為代表的無(wú)機(jī)非金屬固體涂層，可以減小峰值熱流并使熱流隨時(shí)間變化更均勻，反映在凝固組織上表現(xiàn)為在厚度方向上均勻一致的組織。表面晶粒較無(wú)涂層基體上的樣品粗大但缺陷減少，質(zhì)量得到明顯改善。2.以Zn為代表的低熔點(diǎn)金屬鍍層，結(jié)果表明Zn鍍層可大幅度提高凝固殼形成后的熱流，相應(yīng)的凝固組織可以在較大范圍內(nèi)保持高的冷卻和凝固速率。3.以凡士林為代表的有機(jī)涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有機(jī)涂層大幅度降低界面熱流并在凝固殼表面形成滲碳的效果，導(dǎo)致