Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

В. Е. Баженов, старший преподаватель кафедры ЛТиХОМ, эл. почта: V.E.Bagenov@gmail.com
А. В. Петрова, магистрант кафедры ЛТиХОМ
А. В. Колтыгин, канд. техн. наук, доцент кафедры ЛТиХОМ
Ю. В. Целовальник, магистрант кафедры ЛТиХОМ

Для моделирования процессов заполнения и затвердевания отливок в системах компьютерного моделирования литейных процессов необходимо знать коэффициент теплопередачи h (interface heat transfer coefficient) между отливкой и формой. В данной работе определяли коэффициент теплопередачи между цилиндрической отливкой диаметром 50–56 мм и высотой 150 мм из магниевого сплава МЛ5 (АZ91) и формой из холоднотвердеющей смеси на синтетическом связующем. Температурные поля в форме и температуру металла определяли с помощью двенадцати термопар, установленных в форме и полости формы, показания которых были записаны при заливке, затвердевании и охлаждении отливки. В программе ProCast было проведено моделирование заполнения и затвердевания исследуемой отливки и получены кривые охлаждения для точек в модели, соответствующих положению термопар во время экспериментальной заливки. Использовали теплофизические свойства формы, имеющиеся в литературе, и теплофизические свойства сплава, вычисленные с использованием термодинамической базы данных программы ProCast. Моделирование и запись замеров температур проводили до 1500 с. Для определения коэффициента теплопередачи использовали функцию ошибок, которая показывает разницу между экспериментальными и расчетными значениями температуры в отливке и форме. Значение коэффициента теплопередачи задавали в виде температурной зависимости. Выше температуры ликвидуса сплава (610 ^oС) задавали значение коэффициента теплопередачи в интервале h_L = 600–1300 Вт/(м2.К) через каждые 100 Вт/(м²·К), а ниже температуры солидуса сплава (415 ^oС) коэффициент теплопередачи h_S = 500–700 Вт/(м²·К). Подбирали такое значение коэффициента теплопередачи, при котором значение функции ошибок было минимальным, а значит, и разница между расчетным и экспериментальным распределением температур в отливке и форме также была минимальной. Найденные значения коэффициентов теплопередачи между отливкой и формой выше температуры ликвидуса h_L = 1100 Вт/(м²·К) и ниже температуры солидуса h_S = 600 Вт/(м²·К), которые обеспечивают значение функции ошибок не более 20 ^oС.

Статья подготовлена при поддержке Министерства образования и науки РФ, Договор от 27 мая 2017 г. № 03.G25.31.0274 и при поддержке стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (конкурс 2016–2018 гг.).

1. Wang D., Zhou C., Xu G., Huaiyuan A. Heat transfer behavior of top side-pouring twin-roll casting // Journal of Materials Processing Technology. 2014. Vol. 214. P. 1275–1284.
2. Griffiths W. D., Kawai K. The effect of increased pressure on interfacial heat transfer in the aluminium gravity die casting process // Journal of Materials Science. 2010. Vol. 45, No. 9. P. 2330–2339.
3. Sun Z., Hu H., Niu X. Determination of heat transfer coefficients by extrapolation and numerical inverse methods in squeeze casting of magnesium alloy AM60 // Journal of Materials Processing Technology. 2011. Vol. 211. P. 1432–1440.
4. Nishida Y., Droste W., Engler S. The аir-gap formation process at the casting-mold interface and the heat transfer mechanism through the gap // Metallurgical Transactions B. 1986. Vol. 17B. P. 833–844.
5. 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. Санкт-Петербург : СПбГПУ, 2004.
6. 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 // Journal of Materials Science. 2009. Vol. 44, No. 8. P. 1923–1933.
7. 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 // Applied Thermal Engineering. 2014. Vol. 73. P. 512–521.
8. Chen L., Wang Y., Peng L., Fu P., Jiang H. Study on the interfacial heat transfer coefficient between AZ91D magnesium alloy and silica sand // Experimental Thermal and Fluid Science. 2014. Vol. 54. P. 196–203.
9. Sutaria M., Gada V. H., Sharma A., Ravi B. Computation of feed-paths for casting solidification using level-set-method // Journal of Materials Processing Technology. 2012. Vol. 212. P. 1236–1249.
10. 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 // Metallurgical and Materials Transactions: B. 2014. Vol. 45. P. 1157–1169.
11. 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 // Applied Thermal Engineering. 2015. Vol. 78. P. 682–694.
12. Bertelli F., Cheung N., Garcia A. Inward solidification of cylinders: Reversal in the growth rate and microstructure evolution // Applied Thermal Engineering. 2013. Vol. 61. P. 577–582.
13. Martorano M. A., Capocchi J. D. T. Heat transfer coefficient at the metal-mould interface in the unidirectional solidification of Cu – 8%Sn alloys // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2000. Vol. 43. P. 2541–2552.
14. Griffiths W. D. A model of the interfacial heat-transfer coefficient during unidirectional solidification of an aluminum alloy // Metallurgical and Materials Transactions: B. 2000. Vol. 31B, No. 2. P. 285–295.
15. ГОСТ 2138–91. Пески формовочные. Общие технические условия. — Введ. 1993–01–01.
16. Scheil E. Remarks on the crystal layer formation // Metallkd. 1942. Vol. 34. P. 70–72.
17. Chandler H. Heat treater’s guide: practices and procedures for nonferrous alloys. OH : ASM International, 1996. — 669 р.
18. ГОСТ 2856–79. Сплавы магниевые литейные. Марки. — Введ. 1981–01–01.
19. Rudajevová A., Stank M., Luká P. Determination of thermal diffusivity and thermal conductivity of Mg – Al alloys // Materials Science and Engineering: A. 2003. Vol. 341, No. 1. P. 152–157.
20. Lee S., Ham H. J., Kwon S. Y., Kim S. W., Suh C. M. Thermal conductivity of magnesium alloys in the temperature range from –125 ^оC to 400 ^оC // International Journal of Thermophysics. 2013. Vol. 34, No. 12. P. 2343–2350.
21. Rudajevová A., Kiehn J., Kainer K. U., Mordike B. L., Lukác P. Thermal diffusivity of short-fibre reinforced Mg – Al – Zn – Mn alloy // Scripta materialia. 1998. Vol. 40, No. 1. P. 57–62.
22. Rudajevová A., Luká P. Thermal diffusivity and thermal conductivity of Mg alloys and Mg-matrix composites // Acta Universitatis Carolinae. Mathematica et Physica. 2000. Vol. 41, No. 1. P. 3–36.
23. Lindemann A., Schmidt J., Todte M., Zeuner T. Thermal analytical investigations of the magnesium alloys AM 60 and AZ 91 including the melting range // Thermochimica acta. 2002. Vol. 382, No. 1. P. 269–275.
24. Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М. и др. Физические величины : справочник / под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М. : Энергоатомиздат, 1991.
25. Midea T., Shah, J. V. Mold Material Thermophysical Data // AFS Transactions. 2002. Vol. 110. P. 121–136.
26. Yu K.-O. Modeling for casting and solidification processing. — New York : CRC Press, 2001.