高温合金、铜合金与模具钢接触换热行为研究

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在金属材料热加工过程中,热的金属与冷的模具之间存在剧烈的热量交换,将影响模具型腔尺寸、零件成形精密度和内部微观组织,进而影响模具和零件的服役性能和寿命。金属与模具间的换热受到材料、温度、界面压力、表面状态等多工艺因素影响,使得界面接触换热特性变化复杂,难以准确表征。同时,接触换热系数作为其重要的边界条件,是金属塑性成形数值模拟计算中的重要参数,其数据的准确性将影响数值计算温度场的可靠性。在金属热加工过程中,主要有两种典型换热形式:瞬态热传递和稳态热传递。本文采用自主开发的金属换热测量装置,对C276高温合金与5Cr Mn Mo模具钢间瞬态传热、铜及其合金与H13模具钢稳态传热分别进行了系统的实验研究,探究了多个工艺因素对接触换热系数的影响规律。具体研究内容如下:(1)采用瞬态接触换热装置,测量C276/5Cr Mn Mo接触过程中的温度随接触时间变化曲线,进而基于反传热算法计算获得接触界面的瞬时温度和换热系数。研究结果表明,在接触前期,两试样界面温差急剧下降,接触换热系数迅速上升,其后缓慢上升。C276/5Cr Mn Mo的瞬态接触换热系数与界面压力呈幂指数关系,并随压力的增加而增大;温度对C276/5Cr Mn Mo的瞬态接触换热系数影响较为复杂,界面接触换热系数随温度的增加呈现先升高后下降的趋势,其原因是当C276温度高于800℃时,试样表面将形成一定厚度氧化层并阻碍了热量传递,使接触换热系数下降;在温度、压力相同条件下,表面未氧化试样接触换热系数大于表面氧化试样,随压力增加两者差距加大;界面润滑剂可以填充界面间的微间隙,从而大幅度提高换热系数。(2)采用稳态接触换热装置,在界面温度为200~600℃、压力为1.56~12.56MPa条件下,测量了纯铜和H62黄铜与H13钢在稳态接触条件下的温度曲线,并基于稳态热流法计算获得了不同条件下的接触换热系数。研究结果表明,接触的历史过程对接触换热系数有较大影响,相比于从低载荷加载到目标压力时,从高载荷卸载到同一目标压力时的接触换热系数更大;在相同接触历史条件下,接触换热系数随界面温度的升高而增大;当界面平均温度大于400℃时,接触换热系数增速变快;接触换热系数与压力呈幂指数关系增长,随着压力的增大,接触换热系数增速逐渐变缓。
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