Com controlar la conductivitat tèrmica dels materials d'aliatge durant la fosa a baixa pressió

Com controlar la conductivitat tèrmica dels materials d'aliatge durant temperatures baixesFundició a pressió

Introducció
La fosa a baixa pressió és un mètode avançat Procés de fosa de metallsS'utilitza àmpliament en l'aeroespacial, l'automòbil, la fabricació de maquinària i altres camps, ja que pot produir peces de fosa d'alta qualitat i de formes complexes. L'aliatge d'alumini, com un dels materials més utilitzats enfosa a baixa pressió, té els avantatges de ser lleuger, d'alta resistència i de resistència a la corrosió. Tanmateix, en alguns escenaris d'aplicació específics, com ara radiadors i peces de motor, s'imposen requisits més elevats a la conductivitat tèrmica dels aliatges d'alumini. Aquest article explorarà en profunditat com controlar eficaçment la conductivitat tèrmica dels materials d'aliatge a través de diversos mitjans durant la fosa a baixa pressió per satisfer les necessitats dels diferents clients.

I. Coneixements bàsics de la conductivitat tèrmica dels materials d'aliatge
(I) Definició i importància de la conductivitat tèrmica
La conductivitat tèrmica fa referència a la capacitat d'un material per transferir calor, que normalment es mesura per conductivitat tèrmica (conductivitat tèrmica), amb la unitat de W/(m·K). En productes d'aliatge d'alumini fos a baixa pressió, una bona conductivitat tèrmica és essencial per millorar el rendiment i l'eficiència del producte. Per exemple, a la culata, el pistó i altres parts del motor de l'automòbil, la calor s'ha de dissipar a temps per garantir el funcionament normal del motor i allargar la seva vida útil; al radiador dels equips electrònics, una conductivitat tèrmica eficient pot reduir eficaçment la temperatura de funcionament dels components electrònics i millorar l'estabilitat i la fiabilitat de l'equip.
(II) Factors que afecten la conductivitat tèrmica dels aliatges d'alumini
Elements d'aliatge i composició de fases: Diferents elements d'aliatge tenen diferent solubilitat sòlida en la matriu d'alumini i en les diferents fases formades, cosa que afectarà el grau de distorsió de la xarxa i, per tant, canviarà la conductivitat tèrmica. En general, la presència d'elements d'aliatge reduirà la conductivitat tèrmica dels aliatges d'alumini en diversos graus. Per exemple, en els aliatges tradicionals d'Al-Si, a mesura que augmenta el contingut de silici, la conductivitat tèrmica de l'aliatge disminuirà.
Impureses i defectes: Els elements d'impuresa i els defectes (com ara porus, inclusions, etc.) de l'aliatge dificultaran seriosament la transferència de calor i reduiran la conductivitat tèrmica. Els àtoms d'impuresa interferiran amb el moviment dels electrons lliures a la matriu d'alumini, augmentaran l'efecte de dispersió i reduiran el nombre d'electrons lliures per a una transferència de calor eficaç; els defectes reduiran la densitat del material i la calor es dispersarà i reflectirà fàcilment als defectes durant el procés de transferència, reduint així la conductivitat tèrmica.
Tractament tèrmic procés: El tractament tèrmic pot afectar la conductivitat tèrmica canviant l'estructura de fases, la mida del gra i la uniformitat de l'aliatge. Un tractament tèrmic adequat pot optimitzar la microestructura de l'aliatge, reduir la precipitació de fases desfavorables i la segregació d'impureses als límits del gra i millorar la conductivitat tèrmica general del material.

2. Mètodes per controlar la conductivitat tèrmica dels materials d'aliatge durant la fosa a baixa pressió

(I) Optimització del disseny de la composició de l'aliatge

Triar un aliatge matricial adequat: segons els requisits específics del producte i l'entorn d'ús, trieu un aliatge d'alumini bàsic amb bona conductivitat tèrmica. Per exemple, per a components de dissipació de calor que requereixen una major conductivitat tèrmica, la conductivitat tèrmica de l'alumini pur és més alta i és possible considerar augmentar el contingut d'alumini pur adequadament; per a aplicacions que requereixen tant resistència com conductivitat tèrmica, es poden seleccionar les sèries Al-Cu, Al-Mg i altres aliatges, i el rendiment es pot equilibrar optimitzant la relació d'altres elements d'aliatge.

Addició d'elements de microaliatge: Afegint una petita quantitat d'elements de microaliatge, com ara Zn, Mn, Ti, etc., es poden refinar els grans de l'aliatge, millorar l'estructura organitzativa i, per tant, millorar la conductivitat tèrmica. Per exemple, l'addició de Zn pot millorar la resistència de l'aliatge d'alumini fins a cert punt, alhora que té un efecte relativament petit sobre la conductivitat tèrmica, i també pot optimitzar la via de conducció de calor formant fases beneficioses.
Controlar el contingut d'elements d'impuresa: controlar estrictament els elements d'impuresa de l'aliatge, com ara Fe, Si, etc. Utilitzar matèries primeres d'alta puresa i prendre mesures de refinació efectives durant el procés de fusió per reduir la introducció d'impureses. Per exemple, el Fe formarà una fase β-AlFeSi nociva en l'aliatge d'alumini, cosa que reduirà la conductivitat tèrmica i les propietats mecàniques de l'aliatge, per la qual cosa cal controlar el contingut de Fe a un nivell baix.
(II) Control precís del procés de fusió
Control de la temperatura de fusió: seleccioneu raonablement la temperatura de fusió per evitar temperatures excessivament altes o baixes que tinguin efectes adversos sobre la composició i l'estructura de l'aliatge. Les temperatures de fusió excessivament altes poden causar la crema i l'oxidació dels elements de l'aliatge i augmentar el contingut d'impureses; mentre que les temperatures excessivament baixes provocaran una fusió incompleta de l'aliatge i afectaran la uniformitat de la composició. Generalment, la temperatura de fusió de l'aliatge d'alumini es troba entre 700 ℃ i 750 ℃, i la temperatura específica s'ha d'ajustar segons la composició de l'aliatge i les condicions de l'equip.
Control del temps de fusió: Controleu el temps de fusió per garantir que els components de l'aliatge estiguin completament fosos i distribuïts uniformement, però eviteu la segregació dels elements de l'aliatge i l'engruiximent del gra causat per la fusió a llarg termini. Durant el procés de fusió, l'operació s'ha de dur a terme d'acord amb un cert flux de procés, i l'ordre d'afegir materials i el temps d'agitació s'han d'organitzar raonablement per fer que l'aliatge arribi a un bon estat de fusió. El temps de fusió general és d'aproximadament 1-2 hores.
Tractament de refinació i desgasificació: Utilitzeu tecnologies avançades de refinació i desgasificació, com ara el refinament amb gas inert (argó, nitrogen, etc.), la desgasificació al buit, etc., per eliminar gasos (hidrogen, etc.) i inclusions de l'aliatge. Durant el procés de refinació, la introducció de gas inert pot formar bombolles, que absorbeixen i eliminen les inclusions oxidades i l'hidrogen de l'aliatge durant el procés de creixement, reduint així la generació de porus i inclusions i millorant la densitat i la conductivitat tèrmica de l'aliatge.
(III) Optimització dels paràmetres del procés de fosa a baixa pressió
Control de la velocitat de pujada del líquid: Durant el procés de fosa a baixa pressió, la velocitat de pujada del líquid ha de ser moderada. Una velocitat de pujada del líquid massa ràpida provocarà corrents de Foucault al líquid metàl·lic durant el procés de pujada, arrossegant aire i impureses a la cavitat del motlle, formant porus i inclusions d'oxidació; mentre que una velocitat de pujada del líquid massa lenta farà que el líquid metàl·lic es refredi massa ràpidament durant el procés de pujada, afectant l'efecte d'ompliment i la qualitat de la fosa. Generalment, la velocitat de pujada del líquid es controla entre 0,5-2 mm/s, i la velocitat específica s'ha d'ajustar segons la forma, la mida i la fluïdesa de la fosa.
Control de la pressió d'ompliment: seleccioneu la pressió d'ompliment adequada per garantir que el líquid metàl·lic pugui omplir la cavitat de la fosa de manera suau i uniforme. Una pressió d'ompliment massa alta farà que el líquid metàl·lic impacti contra la paret de la cavitat, produeixi esquitxades i inclusions d'oxidació, i també causarà una major tensió interna dins de la fosa, afectant la conductivitat tèrmica; mentre que una pressió d'ompliment massa baixa causarà defectes com ara un ompliment incomplet i un tancament fred a la fosa. La pressió d'ompliment generalment està entre 20 i 80 kPa, i la pressió específica s'ha d'optimitzar segons factors com la complexitat de la fosa, el gruix de la paret i la fluïdesa de l'aliatge.
Control del temps de retenció: Controleu raonablement el temps de retenció per garantir que la fosa pugui obtenir una pressió de compensació de contracció suficient durant el procés de solidificació i reduir l'aparició de defectes com ara contracció i cavitats de contracció. Si el temps de retenció és massa curt, la fosa no es compensarà completament durant el procés de solidificació, cosa que provocarà una fluïdesa interna i una porositat més gran, i una conductivitat tèrmica reduïda; mentre que si el temps de retenció és massa llarg, la tensió interna de la fosa augmentarà, afectant les seves propietats mecàniques i la conductivitat tèrmica. El temps de retenció generalment es determina segons la mida de la fosa i les característiques de solidificació de l'aliatge, generalment entre desenes de segons i uns minuts.
(IV) Procés de tractament tèrmic adequat
Tractament en solució: Escalfeu l'aliatge d'alumini a una temperatura més alta (generalment entre 500 ℃ i 550 ℃) i manteniu-lo calent durant un cert període de temps, de manera que els elements soluts de l'aliatge es dissolguin completament a la matriu d'alumini per formar una solució sòlida uniforme. El tractament en solució pot millorar la resistència i la tenacitat de l'aliatge, i també és beneficiós per al tractament d'envelliment posterior i millorar la conductivitat tèrmica de l'aliatge. Tanmateix, cal tenir en compte que el control de la temperatura i el temps del tractament en solució és molt important. Un tractament en solució massa alt o massa llarg conduirà a l'engrossiment del gra i a una sobresaturació reduïda, cosa que afectarà la conductivitat tèrmica.
Tractament d'envelliment: Després del tractament en solució, l'aliatge es manté a una temperatura més baixa (generalment entre 150 ℃ i 200 ℃) per precipitar els elements de solut de l'aliatge en forma de partícules fines per formar una fase d'enfortiment dispersa, millorant així la resistència i la duresa de l'aliatge. Un tractament d'envelliment adequat pot optimitzar la microestructura de l'aliatge, reduir la segregació d'impureses i els defectes al límit del gra i millorar la conductivitat tèrmica. Tanmateix, la temperatura i el temps del tractament d'envelliment també s'han de controlar amb precisió per evitar un envelliment excessiu o insuficient, que afectarà el rendiment de l'aliatge.

3. Mètodes per a la prova i l'avaluació de la conductivitat tèrmica dels materials d'aliatge
(I) Mètode de mesura directa de la conductivitat tèrmica
Mètode d'estat estacionari: incloent el mètode de la placa de calor protegida, el mètode de la bola esfèrica, etc. El mètode de la placa de calor protegida consisteix a convertir el material que s'ha de provar en una mostra plana d'una determinada mida, col·locar-la entre dues plaques de calor protegides i calcular la conductivitat tèrmica mesurant la diferència de temperatura i el flux de calor a banda i banda de la mostra. Aquest mètode té una alta precisió de mesura, però els requisits de preparació de la mostra són estrictes i el temps de mesura és llarg. És adequat per a la investigació i les proves de materials amb requisits de conductivitat tèrmica elevats.
** Mètode transitori **: com ara el mètode de flaix làser. Aquest mètode emet un làser de pols curt a la superfície de la mostra per escalfar-la instantàniament i després mesura la corba de canvi de temperatura a la part posterior de la mostra i utilitza mètodes matemàtics com la transformada de Fourier per calcular la difusivitat tèrmica i la conductivitat tèrmica. El mètode de flaix làser té els avantatges d'una velocitat de mesura ràpida i un ampli rang d'aplicació. Pot mesurar de manera ràpida i precisa la conductivitat tèrmica dels materials, especialment per a mesures en entorns d'alta temperatura.
(II) Mètode d'avaluació indirecta
Relació entre la resistivitat i la conductivitat tèrmica: Segons la llei de Wiedemann-Franz, hi ha una certa relació entre la conductivitat tèrmica i la conductivitat elèctrica dels materials metàl·lics, és a dir, la relació entre la conductivitat tèrmica i la conductivitat elèctrica és proporcional a la temperatura. Per tant, la conductivitat tèrmica dels materials d'aliatge es pot avaluar indirectament mesurant la resistivitat (o conductivitat elèctrica) dels materials d'aliatge i combinant aquesta llei. Aquest mètode és fàcil d'operar i ràpid, però cal tenir en compte que l'aplicabilitat d'aquesta llei en diferents materials i rangs de temperatura és diferent, i calen certes correccions i verificacions.
Avaluació mitjançant proves de rendiment i aplicació real: en la producció real de fosa a baixa pressió, també es pot dur a terme una avaluació indirecta mitjançant proves de rendiment i aplicació real de les peces de fosa. Per exemple, per a productes com ara radiadors, la conductivitat tèrmica dels materials d'aliatge es pot jutjar provant el seu efecte de dissipació de calor, la distribució de la temperatura i altres indicadors de rendiment per determinar si compleixen els requisits; per a les peces del motor, l'impacte de la conductivitat tèrmica en el rendiment del producte es pot avaluar mitjançant indicadors com el rendiment de funcionament del motor i l'eficiència tèrmica.

4. Anàlisi de casos
(I) Cas de fosa a baixa pressió d'una culata de motor d'automòbil
Una determinada empresa de fabricació d'automòbils necessita produir un vehicle d'alt rendiment culata del motor d'aliatge d'alumini, cosa que requereix que tingui una bona conductivitat tèrmica i una alta resistència. En el procés de producció, es va seleccionar l'aliatge Al-Si-Cu-Mg optimitzant el disseny de la composició de l'aliatge, i el contingut de l'element d'impuresa Fe es va controlar estrictament per sota del 0,5%; en el procés de fosa, es va utilitzar tecnologia de refinació d'argó per controlar el contingut d'hidrogen per sota de 0,1 ml/100 gAl; en el procés de fosa a baixa pressió, la velocitat d'ascens del líquid es va controlar a 1,2 mm/s, la pressió d'ompliment va ser de 40 kPa i el temps de retenció va ser de 60 s; finalment, es va dur a terme un tractament de solució i un tractament d'envelliment adequats. Després d'una sèrie de mesures de control, la conductivitat tèrmica del capçal del motor produït va arribar a més de 120 W/(m·K), cosa que va complir els requisits de disseny i va millorar eficaçment l'efecte de dissipació de calor i la fiabilitat del motor.
(II) Caixa de fosa a baixa pressió d'un radiador electrònic
Una empresa de fabricació d'equips electrònics necessita un radiador d'aliatge d'alumini amb una alta conductivitat tèrmica, que requereixi una conductivitat tèrmica no inferior a 150 W/(m·K). En el procés de producció, s'utilitza alumini d'alta puresa com a base i s'afegeixen quantitats adequades de Cu, Mn i altres elements per optimitzar la conductivitat tèrmica i les propietats mecàniques de l'aliatge; en el procés de fosa, la temperatura i el temps de fosa es controlen estrictament, i s'utilitzen processos de desgasificació i refinació al buit per garantir la puresa de l'aliatge; en el procés de fosa a baixa pressió, el disseny del motlle i els paràmetres del procés s'optimitzen perquè el metall fos pugui omplir uniformement la cavitat i reduir la generació de defectes interns; al mateix temps, les peces de fosa es laminen en fred, es tracten tèrmicament i es processen altres processos per millorar encara més la conductivitat tèrmica del material. La conductivitat tèrmica del dissipador de calor finalment produït arriba als 160 W/(m·K), cosa que compleix els requisits de dissipació de calor dels equips electrònics i garanteix el funcionament estable de l'equip.

5. Conclusió
En el procés de fosa a baixa pressió, el control de la conductivitat tèrmica dels materials d'aliatge és un projecte sistemàtic, que requereix una consideració i optimització exhaustives de múltiples aspectes, com ara el disseny de la composició de l'aliatge, el procés de fosa, el procés de fosa i el procés de tractament tèrmic. Mitjançant una selecció raonable dels elements d'aliatge, un control estricte del contingut d'impureses, un control precís dels paràmetres de fosa i fosa i l'adopció de processos de tractament tèrmic adequats, la conductivitat tèrmica dels aliatges d'alumini es pot millorar eficaçment per satisfer els requisits de rendiment dels diferents clients per als productes. Al mateix temps, l'elecció de mètodes de prova i avaluació adequats per mesurar i jutjar amb precisió la conductivitat tèrmica dels materials d'aliatge també és un mitjà important per garantir la qualitat i el rendiment del producte.