氧化对蠕墨铸铁导热性能影响的数值模拟*

杨 伟,马志军,杨 忠,段洪波

(西安工业大学 材料与化工学院,西安 710021)

大功率高速增压柴油机是国内外柴油机发展的重点和趋势。随着大功率高速增压柴油机的发展,其关键部件——气缸盖的服役工况愈益苛刻,承受的交变力与热耦合载荷不断提高,对热力疲劳服役条件下缸盖材料力学与热物理性能优化基础研究,特别是高强韧与良导热匹配及动态变化基础研究显得格外重要和迫切。相较于铝合金和灰铸铁,蠕墨铸铁(Vermicular Graphite Cast Iron,VGI)的力学性能更优异,并具有良好的导热性能,更适合用于制造大功率高速增压柴油发动机缸盖[1-4]。为提高蠕铁热力学疲劳服役条件下的使用寿命,金属材料学者们需继续展开提升蠕墨铸铁力学性能的研究,对其导热性能进行改善和优化[5-6]。

铸铁基体中的石墨形态分布对其性能起决定性作用,多数金属材料学者认为石墨形态分布及含量对铸铁的导热性能的影响较大[6-9]。一般情况下,片状石墨的导热性能优于球状石墨,因为片状石墨的生长方向主要沿基面方向,其导热系数约为2 000 W·m-1·K-1；而球状石墨的生长方向主要沿棱面方向,其导热系数为10 W·m-1·K-1。蠕虫状石墨介于片状石墨与球状石墨之间,会同时沿着基面和棱面方向生长[10]。另外,片状石墨会以共晶团的形式分布在基体中,具有三维连通性,热量可以通过石墨通道快速传递,导热性能良好；而孤立分布于基体当中的球型石墨,彼此之间无连通关系,热量只能通过基体组织之间传递,因此导热性能较差；相较于片状石墨,蠕虫状石墨的连续性稍差,但其仍以共晶团的形式存在于基体,具有一定的三维连通性,大部分热量仍能通过石墨传导。文献[11]对铸铁中破碎状石墨的导热性进行了研究,发现破碎状石墨在基体中呈大块共晶团分布,其生长主要沿棱面方向,导致其导热性能较差。文献[7]发现,石墨含量的增加,尤其是A型石墨含量的增加对铸铁的导热性能具有重要影响,可以大幅度提高热扩散系数。

铸铁在服役条件下可能出现各种物理损伤,作为缸盖材料最重要的失效方式是热机疲劳和氧化,这些均会对其导热性能产生重要的影响。本文以蠕墨铸铁为研究对象,根据氧化过程的微观组织变化,建立有限元模型,考察氧化对蠕墨铸铁导热性能的影响,为高强韧良导热蠕铁的设计和制备,以及热机疲劳服役条件下蠕铁零部件的准确寿命评估提供系统的理论和技术支持。

1 试验材料与方法

蠕墨铸铁中石墨以蠕虫的形态分布在铸铁基体上,其综合力学性能优良,介于灰铸铁和球墨铸铁之间。表1为本文采用蠕墨铸铁的名义成分(质量百分比w/%)范围。

表1 蠕墨铸铁的名义成分Tab.1 The nominal composition of the VGI

将蠕墨铸铁在500 ℃条件下保温不同的时间后,抛掉表面的连续氧化层,采用FEI QUANTA-400扫描电镜观察内部氧化后的微观组织形貌。图1为保温100 h,连续氧化层下方蠕铁的微观组织形貌。由于蠕虫状石墨具有三维连通性,蠕铁在高温氧化过程中,氧气沿着石墨与基体的界面向内部扩散,导致内部界面附近产生较为严重的氧化行为[12],而基体和孤立的球状石墨保持完好,如图1(a)所示。氧化过程中,距离试样表面越远,石墨的氧化程度越小,图1(b)为部分石墨未被氧化的扫描电镜照片,图中红色箭头为未被氧化的石墨边界,氧化同时在界面两侧分别向石墨和基体中进行。根据铸铁氧化的实验结果,建立有限元模型,讨论氧化对铸铁导热性能的影响。

图1 500 ℃保温100 h,连续氧化层下方蠕铁的微观组织形貌 Fig.1 The microstructure of VGI under continuous oxide layer after 500 ℃/100 h treatment

2 有限元模型的建立

以典型的蠕墨铸铁金相图(图2(a))为基础建立二维有限元导热模型。采用Pro/E CAD软件抽取金相照片中石墨形态并进行矢量化,保存为IGES (.igs)文件格式,然后将其导入ANSYS有限元软件,在有限元软件中采用布尔操作建立蠕铁的基体,ANSYS软件中采用Thermal Solid Quad 8node 77单元最终建立的有限元物理模型如图2(b)所示。建立模型设定上下边为绝热边界,左右两边分别为固定温度和对流换热边界条件。

利用傅立叶传热公式来评价蠕墨铸铁在x方向等效导热系数λequ,x[13],表达式为

(1)

式中：Φ为热流量；A为传热面积；dt/dx为温度梯度；λ为导热系数。

根据式(1)计算沿x方向的等效导热系数λequ,x,表达式为

(2)

式中：Φx为x方向的热流量；Ax为x方向的传热面积；ai为第i个单元垂直于x方向的面积；qi为相应的热流密度；m为传热面积上的单元数量。温度场和热流密度分布是计算等效导热系数λequ,x的基础数据。

图2 典型蠕墨铸铁二维有限元模型的建立Fig.2 2D finite element model built on the typical metallographic photo of VGI

为评估界面附近氧化对蠕铁导热性能的影响,在界面附近分别建立厚度为2,4,6,8,12 μm的氧化层,其界面氧化层为2 μm和8 μm的蠕铁有限元物理模型如图3所示,其中红色部分代表氧化层。有限元计算过程中,石墨、基体和氧化层的导热系数分别设置为130[12,14],30和8 W·m-1·K-1。本文不考虑基体中珠光体和铁素体导热性能的差异,虽然这种假设与实际情况不一致,但基本不影响对蠕墨铸铁导热性能核心问题的研究。

图3 不同界面氧化层厚度的蠕墨铸铁二维有限元模型Fig.3 2D finite element model of VGI with different interface oxide layer thicknesses

3 结果及讨论

在稳态传热条件下,不同氧化层厚度蠕墨铸铁二维有限元模型的温度场分布如图4所示,氧化层厚度分别为4 μm (图4(a))和12 μm (图4(b))。当氧化层厚度达到12 μm时,石墨已基本上被氧化殆尽,由于氧化物的导热系数明显低于基体和石墨,在同样的热边界条件下,氧化越严重,蠕墨铸铁的导热效率越低,模型左右边界的温差越大。

图5为不同界面氧化层厚度的蠕墨铸铁二维有限元模型在稳态传热条件下的热流密度分布。石墨的导热系数远高于基体,假设氧化层不存在,则通过石墨的热流密度高于基体,即相较于基体,石墨具有更高的传热效率[15]。当氧化物层的厚度为4 μm时(图5(a)),由于受低导热系数氧化层的影响,石墨的热流密度已和基体处于同一大小水平；当氧化物层的厚度为12 μm时(图5(b)),石墨已基本被氧化殆尽,其热流密度低于基体,热量将主要通过基体进行传导。

蠕墨铸铁导热系数随着氧化层厚度的变化如图6所示。随着氧化层厚度增加,蠕铁的导热系数急剧下降,但当氧化层厚度约为6 μm时,由于石墨优良的导热性能被氧化层阻隔,其传热效率已基本和基体相同,甚至低于基体,热量主要通过基体进行传导,蠕铁导热性能的下降开始趋缓。当氧化层厚度为0 μm,即蠕铁不存在氧化时,其导热系数的计算值为35.8 W·m-1·K-1,而当氧化层厚度为12 μm时,石墨基本氧化殆尽,蠕铁的导热系数下降为26.7 W·m-1·K-1,下降幅度高达25.4%,因此,氧化对蠕铁导热性能的影响较大。

图4 不同界面氧化层厚度的蠕墨铸铁二维有限元模型在稳态传热条件下的温度场分布Fig.4 The temperature field of the 2D finite element model of VGI with different interface oxide layer thicknesses under a steady heat transfer boundary condition

图5 不同界面氧化层厚度的蠕墨铸铁二维有限元模型在稳态传热条件下的热流密度分布Fig.5 The heat flux distribution of the 2D finite element model of VGI with different interface oxide layer thickness under a steady heat transfer boundary condition

图6 蠕墨铸铁导热系数随着氧化层厚度的变化Fig.6 The variation of the thermal conductivity of VGI with the thickness of oxide layer

4 结 论

本文以铸铁的实际金相图为基础,采用有限元方法建立有限元几何模型,定量讨论了石墨与基体界面附近氧化层厚度对蠕墨铸铁导热性能的影响,对合理评估蠕墨铸铁在高温氧化条件下的热机械疲劳寿命具有一定的指导意义。得出结论为：

1)随着氧化层厚度的增加,石墨的传热效率逐渐降低,基体的传热逐渐占据主导地位。当氧化物层的厚度为4 μm时,由于受低导热系数氧化层的影响,石墨的传热效率已接近基体；当氧化物层的厚度为12 μm时,石墨已基本被氧化殆尽,热量将主要通过基体进行传导。

2)随着氧化层厚度的增加,蠕墨铸铁的整体导热性能也逐渐降低。当氧化层厚度达到12 μm时,蠕墨铸铁导热系数由无氧化状态的35.8 W·m-1·K-1下降至26.7 W·m-1·K-1,下降幅度高达25.4%。