大型托架鑄件充型過程數值模擬及工藝改進

宋　廣　接金川　張　蓬　李廷舉

(1.大連國運興鑄造有限公司，遼寧116104；

2.大連理工大學材料與科學工程學院，遼寧116024)

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大型托架鑄件充型過程數值模擬及工藝改進

宋廣1接金川2張蓬1李廷舉2

(1.大連國運興鑄造有限公司，遼寧116104；

2.大連理工大學材料與科學工程學院，遼寧116024)

摘要：以大型鎳基合金托架鑄件為例，利用ProCAST軟件模擬不同澆注溫度下的充型過程，并對模擬結果進行分析，從而確定適宜的澆注溫度，最終制造出合格的鑄件。

關鍵詞：托架；數值模擬；ProCAST

1鑄件描述及結構分析

鎳基合金由于在650～1 000℃高溫下具有較高的強度和一定的抗氧化腐蝕能力等綜合優良性能而廣泛應用于化工廠和酸性耐高溫等環境。本文的托架鑄件選用Inconel 713C材質(其化學成分如表1所示)以滿足其特定工作環境。鑄件外形尺寸為2 900 mm×2 100 mm×250 mm，壁厚為15 mm，要求鑄件表面無冷隔和縮孔等鑄造缺陷。

表1　Inconel 713C材質化學成分 (質量分數，%)

由于此托架主體壁厚較薄，除中心交叉部位有兩處相連的厚大熱節，其它壁板交叉處的模數也較小，可不考慮冒口直接補縮。根據鑄件的結構特點，需采用細高冒口增加補縮壓力，制定的鑄造3D工藝圖如圖1所示。此鑄件生產的難點在于選擇合理的澆注溫度，既要保證充型良好，無冷隔澆不足等缺陷，又要防止由于澆注溫度過高而造成粘砂及氧化等缺陷。

圖1　托架3D鑄造工藝圖

2前處理參數設置

溫度是影響大型薄壁件質量的主要因素，因此選用三種不同的澆注溫度對充型過程進行模擬，其具體參數設置如下：

(1)采用ProCAST自帶模塊meshing進行網格剖分，鑄件的網格數為83萬。砂箱網格邊長尺寸為鑄件網格尺寸的2倍，網格數為115萬。

(2)鑄件材質為Inconel 713C，液相線溫度為1 315℃，固相線溫度為970℃。根據其液相線溫度，選取澆注溫度分別為1 400℃、1 450℃和1 500℃。

(3)砂型選用樹脂砂，初始溫度為室溫20℃。

(4)根據所選砂型及材質，確定熱導率為500 W/(m·K)。

(5)根據澆包的大小及澆注條件，確定初始澆注速度為0.6 m/s。

3模擬結果及分析

鎳基合金的流動性主要取決于兩個因素：一是合金的雜質含量，固態夾雜物的聚集會顯著降低合金的流動性；二是澆注溫度，充型溫度的提高會增加合金的流動性。實際生產中，通過添加造渣劑及除渣劑，采用多次除渣的方法，可有效去除合金中的雜質。因此，鑄件澆注溫度成為影響鎳基合金流動性的最主要因素。當澆注溫度過低時，鎳基合金的流動性會變差，充型能力也會相應減弱，甚至出現合金充型未結束便開始凝固的現象，導致鑄件出現冷隔甚至澆不足等鑄造缺陷。

按照上述參數設置進行模擬計算。圖2為1 400℃澆注時的溫度場分布，在此條件下凝固雖已結束，但充型率只有64.5%，托架的上表面邊緣部位有很多澆不足，冒口也沒有充滿。圖3和圖4分別為1 450℃及1 500℃澆注時凝固結束后溫度場分布，在這兩種情況下，鑄件都已充滿，鑄件是在充型完全結束以后開始凝固的。此外，從溫度場分布來看，形成以冒口部位為中心、圓環逐層包圍狀溫度梯度場，這說明冒口可有效的對托架鑄件進行補縮。

圖2　1 400℃澆注時凝固結束后溫度場分布

鎳基合金在高溫環境下具有優良的耐腐蝕性能，是由于在金屬表面形成耐腐蝕的氧化膜，然而在金屬液凝固過程中，氧化膜是鑄件形成冷隔缺陷的主要因素之一。當金屬液溫度較高時，氧化膜的表面張力小會自動破裂，但當金屬液在流動過程中溫度下降時，氧化膜的表面張力會相應增加。如果金屬液的壓力不足以克服金屬液氧化膜的表面張力，兩層金屬液面就不能充分熔合，并形成冷隔缺陷。

圖3 1450℃澆注時凝固結束后溫度場分布Figure3 Temperaturefielddistributionaftersolidificationat1450℃圖4 1500℃澆注時凝固結束后溫度場分布Figure4 Temperaturefielddistributionaftersolidificationat1500℃

鎳基合金鑄件形成冷隔的另一種因素是金屬液析出初生相，造成金屬液的流動性差，阻塞流動通道，特別是在鑄件薄壁處及熔體匯流處，由于這些部位金屬液溫度低，往往會出現冷隔缺陷。

圖5為1 450℃澆注條件下鑄件不同充型時間的流場分布情況。可以看到有多次金屬液匯流情況，特別是第29 s的匯流由于金屬液流動距離長，4個匯流處的金屬液溫度較低。圖5(d)顯示鑄件第46 s充型情況，由于金屬液溫度變低，充型過程出現斷流現象，金屬熔合能力非常差。另外，金屬液流的邊緣出現很多手指狀突起，不易融為一體，特別是在鑄件頂部薄壁處很容易出現冷隔。

(a)第8s(b)第12s(c)第29s(d)第46s

由圖6可發現右下角的匯流處溫度已低于液相線溫度，這種情況下流頭很容易產生堅固的氧化膜，影響熔合而形成冷隔缺陷。而在1 500℃澆注條件下，整個鑄件溫度均高于液相線溫度，溫度場分布情況較好，如圖7所示。由此可知，為使鑄件不出現冷隔及澆不足缺陷，澆注溫度應不低于1 500℃。

圖6　1 450℃澆注條件下充型

圖7　1 500℃澆注條件下充型

4工藝改進措施及生產結果

基于以上模擬分析過程，結合生產現場情況，為防止托架鑄件在澆注過程中出現冷隔及澆不足缺陷，在澆注過程中應采取以下措施：

(1)1 500℃澆注溫度可基本滿足要求。為了提高安全系數，仍需修正數值模擬與實際生產中不可控因素存在的偏差，如鑄型實際換熱系數和合金流場偏差等因素。因此適當提高澆注溫度，將其控制在1 520～1 530℃。

(2)模擬過程中，初始澆注速度為0.6 m/s，澆注時間約為63 s，通過模擬分析可發現個別邊角部位仍出現斷流現象，因此需適當提高澆注速度，將澆注時間控制在60 s以內，控制澆注過程一氣呵成，避免澆注斷流及澆注速度忽快忽慢的現象發生。

(3)鑄型與合金的換熱系數直接影響合金冷卻速度，為了減少合金充型過程中熱量損失造成的合金冷卻加快，可在鑄型表面刷涂三次醇基隔熱涂料，使其厚度大于0.3 mm，以有利于薄壁托架鑄件成型。

(4)保證鑄型內合金的液面高度，增加冒口補縮壓力，以使金屬液內部壓力大于金屬液氧化膜的表面張力。另外，根據合金液面變化情況，及時進行補澆，以保證冒口液面高度。

根據上述模擬工藝參數及改進措施，澆注了一件托架鑄件(實測澆注溫度1 528℃)。經冒口切割及噴砂處理后，可看到該托架鑄件表面質量良好，無肉眼可視冷隔及澆不足現象，這說明經模擬分析后所采用的工藝能成功制造出合格的托架鑄件。

5結論

(1)采用ProCAST模擬后，通過溫度場及流場判定鑄件中存在冷隔風險的部位，從而調整工藝避免缺陷的產生，但不能預測缺陷的尺寸。

(2)根據模擬結果，在生產及后續質量檢測過程中應重點關注托架鑄件最后充型部位及金屬液匯流部位，這些部位由于金屬液溫度低，往往會產生冷隔及澆不足缺陷。

(3)澆注溫度直接影響托架鑄件的充型過程。澆注溫度高，金屬液流動性好，充型較容易。澆注溫度低，金屬液流動性差，充型困難并且容易出現冷隔及澆不足等鑄造缺陷。

致謝：感謝中國一汽鑄造有限公司所提供的ProCAST軟件模擬支持和幫助。

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編輯杜青泉

Numerical Simulation of Mold Filling Process for

Heavy Bracket Casting and Its Process Improvement

Song Guang, Jie Jinchuan, Zhang Peng, Li Tingju

Abstract：By taking the heavy nickel base alloy bracket casting as an example, adopting ProCAST software to simulate the mold filling process at various pouring temperature, and analyzing the results of simulation, the appropriate pouring temperature has been determined. Eventually, the qualified casting has been manufactured.

Key words：bracket; numerical simulation; ProCAST

作者簡介：宋廣(1984—)，男，碩士，工程師。電話：0411-87271633，E-mail：songguang@163.com

基金項目：國家自然科學 51471042資助。

收稿日期：2015—08—04

中圖分類號：O242.1

文獻標志碼：A