ProCAST在鑄件精鑄工藝確定過程中的應用

馬軍義，高 華，王飛超

（1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.鄭州輕研合金科技有限公司，河南 鄭州 450041）

在合金的實際研發生產過程中，經常會碰到到客戶帶著樣品或是一張圖紙甚至是一個思路，要求我們提供樣件或批量合金鑄件產品。在大致評估我們具備批量提供鑄件能力并能為單位帶來一定經濟利益的前提下，就需要做以下工作：選定合適的鑄造方式（以精密鑄造為例）、設計建立鑄件模型、設計壓蠟模具、設計合適的澆鑄方案、精密鑄件制殼、預設合理的澆鑄工藝及后續處理方案等[1]，本文僅就澆鑄方案環節的確定做以簡述。利用ProCAST軟件對鑄造過程進行模擬仿真，對優化鑄造工藝、縮短研制周期、降低試驗開發費用具有重要意義。其可以通過分析不同澆鑄方案的優缺點，預測縮孔、疏松、澆不足、表面夾雜等可能出現的鑄件缺陷，提前采取預防性措施。

1 鑄件分析

（1）鑄件材質分析。該鑄件采用的是ZL205A鋁合金，這是一種我國自行研制的具有國際先進水平的高純高強度鑄造合金，具有很高的室溫強度和良好高溫性能，在航空、航天及重要民品上有越來越廣泛的應用，但它的鑄造性能差特別是流動性差，凝固溫度區間大，約90℃[2]，故其有如下幾個缺點：嚴重的縮松傾向；合金的流動性差；合金的線收縮率較大；合金的氣密性差；熱裂傾向大。必須通過設計合適的澆鑄方案，加強凝固溫度梯度，造成順序凝固，保證組織細小致密，才能使各部位得到良好的補縮，從而得到滿足客戶要求的品質。

（2）鑄件結構分析。通過UG軟件對預生產鑄件進行三維實體建模，如圖1所示。

圖1 鑄件三維實體建模

該鑄件為曲面結構，分型較為復雜，軸向最大長度760mm，最小厚度約10mm，最大厚度約120mm，壁厚呈順序增大，利于補縮。基于客戶對產品質量的要求、目前我們單位具備的生產條件及后期加工處理等綜合考慮，擬采用近似成型的硅溶膠精密鑄造工藝生產。根據鑄件的尺寸規格及精鑄制殼的組合特點，可以采用水平造型、傾斜澆注，或是水平造型、垂直澆注等不同的澆鑄方案[3]。

2 工藝參數的確定

熔模鑄造在設計澆注系統時應充分考慮金屬液快速平穩充型，并在合理的位置留有排氣孔、內澆道、補縮通道等，以避免鑄件產生縮孔等影響鑄件質量的缺陷[4]。該鑄件采用開放式底注式澆注系統，便于快速充型，同時充型過程平穩，得于排氣、集渣。利用ProCAST軟件進行有限元模型的建立，設置鑄件的材料為ZL205A。型殼共7層，實驗從環保角度考慮采用硅溶膠型殼。根據鑄件對強度型殼強度要求，采用1層面層、5層背層和1層封閉層工藝，型殼厚度大約為6 mm，對應軟件材料中的ACTORY_Fused_Silica。然后將鑄件部分設置為“0”，型殼部分設置為“100%”。界面類型設置為COINC，鑄件和型殼之間的換熱系數為500W/（m2·K），型殼與空氣的換熱系數為50W/（m2·K）；設置重力方向為正z方向，大小為9.8 m/s，型殼預熱溫度為300℃。一般情況，鑄件澆注溫度控制在合金結構液相溫度上80℃～120℃，而對于特殊鑄件（如薄壁，復雜鑄件），應提高溫度。實驗根據鑄件材料及生產實際情況設置其澆注溫度為735℃，取澆注時間t=10s。

3 鑄造方案的篩選與確定

3.1 水平造型，傾斜澆注

3.1.1 頂注式澆注

圖2 鑄件頂注模型及頂注模擬

根據模擬澆注結果發現，該方法優點是造成上熱下冷的溫度場，利于逐層補縮，補縮擴張角大，可以最大限度避免或減少縮松縮孔缺陷。

缺點是從頂注流下導致流程長，充型不平穩，鋁液表面氧化皮易于破裂，卷入鋁液內部，容易形成二次氧化夾渣，沖砂缺陷。

3.1.2 階梯式澆注

圖3 鑄件階梯式澆道模型與階梯式澆鑄模擬

根據模擬澆注結果發現，該方法優點是先從底部充型，再從頂部充型，可以保證自上而下凝固溫度場，利于補縮；同時充型較頂注式平穩。缺點是充型有些紊亂，容易產生氧化夾渣缺陷。

圖4 鑄件底注澆道模型與底注澆鑄模擬

3.2 水平造型，垂直澆注

3.2.1 底注式澆注

根據模擬澆注結果發現，（簡述一下凝固過程）該方案充型不夠平穩，從上至下沒有緩沖，同時由于內澆道進水導致其根部過熱，凝固緩慢，造成如圖所示凝固時拖長尾，而該部位則可能補縮不良，存在縮松缺陷。

3.2.2 底注式鑄造工藝優化設計

圖5 鑄件底注澆道與冷鐵放置模型與底注澆鑄模擬

根據模擬澆注結果發現，采用直、橫、內澆注系統，橫澆道做為緩沖，使沖下來的鋁液流動平穩，進入鑄型后充型平穩，同時橫澆道設計成漸變式的截面，使三個內澆道同時充型；內澆道附近安放冷鐵，澆注完成后，促使底部先凝固，消除拖尾現象，避免或減少縮松缺陷。

外加冷鐵的底注式澆注方案，不論是鑄件的成型性還是對鑄件的內外在質量效果最佳，也最有可能達到客戶的質量要求，并且制備成本增加極少，可以作為優先澆鑄方案開展試驗制備。

4 結論

（1）采用精密鑄造工藝開發某種特定成分合金的特種結構鑄件時，使用Procast軟件可以對鑄件的充型及凝固過程進行模擬，預判鑄件中可能存在的內外在質量缺陷。

（2）根據Procast軟件模擬的結果，可以采取預防性措施，降低預判缺陷出現的幾率，提高成品率和原材料的利用率。

（3）通過Procast軟件篩選合理的的鑄造工藝，能夠縮短新產品的研發時間，減少不必要的試驗環節，達到節約成本、及早滿足市場要求及提高企業效益的目的。