艦船用大功率柴油機氣缸套離心鑄造工藝優化

田瑩瑩，魏崇一，關銳，朱曉雷，艾新港，廖相巍

（1. 遼寧科技大學材料與冶金學院， 遼寧 鞍山 114051；2. 海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室， 遼寧 鞍山 114009）

柴油機是目前世界范圍內船舶推進領域應用最廣的動力裝置，缸套作為主要易損件，是柴油機必不可少的核心部件之一。 國產柴油機氣缸套主要采用傳統鑄造工藝生產， 普遍存在疏松縮孔等冶金缺陷， 導致國內船用柴油機產業長時間受制于人[1]。 若能夠有效解決上述工藝難題，將極大地推動艦船用柴油機的國產化步伐，或將成為“中國制造2025”的一面新旗幟[2]。 離心鑄造工藝能夠快速形成圓柱形的自由表面， 凝固速率較快且疏松縮孔缺陷較少，大幅提升氣缸套成品質量；且相比于傳統鑄造工藝，離心鑄造后續切削工藝簡單，極大地提高了生產效率[3]。 中國衛星海上測控部劉彥輝[4]通過改進缸套材料，改善了柴油機缸套穴蝕問題；陜西柴油機重工有限公司王敏剛等[5]通過均勻控制型腔內部溫度和外加冷鐵， 消除了離心鑄造船用柴油機缸套白斑、云斑缺陷；夏樂春等[6]通過數值模擬研究了工藝參數對于微觀組織的影響規律。然而，艦船用大功率柴油機氣缸套尺寸遠大于常規離心鑄造鑄件， 凝固過程中疏松縮孔缺陷愈加嚴重[7]，極大影響成品質量。

本項目基于數值模擬方法，通過研究不同工藝參數下氣缸套內部溫度場變化及缺陷預測，系統研究離心鑄造工藝對微觀凝固組織及疏松縮孔的影響，以實現高質量艦船用大功率柴油機氣缸套的穩定生產， 為最終K4169 合金離心鑄造技術的開發和工藝參數優化提供一定的數據支持。

1 離心鑄造模型的建立

1.1 數學模型的建立

（1） 在離心鑄造過程中，熔融金屬液在充型凝固過程中具有自由表面、粘性、不可壓縮、非穩態流動特點，滿足連續性方程和動量守恒方程如下：

式中， ρ 為流體密度，kg/m3；ui（i=1，2，3）為速度矢量，m/s；t 為非穩態時間項，s；xi（i=1，2，3）為x 方向坐標，m。

式中，p 為壓力，GPa；u、υ、w 為速度在x、y、z 上矢量分量；fx為質量力，m/s2；μ 為動力粘度，kg/（m·s）。

1.2 物理模型及網格劃分

圖1 為氣缸套模型。

圖1 氣缸套模型Fig. 1 Cylinder Liner Model

采用的模具為外徑56 mm、內徑38 mm、長度500 mm 的K4169 離心鑄管， 鑄型規格為76 mm×58 mm×520 mm 的石墨鑄鐵。 鑄型與鑄件之間的換熱系數為500 W/（m2·K）， 冷卻方式為空冷，換熱系數為10 W/（m2·K），環境溫度為20 ℃。 采用三角形網格劃分，網格總數為819 350 個。

2 鑄造工藝設定

2.1 材料物性參數

鑄件選用材料為K4169 鎳基高溫合金， 化學成分見表1。

表1 K4169 高溫合金化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in K4169 Superalloy（Mass Fraction） %

將材料含量按照其各自占比導入ProCAST 材料數據庫中， 計算得出該高溫合金的固相線溫度為1 255 ℃，液相線溫度為1 332 ℃。 具體相關熱物性參數與溫度的關系如圖2 所示。

圖2 相關熱物性參數與溫度的關系Fig. 2 Relationship between Thermophysical Parameters and Temperature

2.2 經驗公式計算轉速

經驗公式計算轉速如下：

式中，n 為離心澆注轉速，r/min； G 為重力系數，m/s2， 一般取值為40～110； r 為鑄件內表面半徑，m。 計算得到此鑄件的澆注轉速范圍為970～1 608 r/min。

3 模擬結果及分析

3.1 不同澆注溫度條件模擬分析

在已知液相線溫度1 332 ℃基礎上， 初步設置轉速為1 100 r/min， 澆注溫度區間1 360～1 450 ℃，加熱梯度為30 ℃。 圖3 為凝固40 s 溫度場。

由圖3 可以觀察到，在離心澆注過程中，凝固過程從鑄錠表面向芯部逐步進行， 金屬液在徑向上溫度場分布很均勻，溫度梯度較小，這是由于金屬液內表面與空氣， 外表面與鑄型雙向傳熱造成的；而在軸向上溫度場的分布情況是兩端溫度低，中間溫度高，溫度最高位置在鑄件的厚壁端。由于部分金屬液先接觸到鑄型受到激冷，溫度下降，導致該處的溫度低于其周圍的溫度。 隨著澆注溫度的增加，鑄件的凝固速率會有一定程度降低，在該選取時刻鑄件的固相率逐漸下降， 凝固時間也會相應增長。觀察該時間點的液面厚度發現，在離心澆注過程中， 臥式離心澆注下半液面的厚度明顯高于上內表面鋼液厚度。

圖3 凝固40 s 溫度場Fig. 3 Temperature Field at Solidification Time of 40 s

圖4 為凝固40 s 金屬液面圖。如圖4 所示，由于在離心力與重力的連續作用下，1 100 r/min 的轉速下，金屬液會在下內表面造成一定的富余，在模擬結果上體現為下液面的厚度較上內表液面厚度增加。

圖4 凝固40 s 金屬液面圖Fig. 4 Metal Liquid Level at Solidification Time of 40 s

圖5 為凝固結束溫度場分布，由圖5 看出，完全凝固階段澆注溫度高的鑄件內部高溫區域面積大，金屬液在該區域最后凝固， 缺陷也容易在內表面富集，造成產品質量缺陷。 采用離心澆注，金屬液在鑄型較大離心轉速下，壓力沿著徑向不斷增加，會產生較大離心力， 金屬液在離心力作用下會沖擊已形成或正在形成的枝晶， 產生游離破碎枝晶作為異質形核中心，達到細化晶粒的效果，使鑄件的組織細密。

圖5 凝固結束溫度場分布Fig. 5 Distribution of Temperature Fields at End of Liquid Phase Solidified

圖6 為凝固組織缺陷預測圖。

由圖6 可知，1 390 ℃時鑄件疏松縮孔缺陷數量最少，這是由于隨著澆注過熱度的增加，金屬液的液態保持時間更久，粘度減小，會提高金屬液的充型能力，減少鑄件的冷隔缺陷。但是澆注溫度過高，晶粒生長時間增加，容易形成粗大的晶粒，可能會導致硬質相的偏聚富集， 影響鑄件性能。 此外， 澆注溫度過高還會增大金屬凝固過程中的收縮量，易形成疏松縮孔等缺陷。 同時，澆注溫度越高，金屬液需要加熱的時間也越長，造成了一定的資源浪費，降低了生產效率。研究發現離心澆注的疏松縮孔缺陷在下內表面較為富集， 分析認為是鑄件內壁位置的金屬液離心力較大， 加上重力的作用，在下表面由于金屬液富集較為嚴重，高溫區域面積大且持續時間長，形成缺陷，與圖4、圖5觀察的結果一致。

圖6 凝固組織缺陷預測圖Fig.6 Prediction Map for Solidification Microstructure Defects

3.2 不同轉速模擬結果及分析

臥式離心鑄造過程中， 金屬液在鑄造過程中受到離心力與重力的共同作用， 在徑向上由于離心力的作用， 金屬液會緊貼著鑄型的內壁進行旋轉， 但是重力作用下會導致金屬液的徑向流動發生一定程度上的中心偏轉， 但是中心偏轉程度會隨著鑄型轉速的增加而減小，使得金屬液在鑄型內部運動更加均勻，提高鑄件質量。 但過大的轉速會導致金屬液在鑄型內部發生飛濺和紊流，反而會降低鑄件質量。

在上述澆注溫度模擬基礎上，模擬得出最佳的澆注溫度為1 390 ℃。 圖7 為不同轉速液面偏轉情況，澆注時鑄型溫度為200 ℃。

由圖7 看出，隨著離心轉速的增加，金屬液在鑄件內部上表面的液面不斷減薄； 較低轉速情況下，鑄件內部下表面會存在金屬液沉積，由于部分金屬液的速度不足以驅動其到達鑄件內部上表面，導致鑄件上半部分的壁厚會小于下半部分壁厚，嚴重情況下會造成進入上半部分的金屬液流動到上表面的速度過小，導致上部分的金屬液來不及補充就隨鑄型發生旋轉，造成金屬液在鑄型內部流動混亂。 結合金屬液面在上下分布情況綜合分析，轉速在1 500 r/min 時，金屬液流動較為均勻，充型效果較好，但仍然存在一定的中心偏轉現象。圖8 為不同轉速組織缺陷預測。

圖7 不同轉速液面偏轉情況Fig. 7 Liquid Phase Interface Deflection with Different Centrifugal Speeds

由圖8 可以看到，隨著轉速的增加，鑄件內部的疏松縮孔缺陷改善較為明顯， 這是由于隨著鑄型轉速不斷提高， 鑄型轉動產生的離心力不斷增大，鑄管內表面的組織結構不斷均勻細化，宏觀表現為組織結構缺陷數量不斷減少。

圖8 不同轉速組織缺陷預測Fig. 8 Prediction Map for Solidification Microstructure Defects with Different Centrifugal Speeds

3.3 不同鑄型溫度澆注模擬結果及分析

選取200、300、400、500 ℃的鑄型進行模擬，其他工藝參數不變，圖9 為不同鑄型溫度凝固40 s 時溫度場。從圖9 可以看出，溫度分別在200、300、400、500 ℃時，鑄件內壁上下截面的溫度不斷增大，這可能會造成在鑄型溫度增加的條件下，內壁金屬液凝固溫度過高， 影響金屬液在澆注凝固過程中的凝固時間。圖10 為鑄型溫度對凝固時間的影響趨勢。

圖9 不同鑄型溫度凝固40 s 時溫度場Fig. 9 Distributions of Temperature Fields with Different Molding Temperatures at Solidification Time of 40 s

從圖10 可以看出，當鑄型溫度在200～500 ℃范圍變化時，隨著鑄型溫度的增加，鑄件的冷卻時間分別為35.49、39.73、45.59 及52.90 s。 鑄型溫度在500 ℃時，凝固時間最長。 金屬液完全凝固時間與鑄型溫度之間近乎呈線性關系。凝固過程結束時，隨著鑄型溫度的不斷增加， 鑄管橫截面上的溫度梯度不斷減小， 這樣就會導致離心鑄管截面上凝固時間差異變小，離心鑄管的疏松縮孔傾向性降低。

圖10 鑄型溫度對凝固時間的影響趨勢Fig. 10 Tendency Chart for Effect ofMolding Temperatures on Solidification Time

圖11 為不同鑄型溫度凝固組織缺陷預測圖。從圖11 可以看出， 在澆注溫度1 390 ℃條件下，鑄型為500 ℃鑄管中的疏松縮孔缺陷得到較為明顯的改善。 因而，為提高離心鑄管的冶金質量，在滿足充型的前提條件下，盡可能采取低澆注溫度、高鑄型溫度的澆注方式。

圖11 不同鑄型溫度凝固組織缺陷預測圖Fig. 11 Prediction Map for Defects of Solidification Microstructures at Different Molding Temperatures

4 結論

（1） 澆注溫度會影響金屬液的運動狀態及凝固時間，澆注溫度為1 390 ℃時，鋼液離心運動較為平穩，在金屬液最后凝固位置，易出現疏松縮孔。鑄件的凝固順序是由外到內逐層凝固，最后凝固位置在鑄件的厚壁端（下半段）的中間位置。

（2） 離心轉速過高或過低都會降低鑄件的質量。 在1 100～1 600 r/min 范圍內，鑄件上端厚度比下端薄，發生“偏心”現象；離心轉速為1 500 r/min時，金屬液流動中心偏移幅度較小，充型效果較好。

（3） 鑄型溫度是鑄件凝固冷卻時間的關鍵影響因素。隨著鑄型溫度的升高，鑄件的凝固時間也不斷變長，凝固速率變慢。冷卻時間與鑄型溫度之間近乎呈線性關系，在合適溫度區間內，提高鑄型溫度有利于提高組織性能。

致謝

感謝十四五國家重點研發計劃項目（2021YFB3702005）、國家自然科學基金項目（52304352、51974155）、教育部“春暉計劃”科技合作項目（202200042）、遼寧省科技廳博士科研啟動基金計劃項目（2023-BS-182）、遼寧省教育廳高校新型智庫課題（LJKZK-Y202319）、鞍鋼集團海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室技術開發項目（HGSKL-USTLN（2022）01）和遼寧科技大學大學生創新創業訓練計劃項目（S202310146055）的支持。