Fe-Cr-Ni合金轴套熔模铸造过程数值 研究

作者：郑晓敏

  Fe-Cr-Ni合金采用150 kg中频感应电炉熔炼，用熔模铸造顶注式浇注。容易产生缩松、缩孔、热裂等铸造缺陷[1，2]。铸造模拟软件ProCAST能够对铸件在成形过程中的流场、温度场和应力场进行仿真分析并可以准确模拟铸造过程中的充型和凝固过程，准确预测各种铸造缺陷的产生，为优化铸造工艺方案，提高铸件尺寸精度和质量稳定性提供借鉴[1，3]。

    本课题采用ProCAST软件对Fe-Cr-Ni合金轴套的铸造过程进行模拟，预测了缺陷可能产生的位置，为轴套熔模铸造工艺作了深入研究，为实际生产提供优化的工艺方案。

1  数值模拟

1.1  实体建模和网格划分

    铸件为套筒状的轴套，材质为Fe-Cr-Ni合金，最薄处壁厚为16 mm，铸件尺寸见图1a。采用Pro/Engi-neer三维实体造型软件进行整个浇注系统的造型，见图1b。

将Pro/Engineer所建的三维模型保存为igs格式文件，采用ProCAST软件自带的MeshCAST功能进行面网格划分和修复，网格长度为12 mm，采用Pro-CAST软件自带的Shell功能生成一个厚度为10 mm的型壳，最后生成体网格。用PreCAST打开生成体网格的mesh格式文件，见图2。模型尺寸为197 mm×193 mm×595 mm，节点总数为28 755个，网格总数为130 382个。不需要进行热辐射分析，因此面网格划分前不进行扣箱的设置。

1.2  材料热物性参数和应力数据

    表1为Fe-Cr-Ni合金的化学成分。其热物性参数和应力参数的选择，对模拟计算的准确性有着决定性影响[4]。热物性参数主要包括焓、热导率和密度等。应力参数主要包括杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、屈服应力和硬化系数等。由于高温合金的高温力学性能参数尤其是糊状区的力学性能参数很难得到[5]，ProCAST软件提供了Scheil、Lever和Back Diffusion 3种模型，可以根据材料的化学成分与热力学数据库来计算合金的热物性参数和应力参数[3]。Cr、Si、Mn和Cu合金元素的含量都超过了ProCAST软件中自带材料数据库中的值，因此，把材料成分输入到JMatPro材料性能模拟软件中计算得到该合金的热物性参数和应力参数，然后导入到ProCAST模拟软件中进行计算。型壳材料采用石英砂。

1.3初始条件和边界条件的确定

    通过JMatPro材料性能模拟软件计算得到的Fe-Cr-Ni合金的液相线和固相线温度分别为1 261℃和1 186℃。根据实际生产工艺，模拟时选取金属液的浇注温度为1 420℃，浇注速度约为3．0m/s，空冷，在浇注温度为650℃时进行模拟。重力充型，重力加速度为9.8m／S2。接触面类型为COINC，金属与砂型间的传热系数为500 W／(m2．K)3]。最大时间步长设置为20 000，模拟的终止条件是在400℃时停止计算，最后保存为d at格式的文件。

    通过ProCAST求解器即可得到金属液充型、凝固温度场、流场和应力场的模拟结果。为了使结果更加准确，先进行流场和温度场的耦合-6]，再进行应力场的模拟。模拟结果用后处理模块ViewCAST来观察。

2  模拟结果分析

2.1  充型过程分析

    轴套浇注时，钢包中的钢水流经直浇道，然后依次流入横浇道、内浇道和轴套，整个充型过程需要9. 657s。图3为2. 578 9、4.856 1、7.416 4和9.512 8 s时铸件纵向充型过程的温度场模拟结果，可以看到轴套充型完整、连续，未产生冷隔、浇不足等缺陷。

2.2铸件凝固过程分析

    图4为铸件凝固时间和缩松、缩孔分布情况。从图4a可以看出，黑色区域的凝固时间最长，为3 327.2 s。该区域大多数为浇注系统，铸件上也有少部分黑色区域。还可以看出铸件按照定向凝固原则从下到上进行凝固（远离冒口圈的部分先凝固，然后是靠近冒口圈部分）。从图4b可以看出，缩松、缩孔在浇冒系统区域产生的比较多，铸件部位也有少量的缩松、缩孔，这一结果与凝固时间分析结果相一致。由于合金的凝固温度（液相线与固相线温度）间隔比较宽，型壳的散热又较慢，使凝固时合金中两相区较宽，所以铸件易产生缩松、缩孔。浇注后随着温度降低，铸件中的纯液相不存在，成为液态和固态共存的凝固区域，合金的流动性变差，不易对较远的细小孔洞进行补缩，容易阻塞金属补缩通道[7]。而且枝晶之间互相搭接，使冒口圈与铸件之间形成隔绝的“孤岛”（见图4b），根本无法补缩；在收缩应力作用下，产生热裂且使裂纹从冒口圈处纵向下移至铸件处，横向从内壁向外延伸。

  2.3应力场分析

    型壳采用Rigid模型，铸件域采用Elasto-Plastic模型，在大多数情况下，采用弹一塑性模型会得到更真实的结果[3] 。将STRESS设置为1，打开应力，PIPEFS由默认的0.3设置为0，进行应力场模拟。

    图5为铸件的有效应力和热裂切片图。从图5a可以看出，铸件的最大有效应力出现在铸件最下面最薄的部位，但是靠近铸件内壁应力比较集中。这是由于缩松、缩孔的存在，减小了铸件的有效承载面积，造成应力集中。这与实际浇注中出现热裂纹的位置基本相同。实际铸件热裂纹缺陷位置见图6。

    从图5b可以看到，铸件的内壁、冒口圈与铸件之间热裂倾向很大，并且冒口圈内壁由于散热条件最差，强度很低，成为最易产生裂纹的部位。模拟结果与实际生产中轴套的热裂部位及热裂由内壁向外延伸的情况也符合。

    铸件在固液区内存在一个“脆性温度区间”，此时合金的强度极低[1,8]。合金在该区间冷却时，由于铸件固态线收缩受阻，当铸件的局部最大收缩拉应力超过合金在该温度下的强度极限时，或者由拉应力引起的塑性变形超过其伸长率时，铸件就会发生热裂[9]。液膜理论认为，铸件冷却到固相线附近时，晶体周围少量没凝固的液体构成液膜，如果铸件收缩受到某种阻碍，变形主要集中在液膜上，晶体周围的液膜被拉长。当应力足够大时，液膜开裂，形成晶间裂纹来释放收缩应力。因此，热裂纹是铸件在凝固末期晶间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果[10]。

    从模拟结果可以看出，铸件在凝固过程中冒口圈与铸件之间产生缩松、缩孔，该缺陷的产生使得该部位的强度更低，合金收缩时该部位的拉应力大于其强度极限，因此容易产生裂纹。重力铸造主要靠浇冒口来实现补缩[11] 。因此，可适当加大冒口斜度，使冒口圈加粗。又由生产经验得到，该合金材料各组元截面，可以看出横浇道高度设计不合理，因此将横浇道高度由原来的50 mm扩大到80 mm，使得铸件有足够的补缩量；目的是让缩松、缩孔转移到浇冒系统中去。两种方案的模拟结果见图7。

    由图7a可以看出，加粗冒口圈时，缩松、缩孔全部转移到浇冒系统中。和图7a相比，扩大横浇道截面的效果更加明显，缩松、缩孔全部转移到横浇道上。因此生产实际验证时采取扩大横浇道截面的方法，第一，由模拟结果发现该方案效果更加明显；第二，该方案不需要更换模具，做蜡模时操作也方便。2.4生产验证

    生产验证时采取第2种方案：扩大横浇道截面，横浇道高度由原来的50 mm扩大到80 mm，使得铸件有足够的补缩量。扩大横浇道截面比例后，生产验证得到了合格的铸件。

3  结  论

利用ProCAST模拟了该Fe-Cr-Ni合金轴套的充型和凝固过程，通过对铸造过程中流场、温度场和应力场的模拟结果分析，预测了轴套的热裂倾向与分布情况，模拟结果与生产实际基本符合。采取扩大横浇道截面的方法，使得铸件有足够的补缩量，通过生产实际验证得到了合格的铸件产品。 

4摘  要应用ProCAST软件对Fe-Cr-Ni,合金轴套的熔模铸造过程进行了数值模拟与分析，主要包括充型过程，凝固时间、缩孔、缩松的形成过程和应力场。模拟结果预测了轴套中存在的热裂缺陷，与实际生产情况基本符合。分析结果表明，轴套铸件产生热裂纹的主要原因是在凝固过程中冒口圈与铸件之间产生了缩松、缩孔，该缺陷的产生使得此部位的强度降低，合金收缩时该部位的拉应力大于其强度极限，因此容易产生裂纹。采取扩大横浇道截面的方法，使得铸件有足够的补缩量，通过生产得到了合格的铸件。