作者：张毅
采用铸造模拟软件模拟铸件充型、凝固过程，可以对铸造过程进行工艺分析和质量预测，从而完成铸件的工艺优化，达到优化工艺设计、缩短产品试制周期、降低生产成本、提高铸造生产的经济效益和产品竞争能力的目的。
本课题果用华铸CAE软件对尺寸为Ø100 mm的低铬铸铁磨球的铸造工艺进行了温度场的数值模拟，预测了铸造中可能产生缺陷的位置，并对磨球内部产生缩孔的原因进行了分析。通过增加上铁型及砂套，缩短内浇道尺寸等对浇冒系统进行修改和优化，实现了磨球的顺序凝固，并减少了缩孔缺陷。
1 原方案模拟与分析
1.1 原工艺及三维模型的建立
原工艺采用砂型铸造，铸造工艺示意图见图1。采用一箱6件的中心冒口补缩铸造工艺。铸件材料为zoCr2（质量分数，C为2.1%～3.6%，Si≤1.5%，M n为0.3%～1.5%，Cr为1.0%～3.0%，Mo≤1.0%，Cu≤0.8%，S≤0.1%，P≤0.1%)，铸型材料为潮模砂（其中膨润土为4%～5%，煤粉为4%--5%，水分为4.5%～5.5%），铸件采用Pro/E软件进行三维造型。见图2。
1.2铸造工装设计及剖分
利用华铸CAE软件进行网格剖分。流场计算时把网格设为3.5 mm，网格总数约为100万（见图3），温度场计算时把网格设为2.0 mm，网格总数约为400万（见图4），从而在提高计算精度的同时节约计算时间，在温度场计算时采用相对较密的网格，利于缺陷判断。
1.3流场模拟
(1)初始条件初始浇注温度为1 360℃，铸型初始温度为25℃，浇注时间为5～6 s。
(2)边界条件铸件和砂型的材料密度、比热容和导热系数都是随温度变化的。铸件与铸型的界面传热系数为500 W／(m2．K)。铸件整体与环境的热交换形式采用华铸CAE预定义的空冷。采用重力浇注进行充型，浇注速度为2m／s。
磨球铸件的充型时间约为6.15 s，图5为不同时刻磨球铸件的充型图。由图5可知，充型时，合金液从铸件的底部同时进入铸型，并最终在冒口处停止，该过程流速适中，充型也比较平稳。在充型的过程中没有明显的卷气、夹渣现象，说明该浇注系统流场性能较好，设计合理。
1.4温度场模拟
1.4.1 初始条件与边界条件
液态金属浇入铸型后，在型腔内的凝固过程是一个金属铸件向铸型和环境放热冷却的过程。当液态金属充满型腔后，忽略铸件凝固过程中液态金属发生的对流传热，铸件凝固过程可以看作是一个不稳定导热的过程，其数学模型为：
(1)计算域中的温度
铸件区域
由图6可以看出，磨球球心偏上位置存在缩孔缺陷。这是由于液态金属在凝固过程中存在体积收缩，而这部分收缩又得不到外来金属液补缩的缘故。原工艺中的冒口与内浇道直接相连，金属液冷却凝固过程中，由于内浇道金属液的冷却速度要比磨球内的快，并且最先在内浇道处形成凝固层，封闭了冒口内金属液的补缩通道。图7为原工艺铸件凝固时间为32 s时的模拟结果。由图7可以看出，铸件凝固时间为32 s时，磨球中的金属液已与冒口分开，而磨球金属液将继续收缩，在得不到金属液补缩的条件下，最终在磨球内部形成缩孔。
2 铸造工艺优化设计
2.1 工艺优化设计
对于C含量为3. 5%、Si含量为2.5%左右的低铬合金铸铁，浇注温度一般为1 360℃，共晶温度为1 150℃，去除浇注系统内降温50℃，过热度为160℃，液态收缩为3. 2%，凝固收缩为3%，总收缩量为6.2%，线收缩为2. 07%，就铸件整体而言需要强化补缩。虽然原工艺中的Ø100 mm低铬合金铸铁磨球质量和断面的尺寸都较大，冷却速度较慢，需要充分利用冒口内金属液的补缩。
为此，从以下3个方面对原工艺方案进行了改进。
(1)采用砂套加半金属型上型 采用砂套加半金属型上型结构可以强化磨球上方激冷，使磨球优先凝固，让冒口中的金属液对磨球充分补缩。由于低铬合金铸铁件属于层状凝固，因此铸造时应考虑顺序凝固的原则。磨球金属型铸造采用砂套起到保温冒口和内浇道的作用，可明显提高冒口与磨球凝固时间比，有利于冒口内金属液向磨球补缩，采用砂套还可以显著提高金属型的寿命。砂套的三维造型设计见图8。
(2)为保证良好的补缩，内浇道要尽量短缩短内浇道，会导致磨球难以与内浇道分离，应综合考虑，比如在内浇道与磨球间增加一些小的凹槽，有助于从内浇道上敲掉磨球。
(3)尽量减小冒口的高度 为了达到补缩的目的，冒口的凝固时间需要比铸件的凝固时间长，而铸件的凝固时间又和铸件的模数相关。采用砂套保温冒口的设计，可在保证铸件质量要求的前提下，在原设计的基础上适当减小冒口高度和体积，以节省金属液，提高铸件出品率。原设计中铸件出品率为69. 6%，改进方案中的铸件出品率为80. 7%，见图9和图10。
2.2优化方案模拟及结果对比
图11为工艺改进后磨球凝固467 s的缺陷分布。可以看出，改进工艺后，冒口内的金属液温度高于磨球内的温度，内浇道通畅。这是因为工艺改进后增加的砂套有效地提高了低铬合金铸铁的凝固顺序，使金属液按照磨球、内浇道、冒口的顺序凝固，冒口内的金属液温度始终高于磨球内的金属液温度，便于补缩；改进工艺后内浇道缩短，抑制了内浇道附近金属液随着温度的降低而可能发生的堵塞现象。可以看出最后出现缩孔的位置位于冒口上部分，这与采用新工艺实际生产出的磨球缩孔位置相符合。
3 结 论
(1)对砂型铸造Ø100 mm磨球模拟，结果准确地反映了缩孔缺陷产生的位置，并对原工艺缩孔缺陷成因进行了分析。
(2)通过采用砂套保温冒口，缩短内浇道，实现了磨球的顺序凝固。采用改进后的工艺方案实际浇注，结果表明，顺序凝固条件下磨球内部没有出现缩孔、缩松缺陷，磨球关键部位质量良好。
4摘要针对尺寸为Ø100 mm的ZQCr2低铬合金铸铁磨球的铸造工艺，利用华铸CAE软件对磨球的凝固过程进行了流动场和温度场的数值模拟，预测了Ø100 mm低铬合金铸铁磨球在铸造中可能产生的缺陷位置，并对磨球内部产生缩孔、缩 松的原因进行了分析。通过增加上铁型及砂套，缩短内浇道尺寸等进行了修改和优化，并对浇冒系统优化前、后的铸造方
案进行了温度场的数值模拟对比。结果表明，优化后的浇冒系统实现了顺序凝固，缩孔缺陷从磨球内部转移到了冒口内，模拟结果与实际浇注结果相符。
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