灰鑄鐵端蓋消失模鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

趙澤文，賈麗敏，于延龍，李春海，趙華社，譚建波

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018；3.石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北石家莊 050100； 4.邯鄲群山鑄造有限公司，河北邯鄲 057350)

消失模鑄造技術(shù)作為21世紀(jì)新的鑄造技術(shù)，由于生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、適合于大批量鑄件的生產(chǎn)，因此，該技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。QIU等[5]研究了振動(dòng)凝固對灰鑄鐵消失模鑄造組織和性能的影響,當(dāng)振幅為2 mm時(shí)，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和伸長率最高分別為147.51 MPa和1.17%。JEZIERSKI等[6]研究了消失模鑄造球墨鑄鐵件中產(chǎn)生光亮碳缺陷的工藝因素，結(jié)果顯示澆注溫度和鐵的化學(xué)成分對有光澤的碳缺陷有影響。XIAO等[7]采用消失模鑄造工藝，在振動(dòng)的情況下制備了灰鑄鐵試樣，研究了振動(dòng)頻率對基體密度、初生相尺寸和灰鑄鐵性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)振動(dòng)頻率為35 Hz時(shí)，初生奧氏體最細(xì)，基體密度最高。消失模鑄造技術(shù)由于消失模模樣的存在，從而導(dǎo)致充型過程與傳統(tǒng)的空腔鑄造有明顯的區(qū)別，而且鑄件易產(chǎn)生氣孔、夾渣、縮松、縮孔等缺陷[7-12]。

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)不僅可以直接觀察各種澆注系統(tǒng)的充型及凝固的動(dòng)態(tài)過程，而且可以預(yù)測鑄件的缺陷并分析缺陷的形成原因和位置[13-19]，筆者通過ProCAST軟件模擬鑄造工藝參數(shù)對灰鑄鐵端蓋孔隙體積大小的影響，為灰鑄鐵端蓋消失模鑄造工藝設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 灰鑄鐵端蓋消失模鑄造工藝設(shè)計(jì)

1.1 化學(xué)成分

端蓋鑄件材質(zhì)為HT200，其化學(xué)成分見表1。

表1 HT200的化學(xué)成分

1.2 鑄件結(jié)構(gòu)

端蓋三維造型如圖1所示，外形尺寸為120 mm×240 mm×240 mm，毛重9.259 kg，最小壁厚9 mm。

圖1 灰鑄鐵端蓋

1.3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了提高生產(chǎn)效率，本文采用一個(gè)澆注系統(tǒng)生產(chǎn)2件的工藝方案，設(shè)計(jì)了頂注、中注、底注3種澆注系統(tǒng)。與普通鑄造法相比，消失模鑄造澆口截面要大一些。一般情況下，鑄鐵件要比普通鑄造法大20%～50%。

實(shí)際生產(chǎn)中鑄鐵件常采用封閉式澆注系統(tǒng)，封閉式澆注系統(tǒng)的內(nèi)澆道、橫澆道和直澆道的總截面積之比如下：

∑F內(nèi)∶∑F橫∶∑F直=1∶1.2∶1.4。

(1)

和普通鑄造方法一樣，首先按照水力學(xué)公式(2)來計(jì)算內(nèi)澆道的截面積，再根據(jù)比例關(guān)系來計(jì)算橫澆道和直澆道的截面積。

(2)

式中：∑F內(nèi)為內(nèi)澆道截面積之和，cm2；G為流經(jīng)內(nèi)澆道的液態(tài)合金質(zhì)量，kg；μ為總流量損耗系數(shù)；Hp為平均靜壓力頭高度，cm；t為澆注時(shí)間，s。其中，t按式(3)計(jì)算：

(3)

式中Kt是修正系數(shù)，有負(fù)壓時(shí)，一般取0.85左右。且式(3)僅適用于中、小件。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 澆注系統(tǒng)各組元截面積

設(shè)計(jì)的3種澆注系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 3種澆注系統(tǒng)示意圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)定

將裝配好的造型文件以igs格式導(dǎo)入ProCAST中，在Mesh模塊中對鑄件和澆注系統(tǒng)的面網(wǎng)格大小設(shè)為10 mm，砂箱的面網(wǎng)格大小設(shè)為20 mm。在檢測并修正完面網(wǎng)格后即可生成體網(wǎng)格。

在ProCAST的Cast模塊中，進(jìn)行模擬參數(shù)的設(shè)定：1)設(shè)置重力方向；2)對3個(gè)體積塊分別設(shè)置材料，澆口及1/4的直澆道選擇EN-GJL-200屬性為Alloy，其余澆道和鑄件選擇foam，砂箱選擇Sand Permeable Foam，屬性為Mold；3)設(shè)置換熱系數(shù)，鑄件與砂型間的換熱系數(shù)為500 W/(m2·K)，類型為COINC，泡沫與砂型間的換熱系數(shù)為100 W/(m2·K)，類型為COINC；4)設(shè)置邊界條件，選擇澆注位置為澆口杯，其冷卻方式設(shè)為空冷，澆注溫度為1 360 ℃，在交口處和砂箱處設(shè)置2個(gè)壓強(qiáng)、使產(chǎn)生負(fù)壓為0.04 MPa；5)選擇Lost Foam(即消失模鑄造)，設(shè)置消失模的特殊模擬參數(shù)，白模材質(zhì)為EPS(聚苯乙烯泡沫)，其密度為22 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/(m2·K)，比熱容為3.7 kJ/(kg·K)，潛熱為100 kJ/kg，熔融溫度為350 ℃，玻璃化溫度為330 ℃；6)設(shè)置完成后即可開始運(yùn)行模擬。

2.2 充型及凝固過程分析

2.2.1 頂注式澆注系統(tǒng)充型及凝固過程分析

在ProCAST的Viewer模塊觀察模擬結(jié)果。頂注式澆注系統(tǒng)金屬液的充型過程如圖3所示，由于充型方向和重力方向相同，所以相比中注式和底注式澆注系統(tǒng)來說，其充型速度較快。每充型30%所用時(shí)間為3.7 s左右，共用10.949 2 s充滿了型腔。由于生成的分解產(chǎn)物會增大金屬液與泡沫之間氣隙的壓力，阻礙了金屬液的充型，進(jìn)而延緩了充型時(shí)間。從圖3a)—b)可以看出，流動(dòng)金屬前沿有顏色的波動(dòng)，這說明高溫液態(tài)金屬正在熱解白模材料。從整體充型過程來看，金屬液從較高的地方落下，金屬液充型不平穩(wěn)，有飛濺、卷氣。

圖3 頂注式澆注系統(tǒng)充型過程

頂注式澆注系統(tǒng)端蓋鑄件的凝固過程如圖4所示，首先從最外側(cè)薄壁和筋條處開始凝固，在厚大處最后凝固。完全凝固需要416.209 2 s，而且澆注系統(tǒng)比鑄件頂部先凝固，導(dǎo)致澆道基本上沒有起到補(bǔ)縮的作用，在鑄件頂部形成明顯的縮孔。

圖4 頂注式澆注系統(tǒng)凝固過程

2.2.2 中注式澆注系統(tǒng)充型及凝固過程分析

中注式澆注系統(tǒng)端蓋鑄件的充型過程如圖5所示，金屬液從型腔中間引入型腔，充型速度快，有飛濺。而且中注式澆注系統(tǒng)共有4個(gè)內(nèi)澆道，在每個(gè)件上有2個(gè)內(nèi)澆道，因此在充型過程中，2股金屬液會在型腔內(nèi)相遇，易形成紊流、卷氣等缺陷。每充型30%所用時(shí)間為3.9 s左右，共用11.719 7 s充滿了型腔。相比頂注式澆注系統(tǒng)充型時(shí)間略有延長，雖然有4個(gè)內(nèi)澆道，但由于是中注式澆注，因此總體充型時(shí)間有所增加。

圖5 中注式澆注系統(tǒng)充型過程

中注式澆注系統(tǒng)端蓋鑄件的凝固過程如圖6所示，完全凝固所用時(shí)間為416.479 7 s。由于內(nèi)澆道離鑄件的頂部和厚壁部分較遠(yuǎn)，不能起到很好的補(bǔ)縮作用，從圖6 c)可以看出在鑄件的頂部形成了較大的外縮孔，導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。

圖6 中注式澆注系統(tǒng)凝固過程

2.2.3 底注式澆注系統(tǒng)充型及凝固過程分析

底注式澆注系統(tǒng)端蓋鑄件的充型過程如圖7所示，充型前33%所用時(shí)間為6.197 1 s，與前2種澆注方式相比較為緩慢，接下來每充型33%所用時(shí)間為2.596 1，4.175 8 s，共用12.969 s充滿型腔。整個(gè)充型過程屬于先慢后快再慢的變化規(guī)律。先慢的原因是在剛開始澆注時(shí)，金屬液的溫度較高，白模分解時(shí)發(fā)氣量大，但涂料層和干砂的排氣能力有限，進(jìn)而影響充型。之后金屬液前沿溫度有輕微的下降，但此時(shí)白模的發(fā)氣量已有所減少，因此提升了充型能力。最后階段充型時(shí)間較長是因?yàn)榻饘僖旱竭_(dá)需要充型的地方較遠(yuǎn)，熱量也有所喪失。從結(jié)果來看向上充型平穩(wěn)，速度慢，無飛濺。充型過程液態(tài)金屬前沿雖有波動(dòng)，但總體上看流動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生夾渣、皺皮等鑄造缺陷。

圖7 底注式澆注系統(tǒng)充型過程

底注式澆注系統(tǒng)端蓋鑄件的凝固過程如圖8所示，鑄件完全凝固所需時(shí)間為556.224 s，凝固時(shí)間相比前2種澆注系統(tǒng)較為緩慢，但是由于澆注系統(tǒng)比較大，是最后凝固的部分，因此補(bǔ)縮效果明顯。即使在鑄件的頂部和厚大部分也沒有形成縮孔，鑄件質(zhì)量較好。因此從凝固結(jié)果來看，對比圖4、圖6、圖8 c)可以看出，只有底注式澆注系統(tǒng)的鑄件表面沒有明顯缺陷，且鑄件凝固效果最好。頂注式澆注系統(tǒng)和中注式澆注系統(tǒng)頂部均出現(xiàn)了較大的縮孔。

圖8 底注式澆注系統(tǒng)凝固過程

2.2.4 3種澆注系統(tǒng)的凝固時(shí)間及缺陷分析

不同澆注系統(tǒng)的各部分凝固時(shí)間如圖9所示。經(jīng)過對比可以看出，經(jīng)過對3種不同的澆注系統(tǒng)模擬結(jié)果分析可知，在鑄件凝固過程中，頂注及中注式澆注系統(tǒng)的凝固時(shí)間圖相差不大，且在鑄件厚大處凝固較慢，與鑄件其他部位有明顯差別。而底注式澆注系統(tǒng)與其他2種澆注系統(tǒng)相比(圖9 c))，即使在鑄件厚大處依然能夠較快地凝固，凝固慢的地方集中在直澆道。因此從凝固時(shí)間圖來看，底注式澆注系統(tǒng)要優(yōu)于其他2種澆注方式。

圖9 不同澆注系統(tǒng)的各部分凝固時(shí)間圖

3種澆注系統(tǒng)鑄件的孔隙體積如圖10所示，通過對比鑄件孔隙的體積，可以看出頂注式鑄件的孔隙體積為1.50 cm3，中注式鑄件的孔隙體積為2.38 cm3，底注式鑄件的孔隙體積為3.13 cm3?？梢钥闯觯叩目紫扼w積相差不大，但是頂注式及中注式澆注系統(tǒng)鑄件的頂部有明顯的縮孔。綜上分析，本文選擇底注式澆注系統(tǒng)，由于孔隙體積比較分散，因此沒有設(shè)計(jì)冒口。

圖10 不同澆注系統(tǒng)的孔隙體積

3 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

在消失模鑄造工藝中，除了澆注系統(tǒng)對金屬液的充型及凝固過程有影響外，對鑄件質(zhì)量產(chǎn)生影響的還有鑄造工藝參數(shù)，在消失模鑄造工藝參數(shù)中，主要有金屬液的澆注溫度和負(fù)壓度。在前面的分析中，底注式澆注系統(tǒng)充型平穩(wěn)，頂部沒有明顯的縮孔缺陷，因此，在底注式澆注系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了正交試驗(yàn)，以找出較理想的鑄造工藝參數(shù)，其因素水平表見表3。

表3 試驗(yàn)因素水平表

9組試驗(yàn)的孔隙體積見表4。從表4中可以看出孔隙體積并不隨澆注溫度和負(fù)壓度呈線性變化。在極差分析中，分別計(jì)算K(水平因素3次指標(biāo)之和)和R(極差)值。根據(jù)R值大小可以判斷各因素對試驗(yàn)結(jié)果影響的主次順序。極差分析結(jié)果見表5，其中R值越大，代表此因素的水平變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度越大，反之越小。

表4 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

通過表5分析澆注溫度和負(fù)壓度對缺陷孔隙體積的極差(R)可以看出，澆注溫度對應(yīng)的極差為0.882，低于負(fù)壓度對應(yīng)的極差為2.094，因此相比于澆注溫度，負(fù)壓度對孔隙率的影響較大。其中第3組和第9組的孔隙率較為接近，分別為2.930，3.005 cm3，兩者的孔隙率僅差0.075 cm3，且負(fù)壓度都為0.06 MPa，因此基本可以確定最優(yōu)負(fù)壓度為0.06 MPa。但是考慮到泡沫對金屬充型的阻礙作用，適當(dāng)提高溫度有助于泡沫的燃燒。以及結(jié)合兩者的充型過程比較，第9組的充型過程相比第3組更為穩(wěn)定，從而最優(yōu)澆注溫度選取為1 420 ℃。最后選定澆注溫度為1 420 ℃，負(fù)壓度為0.06 MPa。按照底注式澆注工藝及優(yōu)化出的工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，該鑄件組織和性能均滿足要求，經(jīng)計(jì)算，工藝出品率為77.7%。

表5 極差分析結(jié)果

4 結(jié) 語

依據(jù)端蓋鑄件的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了頂注、中注、底注3種澆注工藝方案，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件研究了澆注溫度、負(fù)壓度對消失模鑄造端蓋充型、凝固過程及鑄件孔隙體積的影響，研究可為端蓋類鑄鐵件消失模鑄造工藝的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。具體結(jié)論如下：

1)對于設(shè)計(jì)的頂注、中注、底注3種澆注工藝方案，頂注及中注澆注方案鑄件頂部出現(xiàn)了明顯的縮孔，底注式澆注工藝方案效果良好；

2)在底注式澆注方案中，各因素對鑄件質(zhì)量影響的主次順序?yàn)樨?fù)壓度>澆注溫度，相比澆注溫度來說，負(fù)壓度對端蓋的影響較為顯著；

3)底注式澆注方案中，優(yōu)選出的工藝參數(shù)為澆注溫度1 420 ℃，負(fù)壓度0.06 MPa，此時(shí)孔隙缺陷體積為3.005 cm3。工藝出品率為77.7%。

本研究的不足之處在于模擬軟件對涂料層的參數(shù)設(shè)置與實(shí)際生產(chǎn)有一定差別，未來可以在模擬中加入對涂料層材料及粒徑的設(shè)置，從而使模擬結(jié)果更加貼合實(shí)際。該設(shè)計(jì)思路對端蓋類鑄鐵件消失模鑄造工藝的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。