李駿騁 韓童童

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

當前，鑄件數(shù)值仿真軟件在鑄件工藝設(shè)計時得到廣泛的應(yīng)用，在縮短鑄件生產(chǎn)周期和預(yù)防鑄件缺陷等方面發(fā)揮了重要作用。我公司使用的鑄造仿真軟件為MAGMASOFT，該軟件目前主要應(yīng)用于鑄鋼件缺陷定性分析，但鑄件模擬缺陷與實際缺陷的定量對應(yīng)關(guān)系還缺乏現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)支撐。目前鑄件市場競爭愈發(fā)激烈，用戶對于鑄件內(nèi)部質(zhì)量要求也越來越高，迫切需要鑄件模擬缺陷分析從定性向定量轉(zhuǎn)變，以更好地適應(yīng)今后的市場環(huán)境。

本文以專門設(shè)計的缺陷試驗件為研究對象，通過對比實際超聲檢測缺陷與模擬缺陷，發(fā)現(xiàn)模擬缺陷的中心致密度和缺陷體積在不同數(shù)值區(qū)間時與實際缺陷的定量對應(yīng)關(guān)系；同時對直接外冷的模擬效果和實際效果進行比較，發(fā)現(xiàn)直接外冷模擬效果優(yōu)于實際外冷效果，掛砂外冷的模擬效果與實際效果相接近。

1 缺陷試驗件

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

該試驗件選用材質(zhì)GS20Mn5，鋼水總重2.1 t(含冒口)，中部為厚度達到180 mm的大平板，4個分支為十字交錯、不同厚度(70 mm、100 mm、150 mm)的筋板，以形成不同大小的熱節(jié)。在中部大平板上放置冒口，為4個分支十字交錯的筋板提供補縮鋼水，外冷驗證區(qū)分別放置150 mm見方的直接外冷和200 mm見方掛砂外冷(掛砂15 mm)，具體結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。并對圖2所示4個方框范圍內(nèi)按?2 mm靈敏度進行超聲檢測。

1.2 缺陷試驗件MAGMASOFT模擬

1.2.1 模擬參數(shù)設(shè)置

圖1 缺陷試驗件三維軸測圖Figure 1 3D axonometric drawing of specimen with defects

圖2 缺陷試驗件二維圖Figure 2 Two-dimensional diagram of specimen with defects

對該缺陷試驗件利用MAGMASOFT5.0版進行凝固模擬，參數(shù)設(shè)置如下：

(1)初始條件：設(shè)定鑄件澆注溫度1550℃，外冷初始溫度50℃，保溫套和覆蓋劑初始溫度為20℃。

(2)換熱系數(shù)：設(shè)定鑄件與冷鐵換熱系數(shù)1000W/(m2·K)，冷鐵與砂箱換熱系數(shù)為800 W/(m2·K)。

(3)網(wǎng)格剖分單元總數(shù)500萬，鑄件單元數(shù)53萬。

1.2.2 模擬結(jié)果及分析

縮孔缺陷模擬結(jié)果如圖3所示。

(a)soundness(b)porosity圖3 縮孔缺陷Figure 3 Shrinkage

MAGMASOFT5.0版中soundness和porosity判據(jù)主要適用于因宏觀液面收縮和補縮通道不暢而形成縮孔缺陷判定，模擬的縮孔缺陷主要有兩個定量特征：中心致密度和缺陷體積，其中soundness判據(jù)可以測量中心致密度，porosity判據(jù)可以測量缺陷體積。中心致密度用于表征鑄件芯部組織致密程度，缺陷體積用于表征鑄件縮孔缺陷的大小。圖3顯示縮孔缺陷主要集中在鑄件交接部位，因為交接部位模數(shù)比連接部位大，凝固更慢，容易形成孤立液池，導(dǎo)致縮孔缺陷的產(chǎn)生?？s孔缺陷定量特征如圖4所示。

(a)中心致密度(b)缺陷體積圖4 縮孔缺陷定量特征Figure 4 Quantitation features of shrinkage

(a)實際檢測缺陷分區(qū)標號示意圖(b)實際鑄件缺陷照片圖5 實際檢測缺陷分布示意圖Figure 5 Distribution of real inspection defects

2 缺陷試驗件探傷結(jié)果與模擬結(jié)果對比分析

2.1 鑄件缺陷分布

采用超聲檢測方法，按?2 mm靈敏度從放置冷鐵面對缺陷試驗件內(nèi)部質(zhì)量進行檢測，其中絕大多數(shù)缺陷均導(dǎo)致嚴重的底波衰減。為了便于區(qū)分缺陷，按模擬結(jié)果將每個交接部位的缺陷進行標號，檢測結(jié)果如圖5所示。典型缺陷的超聲波波形如圖6所示。

(a)缺陷波(b)底波圖6 典型缺陷波形圖Figure 6 Wave diagram of typical defects

2.2 不同厚度區(qū)檢測結(jié)果及統(tǒng)計分析

通過對比實際缺陷與模擬縮孔缺陷，發(fā)現(xiàn)實際缺陷無論從位置上還是形態(tài)上與模擬縮孔缺陷都較接近。將70 mm、100 mm、150 mm三個區(qū)實際缺陷的探傷當量和底波衰減等數(shù)據(jù)與模擬縮孔缺陷的中心致密度和缺陷體積集中統(tǒng)計分析，按缺陷體積由小到大進行排序，并用CCH70-4標準評定缺陷級別，整理得出與缺陷級別相對應(yīng)定量判據(jù)參考表(見表1)。

該縮孔缺陷定量判據(jù)參考表為鑄件工藝設(shè)計、優(yōu)化提供了可參考的量化判據(jù)。

2.3 外冷驗證區(qū)檢測結(jié)果與模擬結(jié)果對比分析

通過放置外冷可有效減小鑄件模數(shù)、增加鑄件補縮距離，從而減少增肉設(shè)置，所以外冷在保障鑄件質(zhì)量、降低鑄件成本方面有舉足輕重的作用。所以本文針對直接外冷和掛砂外冷的模擬效果與實際效果差異進行對比。模擬了150 mm外冷與鑄件直接接觸(見圖7)和150 mm直接外冷掛砂5 mm(見圖8)情況，并模擬了150 mm直接外冷與鑄件直接接觸時設(shè)置不同換熱系數(shù)的情況(見表2)。

將以上幾種不同邊界條件的模擬結(jié)果與實際缺陷的超聲檢測結(jié)果進行對比，見表2。

表1 MAGMASOFT模擬縮孔缺陷定量判據(jù)參考表Table 1 Quantitation evaluation basis reference of shrinkage simulated by MAGMASOFT

200 mm掛砂外冷實際效果和模擬效果對比：

按200 mm掛砂外冷掛砂15 mm模擬時，缺陷中心致密度為6.6%，說明組織內(nèi)部疏松情況較嚴重，與實際檢測結(jié)果顯示100%底波衰減情況吻合，并且最大缺陷當量達到12 mm，說明中心區(qū)域具有明顯孔洞。

圖7 150 mm外冷與鑄件直接接觸Figure 7 Direct action of 150 mm outer cooling on castings

圖8 150 mm直接外冷掛砂5 mmFigure 8 150 mm direct outer cooling on 5 mm sand lining

表2 外冷驗證區(qū)模擬與實際缺陷對照表Table 2 Contrast of outer cooling verification zone simulation with real defects

150 mm直接外冷實際效果和模擬效果對比：

按150 mm直接外冷與鑄件直接接觸模擬時，缺陷中心致密度達到97%，說明組織內(nèi)部較致密，與實際檢測結(jié)果顯示100%底波衰減情況不吻合，調(diào)整不同換熱系數(shù)對中心致密度和缺陷體積影響較小。按直接外冷與鑄件掛砂5 mm模擬，缺陷中心致密度降至30%，說明內(nèi)部組織疏松較多，與實際檢測結(jié)果顯示100%底波衰減情況較吻合。

150 mm直接外冷實際效果和模擬效果差異原因分析：

實際鑄件與直接外冷并未零距離接觸，一是冷鐵表面要刷2 mm左右的涂料；再者直接外冷與鋼液接觸后，由于激冷作用，鋼液將快速結(jié)殼并收縮，此時鑄件與冷鐵間將出現(xiàn)較大氣隙，產(chǎn)生較大熱阻，傳熱方式也將由熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)闊彷椛?，所以直接外冷按與鑄件掛砂5 mm模擬與實際情況更接近。

3 結(jié)論

(1)對于鑄鋼件，用?2 mm靈敏度進行超聲檢測時，MAGMASOFT模擬缺陷的中心致密度≥70%、缺陷體積≤3900 mm3，實際無缺陷；缺陷致密度在40%～60%、體積為9600～13 000 mm3，實際存在較大缺陷風(fēng)險；致密度≤40%、體積≥13 000 mm3時，一定會產(chǎn)生缺陷。

(2)200 mm掛砂外冷掛砂15 mm實際效果與模擬效果相當。150 mm直接外冷實際效果與按掛砂5 mm模擬效果相當。

(3)MAGMASOFT軟件是基于有限差分法運算的，所以不同網(wǎng)格大小對缺陷體積和中心致密度值有一定影響。本文提出的縮孔缺陷定量判據(jù)主要針對結(jié)構(gòu)相近、材質(zhì)接近的鑄件具有一定的參考意義。