周玉林，王日昕，趙寧寧

（1.河南豫光鋅業(yè)有限公司，河南 濟(jì)源 454650；2.江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所，江西 南昌 330029）

鑄造是將高溫液態(tài)金屬澆注到封閉的型腔中，獲得所需零件的復(fù)雜熱成形過程。而傳統(tǒng)鑄造的整個過程難以實時觀察，間接測試也十分困難，工藝設(shè)計建立在“試錯”基礎(chǔ)上，很難體現(xiàn)出科學(xué)性。因此，對鑄造充型和凝固過程進(jìn)行計算機(jī)模擬是非常必要的。

本文利用ProCast鑄造軟件對合金凝固的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在不同的鑄造條件下，合金凝固過程中的溫度場、流場以及縮孔位置大小的確定，得出有效的處理方法，減少Ni合金的凝固收縮而引起的縮孔等缺陷，從而得到合格的合金鑄件，對實際生產(chǎn)過程有指導(dǎo)的作用[1,2]。

1 研究對象的確定

數(shù)值模擬中，材料選擇是前提條件，是研究的基本，材料的物性決定著數(shù)值模擬的效果。合金鑄造是變相過程，物性隨物態(tài)及溫度變化較大，因此有必要對其進(jìn)行物性確定。本次模擬采用的澆鑄材料為Ni CM186LC，組成為：C=0.07%、Cr=6%、Co=9%、Mo=0.5%、W=8.4%、Ta=3.4%、Al=5.7%、Ti=0.7%、Re=3%、Hf=1.4%、Ni=61.83%。其中液相溫度為1385.277℃，固相溫度為1320.723℃。

一般情況下各種界面間換熱系數(shù)：金屬—金屬：1000～5000；金屬—砂：300～1000；砂—砂：200～300；固體—空氣：5～10；固體—水：3000～500

本模擬采用經(jīng)驗值，選取數(shù)量分別為:金屬—金屬1000w/m·k，砂—砂200w/m·k，金屬—砂500w/m·k。

2 鑄造過程數(shù)值模擬軟件結(jié)構(gòu)

過程數(shù)值模擬軟件包括前處理、中間計算和后處理[3]。其中，前處理為數(shù)值提供鑄件和鑄型的幾何信息、鑄件及材料的性能參數(shù)信息和有關(guān)鑄造工藝信息。中間計算根據(jù)鑄造過程涉及的物理場為數(shù)值計算提供計算模型，并根據(jù)鑄件質(zhì)量或缺陷與物理場的關(guān)系預(yù)測鑄件質(zhì)量。后處理將數(shù)值計算所獲得的大量數(shù)值以各種直觀的圖形形式顯示出來。

3 鑄造數(shù)值模擬的前處理

（1）網(wǎng)格劃分:首先把CAD圖形導(dǎo)入，進(jìn)行圖形質(zhì)量分析、修整、網(wǎng)格剖分。在MeshCAST中導(dǎo)入X-T格式后劃分面網(wǎng)格，接著進(jìn)行過程模擬的前處理過程。

（2）PreCAST前處理：單擊PreCAST。在工作目錄中若有網(wǎng)格文件，即.mesh或d.dat文件，則自動運行文件，進(jìn)行文件處理。進(jìn)入MeshCAST進(jìn)行材料、界面條件、邊界條件、過程參數(shù)、初始狀態(tài)、運行參數(shù)等等。創(chuàng)建界面之后，要為每個界面設(shè)置熱交換值，其典型值為鑄件和砂型之間500W/m2k，鑄件和鋼芯之間1000W/m2k。鑄型的所有外輪廓面設(shè)為自然空冷，在澆道頂面部分節(jié)點施加速度，溫度，重力加速度3個矢量，根據(jù)實際情況設(shè)定大小。設(shè)置初始條件選擇不同的區(qū)域，在輸入框中輸入其初始溫度，按回車鍵確定。在Preference中選擇Gravity Filling選項，軟件將會自動設(shè)置相應(yīng)運行參數(shù)，需要注意，由于各個澆鑄和凝固時間的不同，需要設(shè)置保存溫度、傳熱、流動保存的時間步長[4]。在General參數(shù)面板中，設(shè)置DTMAX最大時間步長為1S。Thermal參數(shù)面板中，設(shè)置時間頻率TFREQ為5S，在Flow面板中設(shè)置VFREQ為5S。保存，退出PRECAST。

4 模擬結(jié)果顯示與分析

（1）澆注分析因素：在鑄造生產(chǎn)中，澆鑄原因報廢件占20%～30%，因此，分析澆筑條件極為重要[5]。

澆鑄溫度：較高的澆鑄溫度可保證金屬液流動性，利于積集和上浮夾雜，減少氣孔和夾渣等缺陷。但溫度太高使表面燒結(jié)，鑄件表面夾砂，金屬液氧化嚴(yán)重，含氣量增加，鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷；并液態(tài)收縮量增大，晶粒粗大，鑄件力學(xué)性能降低。

澆鑄速度：較快澆鑄速度可使金屬液很快充滿型腔，減少氧化程度，各部位金屬液溫差小，有利于鑄件同時凝固。但過快易產(chǎn)生沖砂。較慢的速度便于補(bǔ)縮，形成縮孔，獲得組織致密的鑄件，不過太慢金屬液對型腔加熱時間增長，易使型腔表面拱起脫落，氧化嚴(yán)重使鑄件產(chǎn)生夾砂、冷隔、澆不足等缺陷。

（2）充型率改變時各變量的對比：本文澆口直徑85mm，澆鑄速度為0.15m/s,澆鑄材料Ni_CM186LC、鑄型為純鐵、澆鑄溫度1450℃、鑄型溫度250℃。充型率分別為98%、93%、88%，進(jìn)行了模擬澆鑄對比。其中澆鑄率為98%溫度分布：

圖1

圖2

圖3

圖4

從圖1-4可以觀察得到在澆鑄過程中，金屬液粘度很大，而冷卻過程中隨溫度降低，由于金屬液及固態(tài)金屬降溫收縮，導(dǎo)致澆鑄頂部向下沉，形成凹陷。

圖5

圖6

圖5 與圖6分別為縮孔及最后某時刻的固相率分布，從中可以看到，并非縮孔一定產(chǎn)生在最后凝固處。從比較可以看出，充型率并未改變縮孔在下部分的位置及大小，甚至縮孔形狀，只是改變縮孔上部分。充型率越大，上部分的縮孔體積越大，位置越高；雖然澆鑄量增多，但下部分相同位置點在冷卻過程中沿垂直澆鑄面方向，由于傳熱學(xué)分析知熱阻變化不大，散失的熱量變化不大，從而對其冷卻時間影響很小，固相率變化?。欢可喜糠值奈恢命c則不同，澆鑄量越多，熱阻變化率大，凝固所需時間變化明顯，而又得不到有效的補(bǔ)縮，結(jié)果造成縮孔變化較大。

（3）澆口直徑變化對縮孔的影響

圖7 澆注直徑變化后縮孔比較

圖片說明：只改變澆鑄直徑，也就是相反改變保溫套厚度；直徑分別為70mm、80mm、85mm。

（4）澆鑄溫度對縮孔的影響

圖8 澆注溫度變化縮孔比較

圖片說明：在澆注溫度1450℃、1430℃時變化對縮孔幾乎無影響，包括位置、形狀等。而當(dāng)溫度降為1400℃時，縮孔變小，但改變部分僅為靠近澆鑄口段，而縮孔下部幾乎無變化。此現(xiàn)象與充型率的改變出現(xiàn)的結(jié)果幾乎相同。

5 結(jié)論

（1）在保證鑄件輪廓清晰的前提下，可盡量采用較低的澆鑄溫度。從結(jié)構(gòu)來看，小鑄件、薄壁件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜件及不宜澆到的鑄件可采用較高溫度；而大鑄件、重型件、厚壁件及容易產(chǎn)生熱裂缺陷的鑄件可采用較低澆鑄溫度。

（2）澆鑄溫度與速度相互影響，如澆注溫度低，速度可快些；澆鑄溫度高，速度可慢些。

（3）澆鑄過程中并非充型率越小越好，必須保證鑄件結(jié)構(gòu)完整，因此三者充型率93%為最優(yōu)。

（4）增大澆鑄口直徑可減小其體積，但不明顯，可以提高縮孔的位置。同時，澆鑄口大，減少鑄件工藝出品率，浪費材料及能量。

（5）澆鑄溫度的確定與液相及固相溫度有很大關(guān)系。澆鑄材料液相溫度為1385℃，與澆注溫度差分別為65℃、45℃、15℃。