邵 軍,李翔光,于 丹,陳 寅
(貴州航天風華精密設備有限公司,貴州貴陽 550009)
在鑄造生產(chǎn)中,冷鐵有著極其重要的作用,善于利用冷鐵,可有效控制鑄件凝固順序,解決鑄件生產(chǎn)中遇到的縮孔、縮松、裂紋等缺陷問題,改善鑄件微觀組織及力學性能,提高鑄件質量。如果冷鐵設置不合理,不僅不能有效控制凝固過程和解決出現(xiàn)的缺陷問題,還會導致新的鑄造缺陷的產(chǎn)生。因此對冷鐵作用效果進行定量研究是十分必要的,其對有效控制鑄件凝固順序和提高鑄件質量具有重要意義。本文基于Anycasting 數(shù)值仿真,對冷鐵實際作用效果進行定量研究,為鑄造工藝人員合理設置冷鐵提供參考。
AnyCasting 是韓國AnyCasting 公司開發(fā)的一款高級專業(yè)鑄造仿真分析軟件,該軟件包含anyPRE、anySOLVER、anyPOST、anyDBASE、anyME SH、Batch-Runner 六個功能模塊,其仿真精確度得到了廣大用戶的認可。該軟件以離散數(shù)學為基礎,通過速度場控制方程、溫度場控制方程以及微觀動力學數(shù)學模型等的耦合求解,實現(xiàn)對一定工藝條件下的鑄造缺陷進行預判,從而為優(yōu)化鑄造工藝提供指導。該軟件包含的部分基本控制方程如下所示。
(1)速度場控制方程
動量守恒方程:
式中 u,v,w——x,y,z 方向的速度分量;
ρ——密度;
P——壓力;
gx,gy,gz——x,y,z 方向的重力加速度。
能量守恒方程:
式中 T——溫度;
λ——流體導熱系數(shù)。
體積函數(shù)方程:
式中 F—流體體積分數(shù)。
連續(xù)性方程:
表面張力模型:
式中 Cσ——表面張力系數(shù);
K——曲率。
有效粘度模型:
式中 μ0——粘度;
fs——固相率;
C1,C2,C3——模型常數(shù)
(2)溫度場控制方程
式中 cp——定壓比熱容;
Q——源項。
采用UG 繪制鑄型及冷鐵的三維圖,并分別輸出stl 格式文件。通過AnyPRE 導入stl 格式三維實體,然后定義實體屬性,設置模具(砂層厚度20),定義求解域,并進行均勻網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸為1.5mm(見圖1a)。然后進行任務設計并定義材料屬性,其中冷鐵材料為NF25,鑄件材料為AlSi7Mg1A,砂模材料為Furan 砂。定義鑄件澆注溫度為700℃。
為了采集鑄件凝固過程中的溫度變化情況,在鑄件中心位置沿X 軸的方向均勻設置了20個傳感器,傳感器1~20 與冷鐵端的距離分別10mm、20mm、30mm 等,以此類推(圖1b)。
圖1 仿真設置及結果處理
為了便于分析,將仿真獲得的三維結果(圖1c)在鑄件中心沿X-Y 平面進行剖切,獲得二維仿真圖片。
當未添加冷鐵時,鑄件最后凝固的區(qū)域位于鑄件中心位置,從鑄件表面至中心位置,凝固所需時間是逐漸增加的。當冷鐵厚度達到60mm 后,最后凝固區(qū)域位置和順序凝固的趨勢不再隨著冷鐵厚度的增加而改變,冷鐵對凝固順序的調控作用達到飽和。
鑄件缺陷采用基于Niyama 判據(jù)(見式10)的概率缺陷參數(shù)進行判定。潛在缺陷參數(shù)為0.02142,低于此值則表示此區(qū)域不存在縮孔縮松缺陷。
式中 G——溫度梯度;
R——冷卻速度。
隨著冷鐵厚度的增加,缺陷二維尺度形貌由橢圓形逐漸轉變成圓形,缺陷尺寸逐漸變小,當冷鐵厚度達到60mm 后,隨著冷鐵厚度增加,缺陷二維形貌及尺寸均基本不再發(fā)生改變。
為了進一步定量研究冷鐵厚度對缺陷位置的影響,根據(jù)傳感器記錄的數(shù)量測量了缺陷邊緣與冷鐵端的距離,并繪制成曲線圖,隨著冷鐵厚度的增加,缺陷與冷鐵端間的距離逐漸增大,但增大的幅度逐漸減少,當冷鐵厚度達到60mm 時,缺陷與冷鐵端間的距離約為177mm,冷鐵厚度繼續(xù)增加,缺陷與冷鐵端間的距離基本不變。
隨著冷鐵厚度的增加,鑄件二次枝晶臂間距逐漸變小,二次枝晶臂間距沿遠離冷鐵端的方向呈梯度分布的趨勢逐漸加強。隨著與冷鐵端距離的增加,鑄件二次枝晶臂間距逐漸增大。
式中 b——微觀組織系數(shù);
n——微觀組織指數(shù);
X——完全凝固時間。
根據(jù)Hall-Petch 公式[2](見式10),鑄件力學性能σ 與二次枝晶臂間距d 成反比,也就是說,隨著冷鐵厚度的增加,鑄件力學性能逐漸提高,鑄件力學性能沿遠離冷鐵端的方向呈梯度分布的趨勢逐漸加強。當冷鐵厚度達到70mm 后,隨著冷鐵厚度繼續(xù)增加,鑄件二次枝晶臂間距及力學性能基本保持不變。
式中 σ0——常數(shù),表示晶粒對位錯滑移的摩擦阻力;
d——二次枝晶臂間距;
Kd——常數(shù),反映晶界上由于位錯堆積而產(chǎn)生的應力集中程度。
為不同冷鐵厚度下第3 測量點的溫度隨時間的變化曲線。從圖中可以看出,測量點的溫度變化曲線存在兩個拐點,分別對應合金的液相線溫度和固相線溫度。隨著冷鐵厚度的增加,冷鐵對測量點位置的激冷作用增強,但增強的趨勢逐漸變緩,當厚度達到60mm 后,冷鐵的激冷作用將不再增加,即冷鐵激冷效果的最大有效厚度約為60mm。
圖2 不同冷鐵厚度下同一測量點的溫度變化曲線
(1)隨著冷鐵增厚,鑄件最后凝固的區(qū)域逐漸向遠離冷鐵端面的方向平移,鑄件局部順序凝固的趨勢加強。當冷鐵厚度達到60mm 后,最后凝固區(qū)域位置和順序凝固的趨勢不再隨著冷鐵厚度的增加而改變。
(2)隨著冷鐵厚度的增加,缺陷二維形貌、尺寸及位置將發(fā)生改變。但當冷鐵厚度達到60mm后,隨著冷鐵厚度增加,缺陷位置、二維形貌及尺寸均基本不再發(fā)生改變。
(3)冷鐵厚度增加,鑄件二次枝晶間距減小,鑄件力學性能提高。當冷鐵厚度達到70mm 后,隨著冷鐵厚度增加,鑄件二次枝晶臂間距及力學性能基本保持不變。
(4)冷鐵激冷效果的最大有效厚度約60mm。