田瑩瑩，魏崇一，關(guān)銳，朱曉雷，艾新港，廖相巍

（1. 遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院， 遼寧 鞍山 114051；2. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 鞍山 114009）

柴油機(jī)是目前世界范圍內(nèi)船舶推進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的動(dòng)力裝置，缸套作為主要易損件，是柴油機(jī)必不可少的核心部件之一。 國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)氣缸套主要采用傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)， 普遍存在疏松縮孔等冶金缺陷， 導(dǎo)致國(guó)內(nèi)船用柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)時(shí)間受制于人[1]。 若能夠有效解決上述工藝難題，將極大地推動(dòng)艦船用柴油機(jī)的國(guó)產(chǎn)化步伐，或?qū)⒊蔀椤爸袊?guó)制造2025”的一面新旗幟[2]。 離心鑄造工藝能夠快速形成圓柱形的自由表面， 凝固速率較快且疏松縮孔缺陷較少，大幅提升氣缸套成品質(zhì)量；且相比于傳統(tǒng)鑄造工藝，離心鑄造后續(xù)切削工藝簡(jiǎn)單，極大地提高了生產(chǎn)效率[3]。 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部劉彥輝[4]通過(guò)改進(jìn)缸套材料，改善了柴油機(jī)缸套穴蝕問(wèn)題；陜西柴油機(jī)重工有限公司王敏剛等[5]通過(guò)均勻控制型腔內(nèi)部溫度和外加冷鐵， 消除了離心鑄造船用柴油機(jī)缸套白斑、云斑缺陷；夏樂(lè)春等[6]通過(guò)數(shù)值模擬研究了工藝參數(shù)對(duì)于微觀組織的影響規(guī)律。然而，艦船用大功率柴油機(jī)氣缸套尺寸遠(yuǎn)大于常規(guī)離心鑄造鑄件， 凝固過(guò)程中疏松縮孔缺陷愈加嚴(yán)重[7]，極大影響成品質(zhì)量。

本項(xiàng)目基于數(shù)值模擬方法，通過(guò)研究不同工藝參數(shù)下氣缸套內(nèi)部溫度場(chǎng)變化及缺陷預(yù)測(cè)，系統(tǒng)研究離心鑄造工藝對(duì)微觀凝固組織及疏松縮孔的影響，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量艦船用大功率柴油機(jī)氣缸套的穩(wěn)定生產(chǎn)， 為最終K4169 合金離心鑄造技術(shù)的開(kāi)發(fā)和工藝參數(shù)優(yōu)化提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 離心鑄造模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

（1） 在離心鑄造過(guò)程中，熔融金屬液在充型凝固過(guò)程中具有自由表面、粘性、不可壓縮、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特點(diǎn)，滿(mǎn)足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程如下：

式中， ρ 為流體密度，kg/m3；ui（i=1，2，3）為速度矢量，m/s；t 為非穩(wěn)態(tài)時(shí)間項(xiàng)，s；xi（i=1，2，3）為x 方向坐標(biāo)，m。

式中，p 為壓力，GPa；u、υ、w 為速度在x、y、z 上矢量分量；fx為質(zhì)量力，m/s2；μ 為動(dòng)力粘度，kg/（m·s）。

1.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

圖1 為氣缸套模型。

圖1 氣缸套模型Fig. 1 Cylinder Liner Model

采用的模具為外徑56 mm、內(nèi)徑38 mm、長(zhǎng)度500 mm 的K4169 離心鑄管， 鑄型規(guī)格為76 mm×58 mm×520 mm 的石墨鑄鐵。 鑄型與鑄件之間的換熱系數(shù)為500 W/（m2·K）， 冷卻方式為空冷，換熱系數(shù)為10 W/（m2·K），環(huán)境溫度為20 ℃。 采用三角形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為819 350 個(gè)。

2 鑄造工藝設(shè)定

2.1 材料物性參數(shù)

鑄件選用材料為K4169 鎳基高溫合金， 化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 K4169 高溫合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in K4169 Superalloy（Mass Fraction） %

將材料含量按照其各自占比導(dǎo)入ProCAST 材料數(shù)據(jù)庫(kù)中， 計(jì)算得出該高溫合金的固相線溫度為1 255 ℃，液相線溫度為1 332 ℃。 具體相關(guān)熱物性參數(shù)與溫度的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 相關(guān)熱物性參數(shù)與溫度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between Thermophysical Parameters and Temperature

2.2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算轉(zhuǎn)速

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算轉(zhuǎn)速如下：

式中，n 為離心澆注轉(zhuǎn)速，r/min； G 為重力系數(shù)，m/s2， 一般取值為40～110； r 為鑄件內(nèi)表面半徑，m。 計(jì)算得到此鑄件的澆注轉(zhuǎn)速范圍為970～1 608 r/min。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同澆注溫度條件模擬分析

在已知液相線溫度1 332 ℃基礎(chǔ)上， 初步設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 100 r/min， 澆注溫度區(qū)間1 360～1 450 ℃，加熱梯度為30 ℃。 圖3 為凝固40 s 溫度場(chǎng)。

由圖3 可以觀察到，在離心澆注過(guò)程中，凝固過(guò)程從鑄錠表面向芯部逐步進(jìn)行， 金屬液在徑向上溫度場(chǎng)分布很均勻，溫度梯度較小，這是由于金屬液內(nèi)表面與空氣， 外表面與鑄型雙向傳熱造成的；而在軸向上溫度場(chǎng)的分布情況是兩端溫度低，中間溫度高，溫度最高位置在鑄件的厚壁端。由于部分金屬液先接觸到鑄型受到激冷，溫度下降，導(dǎo)致該處的溫度低于其周?chē)臏囟取?隨著澆注溫度的增加，鑄件的凝固速率會(huì)有一定程度降低，在該選取時(shí)刻鑄件的固相率逐漸下降， 凝固時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增長(zhǎng)。觀察該時(shí)間點(diǎn)的液面厚度發(fā)現(xiàn)，在離心澆注過(guò)程中， 臥式離心澆注下半液面的厚度明顯高于上內(nèi)表面鋼液厚度。

圖3 凝固40 s 溫度場(chǎng)Fig. 3 Temperature Field at Solidification Time of 40 s

圖4 為凝固40 s 金屬液面圖。如圖4 所示，由于在離心力與重力的連續(xù)作用下，1 100 r/min 的轉(zhuǎn)速下，金屬液會(huì)在下內(nèi)表面造成一定的富余，在模擬結(jié)果上體現(xiàn)為下液面的厚度較上內(nèi)表液面厚度增加。

圖4 凝固40 s 金屬液面圖Fig. 4 Metal Liquid Level at Solidification Time of 40 s

圖5 為凝固結(jié)束溫度場(chǎng)分布，由圖5 看出，完全凝固階段澆注溫度高的鑄件內(nèi)部高溫區(qū)域面積大，金屬液在該區(qū)域最后凝固， 缺陷也容易在內(nèi)表面富集，造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。 采用離心澆注，金屬液在鑄型較大離心轉(zhuǎn)速下，壓力沿著徑向不斷增加，會(huì)產(chǎn)生較大離心力， 金屬液在離心力作用下會(huì)沖擊已形成或正在形成的枝晶， 產(chǎn)生游離破碎枝晶作為異質(zhì)形核中心，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，使鑄件的組織細(xì)密。

圖5 凝固結(jié)束溫度場(chǎng)分布Fig. 5 Distribution of Temperature Fields at End of Liquid Phase Solidified

圖6 為凝固組織缺陷預(yù)測(cè)圖。

由圖6 可知，1 390 ℃時(shí)鑄件疏松縮孔缺陷數(shù)量最少，這是由于隨著澆注過(guò)熱度的增加，金屬液的液態(tài)保持時(shí)間更久，粘度減小，會(huì)提高金屬液的充型能力，減少鑄件的冷隔缺陷。但是澆注溫度過(guò)高，晶粒生長(zhǎng)時(shí)間增加，容易形成粗大的晶粒，可能會(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)相的偏聚富集， 影響鑄件性能。 此外， 澆注溫度過(guò)高還會(huì)增大金屬凝固過(guò)程中的收縮量，易形成疏松縮孔等缺陷。 同時(shí)，澆注溫度越高，金屬液需要加熱的時(shí)間也越長(zhǎng)，造成了一定的資源浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)效率。研究發(fā)現(xiàn)離心澆注的疏松縮孔缺陷在下內(nèi)表面較為富集， 分析認(rèn)為是鑄件內(nèi)壁位置的金屬液離心力較大， 加上重力的作用，在下表面由于金屬液富集較為嚴(yán)重，高溫區(qū)域面積大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，形成缺陷，與圖4、圖5觀察的結(jié)果一致。

圖6 凝固組織缺陷預(yù)測(cè)圖Fig.6 Prediction Map for Solidification Microstructure Defects

3.2 不同轉(zhuǎn)速模擬結(jié)果及分析

臥式離心鑄造過(guò)程中， 金屬液在鑄造過(guò)程中受到離心力與重力的共同作用， 在徑向上由于離心力的作用， 金屬液會(huì)緊貼著鑄型的內(nèi)壁進(jìn)行旋轉(zhuǎn)， 但是重力作用下會(huì)導(dǎo)致金屬液的徑向流動(dòng)發(fā)生一定程度上的中心偏轉(zhuǎn)， 但是中心偏轉(zhuǎn)程度會(huì)隨著鑄型轉(zhuǎn)速的增加而減小，使得金屬液在鑄型內(nèi)部運(yùn)動(dòng)更加均勻，提高鑄件質(zhì)量。 但過(guò)大的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致金屬液在鑄型內(nèi)部發(fā)生飛濺和紊流，反而會(huì)降低鑄件質(zhì)量。

在上述澆注溫度模擬基礎(chǔ)上，模擬得出最佳的澆注溫度為1 390 ℃。 圖7 為不同轉(zhuǎn)速液面偏轉(zhuǎn)情況，澆注時(shí)鑄型溫度為200 ℃。

由圖7 看出，隨著離心轉(zhuǎn)速的增加，金屬液在鑄件內(nèi)部上表面的液面不斷減?。?較低轉(zhuǎn)速情況下，鑄件內(nèi)部下表面會(huì)存在金屬液沉積，由于部分金屬液的速度不足以驅(qū)動(dòng)其到達(dá)鑄件內(nèi)部上表面，導(dǎo)致鑄件上半部分的壁厚會(huì)小于下半部分壁厚，嚴(yán)重情況下會(huì)造成進(jìn)入上半部分的金屬液流動(dòng)到上表面的速度過(guò)小，導(dǎo)致上部分的金屬液來(lái)不及補(bǔ)充就隨鑄型發(fā)生旋轉(zhuǎn)，造成金屬液在鑄型內(nèi)部流動(dòng)混亂。 結(jié)合金屬液面在上下分布情況綜合分析，轉(zhuǎn)速在1 500 r/min 時(shí)，金屬液流動(dòng)較為均勻，充型效果較好，但仍然存在一定的中心偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。圖8 為不同轉(zhuǎn)速組織缺陷預(yù)測(cè)。

圖7 不同轉(zhuǎn)速液面偏轉(zhuǎn)情況Fig. 7 Liquid Phase Interface Deflection with Different Centrifugal Speeds

由圖8 可以看到，隨著轉(zhuǎn)速的增加，鑄件內(nèi)部的疏松縮孔缺陷改善較為明顯， 這是由于隨著鑄型轉(zhuǎn)速不斷提高， 鑄型轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力不斷增大，鑄管內(nèi)表面的組織結(jié)構(gòu)不斷均勻細(xì)化，宏觀表現(xiàn)為組織結(jié)構(gòu)缺陷數(shù)量不斷減少。

圖8 不同轉(zhuǎn)速組織缺陷預(yù)測(cè)Fig. 8 Prediction Map for Solidification Microstructure Defects with Different Centrifugal Speeds

3.3 不同鑄型溫度澆注模擬結(jié)果及分析

選取200、300、400、500 ℃的鑄型進(jìn)行模擬，其他工藝參數(shù)不變，圖9 為不同鑄型溫度凝固40 s 時(shí)溫度場(chǎng)。從圖9 可以看出，溫度分別在200、300、400、500 ℃時(shí)，鑄件內(nèi)壁上下截面的溫度不斷增大，這可能會(huì)造成在鑄型溫度增加的條件下，內(nèi)壁金屬液凝固溫度過(guò)高， 影響金屬液在澆注凝固過(guò)程中的凝固時(shí)間。圖10 為鑄型溫度對(duì)凝固時(shí)間的影響趨勢(shì)。

圖9 不同鑄型溫度凝固40 s 時(shí)溫度場(chǎng)Fig. 9 Distributions of Temperature Fields with Different Molding Temperatures at Solidification Time of 40 s

從圖10 可以看出，當(dāng)鑄型溫度在200～500 ℃范圍變化時(shí)，隨著鑄型溫度的增加，鑄件的冷卻時(shí)間分別為35.49、39.73、45.59 及52.90 s。 鑄型溫度在500 ℃時(shí)，凝固時(shí)間最長(zhǎng)。 金屬液完全凝固時(shí)間與鑄型溫度之間近乎呈線性關(guān)系。凝固過(guò)程結(jié)束時(shí)，隨著鑄型溫度的不斷增加， 鑄管橫截面上的溫度梯度不斷減小， 這樣就會(huì)導(dǎo)致離心鑄管截面上凝固時(shí)間差異變小，離心鑄管的疏松縮孔傾向性降低。

圖10 鑄型溫度對(duì)凝固時(shí)間的影響趨勢(shì)Fig. 10 Tendency Chart for Effect ofMolding Temperatures on Solidification Time

圖11 為不同鑄型溫度凝固組織缺陷預(yù)測(cè)圖。從圖11 可以看出， 在澆注溫度1 390 ℃條件下，鑄型為500 ℃鑄管中的疏松縮孔缺陷得到較為明顯的改善。 因而，為提高離心鑄管的冶金質(zhì)量，在滿(mǎn)足充型的前提條件下，盡可能采取低澆注溫度、高鑄型溫度的澆注方式。

圖11 不同鑄型溫度凝固組織缺陷預(yù)測(cè)圖Fig. 11 Prediction Map for Defects of Solidification Microstructures at Different Molding Temperatures

4 結(jié)論

（1） 澆注溫度會(huì)影響金屬液的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及凝固時(shí)間，澆注溫度為1 390 ℃時(shí)，鋼液離心運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)，在金屬液最后凝固位置，易出現(xiàn)疏松縮孔。鑄件的凝固順序是由外到內(nèi)逐層凝固，最后凝固位置在鑄件的厚壁端（下半段）的中間位置。

（2） 離心轉(zhuǎn)速過(guò)高或過(guò)低都會(huì)降低鑄件的質(zhì)量。 在1 100～1 600 r/min 范圍內(nèi)，鑄件上端厚度比下端薄，發(fā)生“偏心”現(xiàn)象；離心轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，金屬液流動(dòng)中心偏移幅度較小，充型效果較好。

（3） 鑄型溫度是鑄件凝固冷卻時(shí)間的關(guān)鍵影響因素。隨著鑄型溫度的升高，鑄件的凝固時(shí)間也不斷變長(zhǎng)，凝固速率變慢。冷卻時(shí)間與鑄型溫度之間近乎呈線性關(guān)系，在合適溫度區(qū)間內(nèi)，提高鑄型溫度有利于提高組織性能。

致謝

感謝十四五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFB3702005）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52304352、51974155）、教育部“春暉計(jì)劃”科技合作項(xiàng)目（202200042）、遼寧省科技廳博士科研啟動(dòng)基金計(jì)劃項(xiàng)目（2023-BS-182）、遼寧省教育廳高校新型智庫(kù)課題（LJKZK-Y202319）、鞍鋼集團(tuán)海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（HGSKL-USTLN（2022）01）和遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202310146055）的支持。