数值模拟工艺设计论文

1工艺方案

球铁薄小件因冷却速度快，过冷度增大。过冷产生额外的液态体收缩，以及过冷度大导致形成大量具有较大体积收缩的奥氏体枝晶，增大了铁液的收缩倾向，而其石墨化膨胀相对滞后，不能有效自补缩[1]。因此球铁薄小件为获得致密的组织，必须利用冒口在铁液共晶凝固前，对孤立液相区进行液态补缩。根据铸件结构特点，工艺设计将有孤立热节的一侧置于上箱，以便放置冒口补缩。由于铸件单重较轻，为提高浇注效率，采用一箱两件树脂砂生产。

1.1铸造工艺设计

球铁补缩系统设计通常采用简单模数法，先绘制铸件模数-体积份额图，再根据铁液输送判断式M2/M1≥0.8[2]，选择非散热面将铸件分为若干补缩区，分别用冒口补缩。但对于结构较复杂的球铁件，这种方法较繁琐，且不能很好的结合铁液冶金质量综合分析，有较大局限性。本文通过数值模拟，先计算不含浇冒系统的铸件凝固液相分布，从铸件凝固阶段补缩通道的畅通情况和孤立液相区分布，确定铸件分区补缩方案。如图2所示，当铸件凝固32s时，出现9处孤立液相区（0-8区）。根据模数计算公式[3]，求解图2各孤立液相区模数分别为：1.25cm（1区）、1.2cm（2区）、0.91cm（3区）、1.25cm（4区）、2.1cm（5区）、1.3cm（6区）、1.5cm（7区）、1.1cm（8区）、1.1cm（0区）。以上各区模数结果表明，如果不用冒口补缩或冷铁激冷，铸件可能会产生收缩缺陷。按照铸件整体超声波检测质量要求，工艺设计在0区、8区采用热冒口进水并补缩，2区、3区、6区用冷铁激冷，1区、4区用发热冒口补缩，5区、7区因孤立液相区域较大，采用冷铁与发热冒口配合，控制热节凝固顺序。针对铸件磁粉检测要求，为减少铸件产生一次夹渣和二次氧化夹渣，浇注系统采用缓流封闭式，避免铁液充型过程中产生紊流，浇注系统截面比：∑A直∶∑A横∶∑A内=1.4∶3.1∶1。铸件浇冒系统及激冷系统设计见图3。

1.2数值模拟

（1）色温充填。铸件充型3.36s时（图4），液流前沿温度出现短暂低温（1344℃），远高于凝固临界温度（1154℃左右），铸件不易产生冷隔。（2）充型速度。充型10.2s时，铸件充满，铸件高26cm，铁液充型液面上升速度平均2.55cm/s，大于同等壁厚铸件最小液面上升速度1.0～2.0cm/s[3]，因此浇注系统流量足够大。在浇注前期1.93s时，仅内浇口区域出现短暂150cm/s流速，铁液通过热冒口后，速度都低于80cm/s（图5），铸液在型腔内产生紊流的可能性较小。（3）充型压力。模拟结果显示浇注前期从内浇道到冒口颈区域出现瞬间位置不固定的间断负压区（图6），总体充型过程平稳，因此铸件产生卷气夹杂的可能性不大。（4）液相分布。铸件凝固32.53s时（图7），左侧铸件4区、6区、9区和右侧铸件对应的11区、12区、14区出现孤立液相区，这些区域可能会产生收缩缺陷。（5）定量缩孔。设置孔松率为0.01，判断缩孔、缩松，图8显示铸件不会产生缩孔，但局部可能会有缩松。（6）Niyama缩松。图9显示有些位置能产生严重程度不明显的缩松缺陷。综合以上模拟结果，铸件充型过程中，铁液流量较大，流速较低，型腔内没有明显紊流现象，总体比较平稳，铸件产生冷隔、卷气、氧化夹渣缺陷可能性不大。铸件凝固过程中，图7确定了孤立液相区位置，图8从液相、相变、固相收缩总量的大小，判定孤立液态区可能产生分散的缩松缺陷。图9从球铁糊状凝固阶段，各区域温度梯度和冷却速度的严重程度判定缩松位置[4]。因图7-图9显示缩松位置并不完全一致，因此铸件产生收缩缺陷的可能性不大。图10所示收缩缺陷+液相分布，综合分析显示铸件产生收缩缺陷风险较小。但薄壁球铁件凝固过程中收缩倾向大，为使批产的每个铸件在整体表面超声波检测和磁粉检测过程中都合格，还必须严格控制冶金质量。

2工艺试制

2.1冲击韧度影响因素分析

球铁基体组织中，珠光体和渗碳体显著降低材料冲击韧度，在硅、磷含量较低的条件下，铁素体越多，冲击韧度越高[5]。由图11[6]可知，在20℃环境下，铁素体基体是使三个夏比“V”型槽冲击试样的冲击韧度平均值获得17J的基本前提。在石墨球数量方面，20℃环境下，从图12可见，180个石墨球/mm2的试块冲击韧度高于310个石墨球/mm2试块冲击韧度，但球墨数量减少时，石墨球径大，引起非球状石墨，晶间碳化物、晶界偏析和显微缩松增多，低温冲击值较低[7]。

2.2铁液化学成分控制

为防止产生珠光体、碳化物，原生铁选用Mn、Cr、Mo、W、V、Ti等微量元素含量较低的抚顺罕王核电铁。铁液化学成分（质量分数）控制：碳当量4.25%～4.35%，碳3.65%～3.80%，原铁液硅0.45%～0.55%，终硅1.8%～2.0%，若生铁Si含量高，可增加纯净废钢加入量，用增碳剂调整，锰＜0.15%，磷＜0.03%，硫＜0.012%，残留镁量控制在0.03%～0.05%。为保证铁液纯净度，熔炼前炉料表面要除去锈蚀和粘砂，熔炼过程中要及时清理粘附在炉壁上的炉渣。

2.3球化和孕育处理

球化包深径比不小于1.8∶1，出铁流量尽可能大，使铁液在球化包内充分翻滚，在提高铁液镁吸收率、去氧脱硫的同时，尽量控制中镁低稀土球化剂的加入量，减少铁液夹渣和收缩倾向。孕育剂选硅钡长效孕育剂，共四次分别在出铁槽、包内、浇口杯、随流孕育中用不同块度充分孕育，其中，浇口杯内孕育量0.05%，用以消除起浇阶段来不及随流孕育而导致的孕育不足。

2.4浇注控制

根据铸件壁厚较薄容易出现冷隔的特点，浇注温度控制在1370～1420℃，因铁液高温静止、孕育、球化、运输降温约50～100℃，熔炼温度在1500～1520℃。浇注前，要多覆盖、勤扒渣，减少铁液表面氧化及反应夹杂。因为试棒在铸件浇注完成后浇，为使试棒与铸件材质性能一致，铁液覆盖、扒渣、运转过程要求快速，缩短球化至浇注的时间，保证球化后铁液在10～12min内全部浇完。

2.5铁素体化高温两阶段退火

铸件进行完全奥氏体化和铁素体化两阶段高温退火，可以减少和去除铸件基体组织中的碳化物、渗碳体和晶界偏析，获得均匀细小的铁素体晶粒，提高铸件的冲击韧性。铸件去除浇冒口后入退火炉，缓慢升温至（920±10）℃，保温3h，再炉冷至（730±10）℃保温3h，随炉冷至600℃出炉空冷。

3试制结果

3.1铸件理化检测

铸件化学成分（质量分数）：3.76%C、1.94%Si、0.1%Mn、0.012%S、0.03%P、0.047%Mg残、0.010%RE残、0.019%Ti、0.006%V、0.008%Ce。试块力学性能：抗拉强度385MPa，屈服强度225MPa，伸长率24%；20℃环境下，三个夏比缺口冲击试块冲击功值分别为：19.5J、18.8J、19J。试样微观组织如图13所示，球化分级2级，石墨等级6级，铁素体含量＞95%，每平方毫米石墨球数约175个。

3.2铸件无损检测

铸件整体表面超声波检测，关键区符合AS2574-2000标准Class1级，其他区域符合Class2级要求。磁粉检测符合AS4037-1999标准15.1要求。样品UT、MT检测后剖切，对剖切面进行着色PT检测，铸件符合检测要求。

4结束语

采用上述工艺，批量生产该件及镜像结构的承压套铸件共4种4211件。所有目视合格的毛坯全部进行整体表面超声波检测和磁粉检测，质量部门不合格品统计，缩孔、缩松累计119件，磁痕缺陷4件。批量生产验证结果表明，高韧度整体无损检测薄壁球铁件工艺设计，必须注意和控制以下几点。（1）针对数值模拟凝固阶段出现的孤立液相区，必须采用顺序凝固原则分区补缩，控制铸件凝固顺序，确保铸件组织致密。（2）大流量平稳充型，型腔内铁液充型速度低于80mm/s，防止铸件产生冷隔缺陷以及铁液紊流造成的氧化夹渣。（3）选用纯净炉料，严格控制Si、Mn、P、S等元素含量，加强孕育增加石墨球数，防止出现珠光体、碳化物，促进基体铁素体化，提高材料冲击韧度。（4）高温完全奥氏体化和铁素体化两阶段保温退火，消除球铁基体组织中珠光体、渗碳体和晶界偏析，促进铁素体晶粒均匀细小分布，提高球铁件冲击韧度。

作者：惠俊民 姜素丽 孙新明 周林波 单位：慈溪市汇丽机电有限公司 中国人民93277部队56分队