聶金成， 葉潔云， 汪志剛， 何曉璇， 陳子慧

（1. 江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州 341000；2. 南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌 330000；3. 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州225300）

ZG06Cr13Ni4Mo 對(duì)應(yīng)于美國標(biāo)準(zhǔn)A743/743M-03 中的CA6NM，是一種低碳馬氏體不銹鋼，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性、可焊接性能、耐磨性能和鑄造性能，因此廣泛應(yīng)用于水力發(fā)電設(shè)備。某公司利用采用砂型重力鑄造方法生產(chǎn)的用于水輪發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制的折流器鑄件來切斷水流保護(hù)水輪機(jī)，延長水輪機(jī)使用壽命。 由于折流器長期服役在高沖擊、重潮濕的腐蝕環(huán)境中，要求鑄件承受一定的載荷和強(qiáng)度，因此減少鑄造過程中氣孔、夾渣、裂紋、縮松、縮孔等鑄造缺陷的出現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)折流器鑄件致密化的關(guān)鍵[1-4]。 隨著人們對(duì)鑄造模擬技術(shù)需求的快速增長，ESI 集團(tuán)開發(fā)的ProCAST 軟件能夠進(jìn)行鑄件充型、凝固和冷卻過程模擬，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)縮松、縮孔等鑄造缺陷出現(xiàn)的位置，以便調(diào)整工藝方案[5-7]。本文結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，基于ProCAST 鑄造模擬軟件，對(duì)折流器鑄件的鑄造工藝進(jìn)行模擬，通過模擬結(jié)果調(diào)整鑄造工藝，從而獲得較優(yōu)的鑄件質(zhì)量，并為同類產(chǎn)品生產(chǎn)提供參考。

1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)分析

1.1.1 鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

折流器鑄件屬于異形件， 三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該鑄件材質(zhì)選用ZG06Cr13Ni4Mo 馬氏體不銹鋼，其輪廓尺寸為 967 mm×455 mm×509 mm。 鑄件凈重190 kg，毛重 218 kg。

1.1.2 鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)折流器鑄件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析（見圖2），確定鑄件的機(jī)械加工余量、粗糙度以及加工方法[8]，如表1 所列。

1.2 鑄件技術(shù)要求

①鑄件熔煉采用EAF（電弧爐）+LF（鋼包精煉爐）+VOD（真空吹氧脫碳法）的冶煉工藝方案，最終化學(xué)成分如表2 所列； ②鑄件熱處理工藝為1 010 ℃正火+605 ℃一次回火+580 ℃二次回火[9－10]。

1.3 鑄造工藝分析

本次折流器鑄件采用呋喃樹脂砂重力鑄造的方法[11－12]，因不銹鋼澆注溫度高于普通鑄鋼件，呋喃樹脂砂在高溫狀態(tài)下易出現(xiàn)發(fā)氣量加大和造成鑄件表面黏砂的現(xiàn)象[13]，因此需要采取合理措施排出氣體（設(shè)置明頂冒口、出氣孔和芯骨纏繞排氣繩等）和選用醇基鋯英粉做涂料[14]。

1.4 鑄造工藝方案

本鑄件充分考慮分型面和澆注位置的選擇，確定了平做立澆工藝方案[15]。在澆注時(shí)力求金屬液流平穩(wěn)，防止卷氣，降低出現(xiàn)氣孔可能性，故平做立澆工藝方案采用底注式澆注系統(tǒng)，水平側(cè)入方式[16]，澆注系統(tǒng)使用預(yù)埋陶瓷管造型[17]。

表1 鑄件機(jī)械加工余量分布Table 1 Distribution of machining allowance for the casting

表2 折流器鑄件化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of the jet deflector casting 單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

結(jié)合折流器鑄件尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 共設(shè)置1 條錐形直澆道、1 條環(huán)形橫澆道、4 條切線內(nèi)澆道 （螺旋狀布置）和1 處梯形直澆道窩，并根據(jù)鑄件的補(bǔ)縮范圍，設(shè)置了6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)腰形暗冒口和2 個(gè)隨形明頂冒口。 折流器鑄件的澆注系統(tǒng)及澆道分布如圖3所示。

2 鑄造工藝模擬與分析

2.1 熱物理參數(shù)和模擬參數(shù)設(shè)置

由于 ProCAST 軟件中 Cast 模塊里沒有ZG06Cr13Ni4Mo 的材料熱物性數(shù)據(jù)， 需要自定義添加材料的化學(xué)成分，軟件由此計(jì)算生成相應(yīng)的材料屬性[18]。 主要鑄造模擬參數(shù)如下：

1） 邊界條件。鑄件與砂型之間、冷鐵與砂型之間取500 W/（m·2K），鑄件與冷鐵之間取2 000 W/（m·2K）[6]。

2） 初始條件。澆注溫度 1 565 ℃，型砂溫度 25 ℃，冷卻方式為室溫空冷。 澆注時(shí)間t 采用漏包澆注系統(tǒng)鋼液上升計(jì)算法計(jì)算，公式為[19]：

式中：GL為澆注重量，按工藝出品率估算，約為350 kg；N 為同時(shí)澆注的澆包數(shù)量， 取1 個(gè)；n 為每個(gè)澆口的包孔數(shù)，取 1 個(gè)；v包為鋼液的澆注速度，取 20 kg/s。 由式（1）計(jì)算得到澆注時(shí)間 t 為 17.5 s，取整為 17 s。

3） 模擬參數(shù)。 澆注方式選擇 Gravity Filling（重力鑄造）， 計(jì)算停止溫度 TSTOP=700 ℃， 填充率LVSURF=1[20]。

2.2 初始方案模擬結(jié)果與分析

初始方案模擬結(jié)果及分析見圖4。

從圖4（a）可知，折流器擋流板和轉(zhuǎn)軸上方添加冒口之后， 消除了大部分滯留在鑄件的縮松縮孔缺陷，說明明頂冒口和暗冒口分布和數(shù)量的設(shè)置起到了良好的補(bǔ)縮作用， 但是缺陷控制仍未達(dá)到理想效果，這從圖4（b）可以反映，折流器以擋流板和拐臂孔為界限所圍成的部分鑄件溫度較高， 晚于下方轉(zhuǎn)軸凝固，因此補(bǔ)縮通道暢通，缺陷較??；而擋流板與暗冒口的溫度較低， 部分暗冒口可能先行凝固， 補(bǔ)縮通道阻塞， 其中2 個(gè)較大的暗冒口阻塞現(xiàn)象最嚴(yán)重，缺陷也最多。 究其擋流板縮松縮孔缺陷高的原因，分析圖4（c）和圖4（d）可知，折流器澆注系統(tǒng)的內(nèi)澆口連接擋流板下部分，導(dǎo)致內(nèi)澆口上方的金屬液溫度一直過高，形成孤立液相區(qū)，得不到上方冒口及時(shí)補(bǔ)縮，進(jìn)而形成缺陷。

2.3 工藝優(yōu)化及數(shù)值模擬分析

2.3.1 鑄造工藝優(yōu)化方案制定

根據(jù)初始方案的模擬結(jié)果，為進(jìn)一步減少縮松縮孔缺陷區(qū)域，對(duì)初始工藝做出如下改進(jìn)：

1） 折流器長短側(cè)翼與擋流板連接處處于熱節(jié)位置，金屬液溫度高，在熱節(jié)連接處下設(shè)置2 塊大的弧形冷鐵，在擋流板下設(shè)置12 塊方形冷鐵；

2） 折流器長側(cè)翼中的轉(zhuǎn)軸部分存在少量缺陷，應(yīng)加大明頂冒口的尺寸，同時(shí)在轉(zhuǎn)軸外設(shè)置4 塊半圓冷鐵；

3） 在原有暗冒口的基礎(chǔ)上，改用2 個(gè)保溫冒口。

本次優(yōu)化工藝均使用鑄鐵外冷鐵，冷鐵尺寸采用模數(shù)法計(jì)算，并結(jié)合工廠中常用的冷鐵厚度，選取冷鐵的厚度為20 mm， 冷鐵形狀依照鑄件形狀優(yōu)化[21]。冷鐵和保溫冒口形狀大小見圖5，最終優(yōu)化工藝方案如圖6 所示。

2.3.2 工藝優(yōu)化方案速度場(chǎng)分析

針對(duì)圖 7（a）~圖 7（e）速度場(chǎng)分析，對(duì)應(yīng)左側(cè)速度標(biāo)尺，從充型1.19 s 時(shí)可以看出，金屬液以較快的流速充滿整個(gè)澆道，進(jìn)入型腔的平均速度達(dá)到1.7 m/s，因內(nèi)澆道呈螺旋切線布置， 對(duì)擋流板側(cè)壁沖擊較小，但金屬液紊流現(xiàn)象較突出；充型5.05 s 時(shí)，金屬液同步上升，較平穩(wěn)地充滿擋流板，充型平均速度低于0.8 m/s；充型10.61 s 時(shí)，金屬液面十分平穩(wěn)，沒有發(fā)現(xiàn)金屬液飛濺和卷氣現(xiàn)象， 對(duì)擋流板幾乎無沖擊；充型12.87 s 時(shí)，金屬液開始填充不對(duì)稱的2 個(gè)大明頂冒口，依舊保持平穩(wěn)、同步充型，充型平均速度低于0.01 m/s；在16.8 s 時(shí)充型完畢，總體充型結(jié)果令人滿意。 結(jié)合速度場(chǎng)分析和圖7（f），金屬液從澆道進(jìn)入型腔直至充滿共需16.8 s， 與理論計(jì)算時(shí)間非常接近，并且從左側(cè)充型時(shí)間標(biāo)尺顏色可以得出，同種顏色絕大部分呈水平層狀分布， 進(jìn)一步驗(yàn)證平做立澆工藝采用環(huán)形底注側(cè)入式澆注系統(tǒng)后， 整個(gè)充型過程十分平穩(wěn)，降低了因卷氣而產(chǎn)生氣孔的可能性。

2.3.3 工藝優(yōu)化模擬結(jié)果與分析

工藝優(yōu)化模擬結(jié)果及分析見圖8。

從圖8（b）缺陷分布圖可以看出，通過合理布置冷鐵、擴(kuò)大明冒口尺寸和改設(shè)保溫冒口的措施，最大程度地把縮松縮孔缺陷從鑄件內(nèi)部轉(zhuǎn)移到冒口中，鑄件內(nèi)部缺陷率從24.2%大幅降低到1.56%， 說明冷鐵布置增加了整個(gè)擋流板的冷卻速度，使得明頂冒口和暗冒口后期凝固， 從而優(yōu)化鑄件凝固順序，補(bǔ)縮通道暢通，這與圖 8（c）、圖 8（d）模擬結(jié)果一致；從圖8（e）得出，保溫冒口的設(shè)置避免了由于內(nèi)澆口熱量導(dǎo)致孤立液相區(qū)的出現(xiàn)，延長了補(bǔ)縮通道，幾乎消除了擋流板的全部缺陷，最終得到一個(gè)致密、滿足綜合機(jī)械性能的鑄件。

3 結(jié) 論

1） 本次折流器鑄件采用平做立澆工藝方案和環(huán)形底注側(cè)入式澆注系統(tǒng)， 整個(gè)充型過程十分平穩(wěn)，降低因卷氣而產(chǎn)生氣孔的可能性。

2） 根據(jù)初始方案模擬結(jié)果合理布置外冷鐵、保溫冒口和調(diào)整明冒口尺寸，最終有效減少了縮松縮孔缺陷，保證了鑄件的致密性和綜合機(jī)械性能。