大链轮铸造工艺的数值模拟分析

大链轮铸造工艺的数值模拟分析

随着世界制造业的进步，铸造环境质量不断提高。许多船用厚壁铸钢件的加工面要求通过磁粉探伤检验。在磁粉探伤(MagneticParticleTesting—MT)前,用肉眼观察这些加工表面,看不到缺陷;但经过磁粉探伤后,往往会暴露出大面积的磁痕缺陷,如果用软布试去磁痕,缺陷就又看不到了。从磁痕外观看,有微裂纹的特征,也有微观缩松和微小夹杂的特征。在铸造工艺上曾试图采用增大冒口和增加冒口数量的办法以缩松性质来解决此类缺陷,但未能奏效;后来又以微裂纹性质采用提高浇注温度,增加砂型退让性的方法,也是无功而返;还有人认为是微观夹杂连带针孔的缺陷,将缺陷成因归咎于熔体质量,于是通过在熔体中加强除气、除渣、浇包内精炼、砂型烘干并避免潮湿天气浇注等一系列措施来解决此问题,然而效果甚微。类似的缺陷出现在许多厚壁铸钢件中,是一个共性的问题。我们抽取了几个典型的厚壁铸钢件如链轮、轴承座及连杆进行了专门研究,最终发现,该问题是因为在铸钢件工艺设计时忽视了顺序凝固需要足够的温度梯度而造成的。本文首先介绍我们对链轮及系列轴承座等铸件就此问题的攻关过程,然后对温度梯度在顺序凝固工艺设计中的重要性进行讨论。1链轮磁粉检测缺陷的质量分析1.1铸造工艺的校核图1所示的大链轮铸件(轮廓尺寸(⌀1823×437,毛坯重2220kg,浇注重量3640kg)是船用低速柴油机上的关键件。轮缘径向壁厚172mm。该铸件毛坯初加工及精加工后要进行磁粉(MT)探伤,探伤后在链轮槽内及齿面上周布着大量长2～5mm,宽约0.2mm不等的线状磁痕(如图2)(磁痕擦去后目测不到)。对磁痕缺陷的反复焊补热处理打磨不仅大幅度地提高了链轮的生产成本,更为严重的是影响了柴油机装机进度。对原工艺进行冒口模数及延续度的反复校核均表明设计无误。由于对磁痕缺陷的性质众说不一,尽管采取了多种工艺措施如增大冒口或增加冒口数量、提高浇注温度、烘干铸型等方法,仍然不能解决问题,使之成为该厂的一个技术难题。1.2离散方法t温度场计算的控制方程为Fourier方程,即∂T∂t=α[∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2]+QρCp(1)∂Τ∂t=α[∂2Τ∂x2+∂2Τ∂y2+∂2Τ∂z2]+QρCp(1)式中:T为温度;t为时间;Q为潜热;ρ为密度;Cp为比热。离散方法采用直接差分法,因为直接差分法形式简单,适用于不均匀网格计算,且物理意义明确,直接在每个剖分单元上符合能量守恒定律。从链轮磁痕外观上看,似裂纹、似夹杂、似缩松,为了缩小缺陷性质的判定范围,首先对原工艺(图3)进行了温度场凝固数值模拟,网格单元为15mm×15mm×15mm。(1)silcet-al纤维的复合型保温冒口热交换系数h为1000W/m·℃。silicate为有机脂自硬水玻璃砂,silicate-al为纤维复合型保温冒口(硅酸铝纤维)。链轮材质为S30F(丹麦B&W公司标准),相当于国标ZG270-500,故模拟用此参数,液固相用同一密度。(2)初始模型模拟假定铸型外表面恒为室温。因为链轮为大铸件,金属液充满型腔后,在到达液相线之前,温度会很快通过导热和热对流在液相线以上均匀化,所以计算初始条件假定铸件充满型腔后全部从浇温1520℃开始计算。图4为链轮模拟的中截面显示,可见在冒口之间区域会出现缩松。由图4a可知,从两冒口中心部位至冒口的温度梯度很平缓,对接近碳钢ZG270-500的S30F钢来说,其凝固方式在此温度梯度下会呈现出糊状凝固方式,这是出现微观缩松的症结所在。图4b的Niyama缩松判据的预测也表明了这一点。1.3循环破坏分析的金相分析结果为了进一步确定缺陷性质,在链轮轮缘缺陷严重部位取样后进行纵横切片的金相分析,分析结果见图5,判定为一般疏松3～4级。1.4工艺参数分析及优化方案对比原工艺轮缘一周共有六个冒口补缩区,每一个冒口补缩区均符合从两冒口中点指向冒口的顺序凝固原则,但从模拟情况来看,凝固方向上的温度梯度较平缓,因此对S30F钢来说凝固界面推进方式为糊状推进,所以,极有可能造成缩松,导致铸件的不致密;金相分析也证明了这一点。为此,优化工艺时在冒口之间的中心部位安放冷铁以增大温度梯度从而使液—固界面以接近逐层凝固的方式向冒口推进。按照单面冷铁、双面冷铁、三面冷铁及不同尺度的冷铁共模拟了15种方案,从中选出如图6所示的外侧冷铁+底冷铁方案进行试制,并用图7所示的单面冷铁作为对比方案。从模拟结果来看,图6的方案已能满足消除缺陷的目的(Niyama数0.8),考虑到实际生产时工装准备及工艺操作的简便性及利于排气,所以尽管有优于此方案的模拟结果,但仍采用这一方案。又,生产单位也试用过单面冷铁,但没有效果,故试制时将原单面冷铁放大到与优化方案侧冷铁相同的尺度,与优化方案一同观察浇注结果(图7)。图8所示为优化方案的模拟结果,可见温度梯度已明显增强了。1.5u2004工艺验证按外侧冷铁+底冷铁方案试浇了炉号为8605-1#的链轮,同一炉试浇了方案为外侧冷铁的炉号为8605-2#的链轮。浇注温度均为1520℃,冷铁均为明冷铁(工作面无敷砂层,直接接触钢液),其中外侧冷铁厚度140mm,工作面积97mm×80mm;底冷铁厚度120mm,工作面积150mm×90mm。可见,优化工艺采用的冷铁较传统工艺要大得多,因为通过我们的计算和实验发现用小冷铁对这样厚的铸件作用不大。炉号为8605-1#的链轮初加工探伤后,MT探伤质量得到极大提高,除在一处有零星的小磁痕外,其余部分完好,精加工一次通过。8605-2#链轮初加工探伤仅有少许磁痕,但精加工(继续去除2mm加工余量)后,暴露出类似图2的大面积磁痕。对比8605-1#链轮方案可知,采用单面冷铁只能将缺陷推入铸件深部,这与手册所述对大于200mm壁厚的铸件采用单面冷铁只能将缺陷内移的结论相符。其后,又按“外侧冷铁+底冷铁”的方案浇注了42个链轮,情况均良好,说明工艺方案是成功的。在浇注以上铸件时,没有对熔体作特殊处理,铸型也未作特殊烘干,有些甚至是在连续雨天浇注,此时除表面质量不好外,加工后的铸件经磁粉探伤后均未发现磁痕,说明以上对缺陷性质的分析是正确的。2无隔空条件下的微观缩松分析本文以推力轴承座的分析为主。轴承座材质为S20FX(与链轮材质相近),其轮廓尺寸约为2000×1700×390,重量为2500～4000kg不等(图9)。轴承座质量问题与链轮质量问题一样,也是长期困扰厂家的质量难题。主要的质量缺陷是:①轴承档加工后MT探伤出现与链轮类似的磁痕;②在轴承档之延伸侧,出现与链轮类似的MT磁痕。推力轴承座原工艺(图10)存在两个指向冒口的顺序凝固路线,一个是从轴承座脚末端开始指向冒口,另一个从轴承档中线处指向冒口,与链轮类似,会由于温度梯度过小而造成微观缩松。图11是数值模拟对推力轴承座原铸造工艺的评价。可知:①在轴承座档的延伸处有一个孤立封闭的温度区域,补缩通道不畅通,表明此处是个危险区域,此结果与实际生产情况相符;②在轴承档处不存在孤立区域,但温度梯度较缓,所以也是可能产生缩松的区域。由图12可知,按照Niyama准则数判定,轴承座基本无缺陷。与实际情况有些差异。看来要判定微观疏松,只采用Niyama准则数是会产生误差的,必须与温度梯度或更精确地说与糊状结晶区域宽度结合起来更为有效。按照增大温度梯度的原则对原工艺作了优化,优化工艺见图13。数值模拟的结果见图14、图15。可见,温度场与Niyama准则数均能很好满足。其后的工艺试制完全消除了磁痕,说明以上判断是正确的。3u2004顺序凝固与层层凝固的关系文献给出的铸钢件冒口尺寸设计的主要依据是冒口有效补缩距离,但本文涉及的厚壁铸钢件的冒口设计均满足甚至超过有效补缩距离,却仍然出现大面积微小缩松。根据以上链轮、轴承座及连杆的工艺攻关可知,出现大面积磁痕的主要原因是凝固末端区向冒口推进时液固界面处的温度梯度过于平缓所致。当温度梯度平缓时,对有一定结晶温度间隔的合金来说,其液固界面会出现中间凝固及糊状凝固的推进方式,如此会导致疏松缺陷。在传统的铸钢件工艺设计中存在着一个误区,以为逐层凝固就是顺序凝固。文献也强调了这是两个不同的概念,但对二者间的关系未作深入的讨论。本文拟对此进行讨论,然后说明温度梯度在获得致密铸钢件的顺序凝固工艺设计中的重要作用。顺序凝固与逐层凝固的关系及其对铸件质量的影响如下:(1)铸钢件顺序凝固原则,是采用各种措施保证铸件结构上各部分,按照远离冒口的部分最先凝固,然后朝冒口方向凝固,最后才是冒口本身凝固的次序进行,亦即使铸件上远离冒口或浇口的部分到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度。逐层凝固指纯金属或共晶成分合金凝固时在铸件断面上液一固共存的凝固区域很小,是以逐层方式凝固的。当界面上温度梯度很大时,糊状凝固的合金会转化为逐层凝固方式。(2)由以上定义知,顺序凝固尽管存在一个递增的温度梯度,但此温度梯度不一定能保证断面以逐层方式凝固。(3)顺序凝固主要针对铸件整体而言有一个凝固次序;而逐层凝固主要指凝固时固-液界面的逐层推进方式。(4)对铸件来说,满足顺序凝固并不一定满足逐层凝固。如图16,假定合金为宽结晶凝固的碳钢,从末端到冒口存在一个递增的温度梯度,所以铸件由末端区向冒口顺序凝固,I为糊状凝固宽度,假定此区宽度使冒口压头不足以充分补缩,故在继续推进时,必定在此区留下疏松。所以尽管铸件工艺符合顺序凝固原则,但因不满足逐层凝固原则,所以铸件不致密。(5)满足逐层凝固的铸件不一定顺序凝固。如图17,假定为纯金属或共晶合金的立方体,无冒口,则界面以逐层凝固的方式向中心推进(不计重力影响),未造成自下而上的顺序凝固次序,故在中心部位产生集中缩孔。(6)由上可知,糊状凝固是产生缩松的重要原因,而逐层凝固是产生集中缩孔的直接原因。要获得致密的铸钢件,应当尽量同时满足顺序凝固和逐层凝固的原则。(7)要使宽结晶温度范围的铸钢件的组织致密,必须在凝固界面造成陡的温度梯度以缩小凝固区域。而对一定牌号的碳钢来说,激冷易形成魏氏组织,所以必须配合退火热处理来消除它。可见,对有一定结晶温度范围的合金来说,要想获得致密的铸件