ProCAST在鑄件精鑄工藝確定過程中的應(yīng)用

馬軍義，高 華，王飛超

（1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.鄭州輕研合金科技有限公司，河南 鄭州 450041）

在合金的實(shí)際研發(fā)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會碰到到客戶帶著樣品或是一張圖紙甚至是一個(gè)思路，要求我們提供樣件或批量合金鑄件產(chǎn)品。在大致評估我們具備批量提供鑄件能力并能為單位帶來一定經(jīng)濟(jì)利益的前提下，就需要做以下工作：選定合適的鑄造方式（以精密鑄造為例）、設(shè)計(jì)建立鑄件模型、設(shè)計(jì)壓蠟?zāi)＞摺⒃O(shè)計(jì)合適的澆鑄方案、精密鑄件制殼、預(yù)設(shè)合理的澆鑄工藝及后續(xù)處理方案等[1]，本文僅就澆鑄方案環(huán)節(jié)的確定做以簡述。利用ProCAST軟件對鑄造過程進(jìn)行模擬仿真，對優(yōu)化鑄造工藝、縮短研制周期、降低試驗(yàn)開發(fā)費(fèi)用具有重要意義。其可以通過分析不同澆鑄方案的優(yōu)缺點(diǎn)，預(yù)測縮孔、疏松、澆不足、表面夾雜等可能出現(xiàn)的鑄件缺陷，提前采取預(yù)防性措施。

1 鑄件分析

（1）鑄件材質(zhì)分析。該鑄件采用的是ZL205A鋁合金，這是一種我國自行研制的具有國際先進(jìn)水平的高純高強(qiáng)度鑄造合金，具有很高的室溫強(qiáng)度和良好高溫性能，在航空、航天及重要民品上有越來越廣泛的應(yīng)用，但它的鑄造性能差特別是流動(dòng)性差，凝固溫度區(qū)間大，約90℃[2]，故其有如下幾個(gè)缺點(diǎn)：嚴(yán)重的縮松傾向；合金的流動(dòng)性差；合金的線收縮率較大；合金的氣密性差；熱裂傾向大。必須通過設(shè)計(jì)合適的澆鑄方案，加強(qiáng)凝固溫度梯度，造成順序凝固，保證組織細(xì)小致密，才能使各部位得到良好的補(bǔ)縮，從而得到滿足客戶要求的品質(zhì)。

（2）鑄件結(jié)構(gòu)分析。通過UG軟件對預(yù)生產(chǎn)鑄件進(jìn)行三維實(shí)體建模，如圖1所示。

圖1 鑄件三維實(shí)體建模

該鑄件為曲面結(jié)構(gòu)，分型較為復(fù)雜，軸向最大長度760mm，最小厚度約10mm，最大厚度約120mm，壁厚呈順序增大，利于補(bǔ)縮?；诳蛻魧Ξa(chǎn)品質(zhì)量的要求、目前我們單位具備的生產(chǎn)條件及后期加工處理等綜合考慮，擬采用近似成型的硅溶膠精密鑄造工藝生產(chǎn)。根據(jù)鑄件的尺寸規(guī)格及精鑄制殼的組合特點(diǎn)，可以采用水平造型、傾斜澆注，或是水平造型、垂直澆注等不同的澆鑄方案[3]。

2 工藝參數(shù)的確定

熔模鑄造在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分考慮金屬液快速平穩(wěn)充型，并在合理的位置留有排氣孔、內(nèi)澆道、補(bǔ)縮通道等，以避免鑄件產(chǎn)生縮孔等影響鑄件質(zhì)量的缺陷[4]。該鑄件采用開放式底注式澆注系統(tǒng)，便于快速充型，同時(shí)充型過程平穩(wěn)，得于排氣、集渣。利用ProCAST軟件進(jìn)行有限元模型的建立，設(shè)置鑄件的材料為ZL205A。型殼共7層，實(shí)驗(yàn)從環(huán)保角度考慮采用硅溶膠型殼。根據(jù)鑄件對強(qiáng)度型殼強(qiáng)度要求，采用1層面層、5層背層和1層封閉層工藝，型殼厚度大約為6 mm，對應(yīng)軟件材料中的ACTORY_Fused_Silica。然后將鑄件部分設(shè)置為“0”，型殼部分設(shè)置為“100%”。界面類型設(shè)置為COINC，鑄件和型殼之間的換熱系數(shù)為500W/（m2·K），型殼與空氣的換熱系數(shù)為50W/（m2·K）；設(shè)置重力方向?yàn)檎齴方向，大小為9.8 m/s，型殼預(yù)熱溫度為300℃。一般情況，鑄件澆注溫度控制在合金結(jié)構(gòu)液相溫度上80℃～120℃，而對于特殊鑄件（如薄壁，復(fù)雜鑄件），應(yīng)提高溫度。實(shí)驗(yàn)根據(jù)鑄件材料及生產(chǎn)實(shí)際情況設(shè)置其澆注溫度為735℃，取澆注時(shí)間t=10s。

3 鑄造方案的篩選與確定

3.1 水平造型，傾斜澆注

3.1.1 頂注式澆注

圖2 鑄件頂注模型及頂注模擬

根據(jù)模擬澆注結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法優(yōu)點(diǎn)是造成上熱下冷的溫度場，利于逐層補(bǔ)縮，補(bǔ)縮擴(kuò)張角大，可以最大限度避免或減少縮松縮孔缺陷。

缺點(diǎn)是從頂注流下導(dǎo)致流程長，充型不平穩(wěn)，鋁液表面氧化皮易于破裂，卷入鋁液內(nèi)部，容易形成二次氧化夾渣，沖砂缺陷。

3.1.2 階梯式澆注

圖3 鑄件階梯式澆道模型與階梯式澆鑄模擬

根據(jù)模擬澆注結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法優(yōu)點(diǎn)是先從底部充型，再從頂部充型，可以保證自上而下凝固溫度場，利于補(bǔ)縮；同時(shí)充型較頂注式平穩(wěn)。缺點(diǎn)是充型有些紊亂，容易產(chǎn)生氧化夾渣缺陷。

圖4 鑄件底注澆道模型與底注澆鑄模擬

3.2 水平造型，垂直澆注

3.2.1 底注式澆注

根據(jù)模擬澆注結(jié)果發(fā)現(xiàn)，（簡述一下凝固過程）該方案充型不夠平穩(wěn)，從上至下沒有緩沖，同時(shí)由于內(nèi)澆道進(jìn)水導(dǎo)致其根部過熱，凝固緩慢，造成如圖所示凝固時(shí)拖長尾，而該部位則可能補(bǔ)縮不良，存在縮松缺陷。

3.2.2 底注式鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖5 鑄件底注澆道與冷鐵放置模型與底注澆鑄模擬

根據(jù)模擬澆注結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用直、橫、內(nèi)澆注系統(tǒng)，橫澆道做為緩沖，使沖下來的鋁液流動(dòng)平穩(wěn)，進(jìn)入鑄型后充型平穩(wěn)，同時(shí)橫澆道設(shè)計(jì)成漸變式的截面，使三個(gè)內(nèi)澆道同時(shí)充型；內(nèi)澆道附近安放冷鐵，澆注完成后，促使底部先凝固，消除拖尾現(xiàn)象，避免或減少縮松缺陷。

外加冷鐵的底注式澆注方案，不論是鑄件的成型性還是對鑄件的內(nèi)外在質(zhì)量效果最佳，也最有可能達(dá)到客戶的質(zhì)量要求，并且制備成本增加極少，可以作為優(yōu)先澆鑄方案開展試驗(yàn)制備。

4 結(jié)論

（1）采用精密鑄造工藝開發(fā)某種特定成分合金的特種結(jié)構(gòu)鑄件時(shí)，使用Procast軟件可以對鑄件的充型及凝固過程進(jìn)行模擬，預(yù)判鑄件中可能存在的內(nèi)外在質(zhì)量缺陷。

（2）根據(jù)Procast軟件模擬的結(jié)果，可以采取預(yù)防性措施，降低預(yù)判缺陷出現(xiàn)的幾率，提高成品率和原材料的利用率。

（3）通過Procast軟件篩選合理的的鑄造工藝，能夠縮短新產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間，減少不必要的試驗(yàn)環(huán)節(jié)，達(dá)到節(jié)約成本、及早滿足市場要求及提高企業(yè)效益的目的。