鐵鎳基合金鑄錠凝固過程及缺陷模擬分析研究

彭 劼  李崇巍  郭文東

（北京北冶功能材料有限公司  北京  100192）

摘  要：為了減輕鑄錠頂部縮孔缺陷以提高鑄錠成材率，本文運用有限元分析軟件ProCAST對鐵鎳基軟磁合金鑄錠在不同錠型參數和保溫條件下的溫度場及縮孔疏松缺陷進行模擬預測，得到了與實際產品較為一致的缺陷分布。研究結果表明：1)真空條件下，將冒口在800℃下進行烘烤后可減輕鑄錠中心疏松缺陷；2)改進后的錠型能將縮孔缺陷有效控制在冒口線以上；3)該模擬條件能較準確的模擬鑄錠凝固過程極其缺陷。

關鍵詞：鐵鎳合金; 真空模鑄; 保溫條件; 錠型參數; 凝固缺陷

Effect of Mould Parameters on Porosity Distribution in Fe-Ni Based Alloy Ingot under Vaccum Circumstance

PENG Jie，LI Chong-wei，Guo Wen-dong

（Beijing Beiye Functional Materials Corporation,Beijing 100192, China）

Abstract:To reduce the shrinkage cavity defects of ingot, the solidification process of Fe-Ni based alloy ingot under diffirent mould parameters and insulation methods have been simulated using FEM software ProCAST, showing a reasonable agreement with experimental date. The results show that: 1) Heating the riser in 800℃ has help to reducing the center porosity of ingot under vacuum circumstance; 2) The shrinkage cavity position of new ingot can be controled above riser line;3) The simulation model can predict solidification process accurately.

Key words: Fe-Ni based alloy; vacuum; shrinkage defects; mold parameters; optimizing

Fe-Ni基軟磁合金是精密儀器儀表、無線電電子工業的重要材料，實際生產中縮孔疏松缺陷一直是制約鑄錠成材率、影響成品質量的主要因素，為了減輕該缺陷，廠家在原錠型的基礎上改變錠型參數并將保溫冒口在800℃下烘烤以改善其保溫條件，有效地將縮孔缺陷控制在了合理范圍內。本研究運用ProCAST軟件對新舊錠型鑄錠凝固過程分別進行模擬，以期得到影響鑄錠縮孔缺陷分布的決定性因素，為后續的錠型設計提供參考。

1 工藝生產流程

現場500 kg鑄錠從澆注到凝固均在真空條件下進行，其生產流程如圖1所示。首先將合金配料加入真空感應爐內進行冶煉，加熱到合適溫度后通過溜槽將合金液澆注到錠模中得到合金錠。真空感應爐冶煉是在負壓條件下進行加熱、熔化、精煉、合金化和澆注的冶煉方法，由于全部冶金過程是在與大氣隔離的條件下進行的，因此避免了大氣對鋼液的污染，合金熔液在真空下精煉，能顯著地提高其純度并準確控制其化學成分^[1]。鑄錠凝固后對其進行脫模，后經鍛造、軋制得到成品。

圖1 模鑄生產流程示意圖

2 工業試驗

廠家采用的錠型模型及材料如圖2所示。舊錠型偏向于矮胖型，冒口錐度和錠身錐度均大于新錠型，高徑比小于新錠型。新錠型則進一步將高鋁磚的保溫冒口在800℃加熱爐中進行了烘烤，以提高冒口四周的保溫性能。圖3為新舊錠型產出鋼錠的縱剖結果。由圖可知，舊錠型冒口線處有嚴重的縮孔缺陷，二次縮孔深入冒口線以下，無法通過后期鍛造而消除，截面縮孔缺陷大小約占整個斷面的1/3；新錠型縮孔則完全處在冒口線以上，斷面無明顯缺陷，整個截面規整連續。

圖2 錠型示意圖（1-鑄鐵模；2-鎂砂；3-合金錠；4-高鋁磚；）

圖3 鑄錠鍛造后冒口線處形貌對比（a）舊錠型（b）新錠型

3 數值模擬

為了分別探討錠型參數和冒口保溫方式對鑄錠凝固過程的影響，找出影響鑄錠縮孔分布的決定性因素，本研究分別對新舊錠型冒口是否進行加熱的情況下鑄錠的凝固過程及縮孔缺陷分布進行模擬，具體過程如下。

模型由鑄錠、錠模與冒口組成，本文首先根據錠型尺寸采用 Pro/ E 軟件建立各部分材料的三維模型，然后導入ProCAST軟件進行網格劃分，為了提高計算精度，鑄錠部分采用較細網格。各材料的物性參數參考文獻^[2]設置。冒口預熱溫度為150 °C和700℃，錠模初始溫度為400 °C，合金熔液澆注溫度為1530 °C，澆注速度為4m/s。重力環境下澆注，重力加速度g為9.81 m·s^-2。各材料之間的界面換熱系數^[2-7]如表1所示，邊界條件^{[3-5, 8, 9]}如表2所示。

表1 界面換熱系數

表2 邊界條件

3.1 不同冒口保溫方式對舊錠型鑄錠凝固過程的影響

在舊錠型的基礎上，將冒口溫度分別設置為150 °C和700℃，圖4為舊錠型冒口溫度不同時的溫度場分布和固相率分布。由圖4可知，冒口加熱后，鑄錠總凝固時間延長，但最后凝固區域并沒有因冒口周圍保溫性能增加而上移到冒口區域內，仍然停留在錠身處。沒有加熱時，鑄錠頂部凝固形貌呈凹陷狀，而冒口烘烤后鑄錠呈層狀方式凝固。這是因為冒口溫度較低的鑄錠由于冒口四周保溫性較差使靠近冒口高鋁磚的合金率先凝固，中心處的合金隨凝固過程體積收縮而下移直到頂表面完全凝固；而烘烤后的冒口四周保溫性能提升，冒口處水平方向熱量散失較慢，使合金的熱量主要從頂表面散失，已凝固的表層合金由于下部沒有支撐而呈水平狀向下陷落，但由于合金頂表面沒有保溫措施，熱量散失較快，冒口處的合金并沒有因為水平方向保溫性能提高而最后凝固。

冒口溫度不同對舊錠型縮孔分布的影響如圖5所示，兩種冒口保溫條件下縮孔位置均延伸至鑄錠本體內部，但烘烤后的冒口的鑄錠中心縮孔缺陷有所減輕。縮孔形成的主要原因是合金凝固過程的液態收縮和凝固收縮導致體積縮減，一旦收縮的體積無法被周圍的合金液補充就會在鑄件內部產生空隙且隨溫度的降低而逐漸增大。由于鑄錠凝固過程其上表面無保溫劑覆蓋，導致鑄錠上表面的傳熱較快使冒口頂部的合金液先凝固，無法對下部合金進行補縮，從而產生縮孔。該傳熱條件下，冒口處合金較早凝固的主要原因是合金頂表面熱量散失較大，因此提高冒口水平方向保溫性能并不能有效解決合金補縮不足問題，所以該錠型參數下使用烘烤后的冒口不能有效改善縮孔缺陷。

圖4 舊錠型不同冒口保溫方式下鑄錠溫度場和固相率隨時間變化情況：

冒口溫度150℃（上）；冒口溫度700℃（下）

圖5 舊錠型不同冒口保溫方式下縮孔疏松分布（a）縮孔顯示比例100%（b）縮孔顯示比例3%

3.2 不同冒口保溫方式對新錠型鑄錠凝固過程的影響

新錠型冒口溫度不同時鑄錠不同時間的溫度場分布和固相率分布如圖6示。使用未進行烘烤的冒口的鑄錠頂部仍呈凹陷狀但其弧度小于舊錠型同條件下的凹陷弧度，冒口溫度上升至700℃時，鑄錠呈層狀方式凝固且高度較低，說明對下部合金補縮較好，下部合金錠更為致密。新錠型的總凝固時間小于舊錠型且最后凝固區域位置明顯提升。圖7為鑄錠在不同保溫條件下的鑄錠縮孔疏松分布，未進行冒口烘烤的鑄錠冒口處縮孔區域大于烘烤冒口的鑄錠。同時，冒口烘烤后鑄錠中心疏松程度略有減輕。

圖6 新錠型不同冒口保溫方式下鑄錠溫度場和固相率隨時間變化情況：

冒口溫度150℃（上）；冒口溫度700℃（下）

圖7 新錠型不同冒口保溫方式下縮孔疏松分布（a）縮孔顯示比例100%（b）縮孔顯示比例3%

4 結論

（1）真空條件下合金頂部無保溫劑覆蓋時，冒口在800℃下烘烤的工藝對改善鑄錠縮孔缺陷幫助不大，但可以減輕鑄錠中心疏松缺陷。

（2）改進后的錠型能將縮孔缺陷有效控制在冒口線以上，錠型參數是決定縮孔位置分布的決定性因素。本研究條件下，高瘦型鑄錠比矮胖型鑄錠更有利于縮孔位置的上移。

（3）模擬結果和試驗結果吻合良好，說明該模擬參數設置能較準確的模擬鑄錠凝固過程極其缺陷，可用于后續錠型設計研究。

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