缩孔缩松判据函数及其在IN738合金板类铸件中的应用

1、属熔体凝固过程中释放的结晶潜热及由于温度降低而释放的热量, 有效地减轻黑色金属熔体对金属型的热负荷和热冲击; 二是要开展用于制造金属型的, 具有高耐热性、热强度和抗热震性模具材料的研究, 获得具有高抗热疲劳寿命的挤压铸造用金属型。相信随着国内外学者对上述两方面研究的不断深入, 黑色金属半固态挤压铸造技术将继有色金属半固态挤压铸造已进入工业应用阶段后, 最终也将被应用于工业化生产, 为铸造工业带来显著的技术经济效益。四、结论(1 挤压铸造高锰钢铸件的致密度、晶粒度和力学性能优于重力金属型铸造的高锰钢铸件。(2 要获得无缩孔的致密的挤压铸造高锰钢铸件, 其挤压铸造工艺参数应按挤压铸造的无缩孔判据进

2、行设计和控制, 施加于型内金属液上的比压应不小于铸件凝固终了时铸造合金的屈服极限(75M Pa , 加压时间应不小于铸件的凝固持续时间, 施压速度应不小于铸件顶面因凝固收缩而引起的平均下降速度。(3 高锰钢挤压铸造具有显著的节材和节能效果, 其工业化应用尚有待于黑色金属半固态挤压铸造研究和提高模具材料抗热疲劳性能的研究取得突破性的进展。参 考 文 献1 罗守靖等. 固-液态塑性加工技术的新进展. 95. 液态模锻学术会议论文集, 哈尔滨, 1995:152 市村元. 铸造K *1k 最近N 技术动向. 铸造工学, 1996, 68(1 :25313 前川滋 , 山下干生. 溶汤锻造法G 制造5

3、l ? Ë « À铸物N 热变形解析. 铸物, 1995, 67(10 :7297334 永井裕一等. 溶汤直接压延法K h j 制造5l ? A1050 Ë «À薄板N 组织H 集合组织. 日本金属学会志, 1996, 60(8 :7087165 松井光次. Ë « ÀN 溶汤锻造. F j " , 1994, 33(9 :111911256 邢书明等. 加压凝固过程的谐调方程. 中国铸造装备与技术,1997(1 :47497 邢书明等. 挤压铸造的无缩孔判据. 中国有色金属学报, 1998年

4、8月材料增刊8 胡汉起. 金属凝固原理. 北京:机械工业出版社, 1991. 59 齐丕骧. 挤压铸造. 北京:国防工业出版社, 1984. 510 大野笃美. 新订金属凝固学. 日本株式会社地人书局, 1997. 4,第二版(编辑:朱文高1998年3月30日收到初稿, 1998年4月20日收到修改稿。缩孔缩松判据函数及其在IN738合金板类铸件中的应用沈阳铸造研究所(沈阳110021 哈尔滨工业大学李殿中 苏仕方 王君卿安阁英 徐达鸣=提要>本文对凝固过程中采用的缩孔缩松判据函数进行了评述, 并结合真空精密铸造IN738合金板类铸件, 验证了Niy ama 判据函数G/R 1/2在镍基

5、合金铸件中的应用。结果表明, 该判据函数适用于镍基合金铸件, 但其临界值不同于铸钢件。关键词:Niyama 判断函数 缩孔 缩松 铸件 镍基合金 计算机预报T he Shrinkage Porosity Functions and Its Application in IN 738CastingsLi Dianzhong, Su Shifang, Wang Junqing (Shenyang Research Institute of FoundryAn Geying , Xu Daming(Harbin University of TechnologyAbstractT he shrinka

6、g e porosity functions used in the solidification process were reviewed in this paper. By u -sing vaccum investment casting of IN 738plate casting , the applicability of Niyama function G/R 1/2to the N-i based alloy has been proved. The results showed that the function is suitable for the N-i based

7、alloy, butthe critical value is distinct from steel castings.一、引言近几年来, 在经验判据基础上, 采用计算机模拟方法预报铸件在凝固过程中产生的缩孔和缩松缺陷成为铸件凝固模拟领域内的研究热点。通过将模拟结果#与实际生产经验相结合, 优化铸造工艺, 显著提高了铸件的工艺出品率和合格品率。但是, 由于所使用的各种判据都有其局限性, 没有一个标准的判据函数可遵循, 因此在实际应用中应结合实际, 针对不同的工艺条件选择不同的判据。80年代初, Niyama 等人采用二维有限差分法, 分析比较了三种尺寸、五种成分的圆柱形铸钢件的缩孔缩松分布状

8、况, 其目的是找出一种能预报铸件的缩孔, 尤其是缩松的判据112。由于缩松是在铸件凝固后期枝晶间残余金属液凝固时得不到补缩而形成的, 因此, 它与缩孔不同, 无法用等温线法或等固相率线法进行预报。Niyama 的研究表明, 铸件凝固终了时的温度梯度(G 与冷却速度(R 的二次方根的比值G /R 1/2是最能反映铸件内缩孔和缩松分布的函数值。当G /R 1/2小于某一临界值时, 例如对于铸钢件, 当G /R 1/2<1e 1/2#m in 1/2#cm -1时, 在该区域内就会产生缩孔和缩松缺陷。由于G 和R 这两个参数很容易通过传热计算获得, 且该判据函数的临界值与铸件的尺寸无关, 因此

9、非常简洁实用。但该判据是由简单铸钢件导出的, 是一种形状相关判据, 其准确性受铸件形状和合金种类的影响很大。为排除铸件形状和充型速度的影响, Hansen 和Sahm 提出的判据函数G /(R 1/4#V 1/2 中, 包含有枝晶间金属液的流动速度V 122, 但由于V 的计算十分复杂, 不易获得, 因而该判据函数的应用受到了限制。在判据函数G /R 1/2被国际铸造界承认为Niy ama 函数前后, 许多铸造工作者早在60年代末期即已开始试图将这一判据函数应用于预报结晶温度范围宽的铝合金铸件的分散性缩松上13, 42, 而且这方面的研究工作一直延续到90年代15, 62。但由于Niyama

10、函数是在形状简单的铸钢件上基于合金的凝固收缩而导出的, 其准确性仅在简单的圆柱形和板形铸钢件上得到了验证, 对于吸气倾向很大的铝合金, 铸件因纯粹凝固收缩而产生的缩松缺陷往往与因合金吸气而在凝固过程中析出的细小分散性气孔混杂在一起而难于分辨, 且这两种由不同机制所产生的缺陷又互为原因、互相促进, 形成气、缩相混的显微疏松缺陷, 铝合金液含氢量对这种缺陷的形成和严重程度的影响已经超出了铸件凝固收缩的影响。因此, 迄今尚没有一个标准的判据函数可准确预报吸气倾向大的宽结晶温度范围的复杂形状铝合金铸件的疏松缺陷及其分布特征。在这一合金领域内的预报疏松缺陷的判据函数的研究工作目前仍在继续, 有待于获得突

11、破性进展。在对高温合金铸件缩孔缩松判据函数的研究方面, Lecom te -Beckers 在80年代末采用达西定律计算镍基合金定向凝固过程时, 导出其无量纲缩松判据函 数$P *为:$P *=3Lg (G 2(d f sd t 172(1 式中L 合金液的动力粘度B c 合金凝固体收缩率n 枝晶间通道数S 枝晶间通道的曲率$T 合金凝固温度范围G 糊状区温度梯度$T /G 糊状区长度f s 固相率t 时间d f s /d t 平均凝固速度($T /G (d f s /d t 拉拔速度QL合金液密度g 重力加速度镍基合金定向凝固时, $P *值越大则缩松倾向越大。因此, 影响缩松形成的主要工艺

12、和材料因素有:(1 合金液动力粘度L B L 值越大则合金凝固时形成缩松倾向越大;(2 合金凝固体收缩率B c B B c 值越大则合金凝固时形成缩松倾向越大;(3 合金凝固温度范围$T B $T 值越大则糊状区长度$T /G 值越大, 合金凝固时形成缩松倾向也越大;(4 糊状区温度梯度G B G 值越大则糊状区长度$T /G 值越小, 铸件凝固时形成缩松的倾向也越小; (5平均凝固速度d f s /d t :该值与定向凝固时的拉拔速度或凝固区冷却速度有关, 冷却速度R 越大则d f s /d t 值越大, 凝固区固相率f s 增加速度也越快, 枝晶间通道变窄速度也越快, 凝固时铸件形成缩松倾

13、向也越大。Lecomte -Beckers 判据函数虽然是由定向凝固导出的, 但它也适用于评估等轴晶铸件形成疏松缺陷的倾向, 尤其是对于研究镍基合金铸件的疏松缺陷有很强的指导意义。其特点是不仅考虑了凝固过程中材料方面的影响因素(例如L 、Q L 、c B 、$T 等 , 而且还考虑了工艺方面的影响因素(例如G 、d f s /d t 等 , 至于与材料和工艺都有关的因素n 和S , 则可通过实验和金相观测予以确定。而且它是一个无量纲判据, 其准确性, 从理论上讲, 应该是与合金种类及铸件的形状和尺寸无关的。对于一种特定的合金, 由于材料因素已经确定, 影响该判据函数值的仅剩工艺因素G 和R ,

14、 因此该判据函数可简化为G 2/R 或G /R 1/2, 其形式与Niyama 判据函数一致。表1给出了目前常用的缩孔缩松判据函数的名6称、表达式和简化式。可以发现, 尽管各种判据函数的表达形式各不相同, 但涉及工艺方面的影响因素都是温度梯度G 和凝固速度R , 这正是Niyam a 函数被广泛应用的原因。表1常用的缩孔缩松判据函数Table 1Schamatic introduction of shrinkage porosity functions 判据函数名称表达式简化式Niyama 函数G /R 1/2Hansen -Sahm 函数1102(G /R 1/2 (L /$T 1/2G /

15、R 1/2Lecomte -Becker 函数172 24(L B c n S 3/QLg #($T/G 2(d f s /d t G 2R 或G /R 1/2Davies 函数182$P #r 2/(8L B R G /R Pellini 函数192G 注:R 为凝固速度, r 为晶胞半径本文采用真空熔模壳型铸造法, 对凝固温度范围宽、热导率低的IN738镍基合金板状薄壁铸件在凝固过程中的缩松倾向进行了研究, 并用Niyama 判据函数预报了工艺参数的变化对铸件中缩孔缩松分布的影响, 并给出了临界判据值。经实验验证, 预报结果准确, 证实了该判据函数用于预报真空熔模铸造薄壁板类铸件的缩孔缩松

16、缺陷分布时的准确性和实用性。二、试验方案及试验结果以真空熔模铸造IN738镍基合金薄壁板类铸件为研究对象。该铸件底板部分尺寸为17912mm 16518mm 6mm, 底板四周边框尺寸为高9mm 宽5mm, 底板中心为一549mm/539mm 2215mm 的空心凸台。直浇道置于凸台顶部, 铸件其余部分为非加工面。浇注前将壳型置入砂箱, 填砂后入炉焙烧5 6h 。通过改变浇注温度、铸型焙烧温度及浇注系统的尺寸和保温条件, 进行了多组浇注试验。现对三种典型工艺的试验结果进行比较和分析。11工艺A浇注温度T p =1500e , 铸型焙烧和保温温度T m =900e , 凸台为实心, 凸台上放置直

17、浇道和浇口杯, 直浇道尺寸549mm 100mm, 浇口杯高度70mm 。铸件清砂后进行X 射线探伤, 并在铸件图上标出缩孔缩松缺陷的位置和尺寸。试验结果表明:浇口杯中有集中缩孔, 直浇道中有轴线缩孔和缩松, 底板部分距铸件轴线约40mm 处分布有45处缩松。21工艺B浇注温度T p =1600e , 铸型温度T m =850e , 凸台为实心和空心(与实际铸件尺寸相符 。其中空心凸台的方案中, 加大了浇口杯和直浇道的尺寸, 并在与直浇道下部及铸件凸台部位相对应的壳型四周包覆保温棉以增强浇道对铸件的补缩效果及铸件由底板向浇口杯的顺序凝固趋势。X 射线探伤表明, 方案B 的两种浇注系统均可消除铸

18、件内的缩孔和缩松缺陷。31方案C浇注系统与方案B 相同, 浇注温度与方案A 相同, T p =1500e , 铸型温度T m =950e , 高于方案A 和方案B 的铸型温度。X 射线探伤发现, 无论是空心凸台方案还是实心凸台方案的铸件中均有较多的缩孔和缩松缺陷, 尤其是在铸件的底板部分, 分布有距铸件中心线约50mm 的环状缩松带。三、试验结果的模拟验证及分析为验证试验结果, 用二维差分法和Niyama 判据函数G/R , 对在与试验相同工艺条件下的铸件温度场和判据函数G /R 的分布进行了模拟, 以确定铸件内形成缩孔和缩松缺陷的Niyama 函数的临界值, 达到通过模拟预报和消除铸件内缩孔

19、缩松的目的。IN 738合金的液相线温度T l =1330e , 固相线温度T s =1260e , 凝固温度范围($T 较宽, 达70e 。模拟所需的其他热物性参数取自5中国航空材料手册61112, 并采用等当量法1122计算液相线斜率m 、平衡分配系数K 、合金初始成分C 0等, 用等效比热法处理合金的凝固潜热。温度梯度G 和冷却速度R 取各单元达到固相线温度时的值。其中G 取该单元与周围26个单元的最大值, 单位为e #cm -1, R 的单位为e # c m -1, 判据函数的单位为e 1/2#min 1/2#cm -1。11方案A 的模拟结果图1a 是方案A 的Niyama 判据函数

20、模拟结果, 图1b 是该方案的温度场模拟结果。模拟结果表明:采用等温线法模拟铸件温度场时, 在浇注后40s, 铸件底板部分边缘已凝固, 中间部位温度介于1260 1300e , 进入糊状凝固区, 但从温度场看, 铸件从边缘到中心呈顺序凝固, 看不出有封闭热节, 故无法判断铸件板部分有无缩松; 而采用Niyama 判据函数模拟铸件凝固时, 发现铸件底板部分有分散缩松的部位, 以及浇口杯内集中缩孔和直浇道内轴线缩孔和缩松部位的Niyama 函数G /的值均<015, 与工艺方案A 铸件内缩松缩孔的实际分布基本相符。21工艺B 的模拟结果图2是用Niyama 函数对工艺B 中两种不同浇注系统方

21、案的模拟结果。结果表明:铸件底板部分的N iyama 函数值均大于015; 与工艺A 相比, 由于提高了浇注温度, 降低了型壳温度, 使铸件内尤其是底板部分的温度梯度G 增大, 使判据函数G /值增大, 因而无论是对于采用实心凸台的图2a 方案, 还是空心凸台及大尺寸浇注系统的图2b 方案, 都显著提高了铸件底板部分的判据函数值, 尤其是对于图2b 的方案, 效果更为明显, 底板部分的判据函数值增大至017以上, 显著改善了铸件底板部分由边框向浇道的顺序凝固条件; 实际浇注试验表明, 采用工艺B 的两#种方案所获得的铸件, 底板部分均无缩松和缩孔缺陷。3. 工艺C 的模拟结果对工艺C 的两种方

22、案的模拟结果见图3。由于浇注温度比工艺B 低, 与工艺A 相同, 为1500e , 而型壳温度比工艺B 和工艺A 都高, 为950e , 因而使铸件底板内的温度梯度G 减小, 从而使底板内的判据函数G/R的值显著减小, 出现大片的G/R <015的环状区, 该区正好对应于实际试验铸件底板内的环状缩松区;即使 (a Niyama 函数模拟 (b 温度场模拟图1 工艺A 的模拟结果F ig. 1M odeling results for technolog yA (a 实心凸台, 小浇道 (b 空心凸台、大浇道图2 工艺B 模拟结果F ig. 2M odeling results for t

23、echnologyB (a 实心凸台, 小浇道 (b 空心凸台, 大浇道图3 工艺C 模拟结果F ig. 3Mo deling results for technolo gy C采用图3b 的空心凸台、大尺寸浇注系统及型壳外包保温棉等措施, 也不能消除环状缩松区。可见G 值对判据函数值的影响甚大, 对铸件的凝固模式影响显著。在工艺上提高G 值和判据函数G /的值以促进铸件顺序凝固的主要措施应是提高浇注温度和适当降低型壳温度, 在此基础上辅以空心凸台、大尺寸浇注系统和浇道型壳保温措施, 可进一步提高G 值和判据函数值, 强化铸件顺序凝固和浇道对铸件的补缩条件。4. IN738合金的临界判据函数值

24、试验和模拟结果表明, 在真空熔炼和铸造条件下, 由于显著减少了IN738镍基合金的吸气量, 因而排除了溶解于合金的气体析出形成分散性细小气体的影响因素, 因此可用Niyama 函数来模拟真空熔模壳型铸造薄壁板类铸件由于凝固收缩而形成缩孔和缩松的倾向, 预报铸件内缩松的分布和面积。在本试验条件下, 铸件形成缩孔缩松的临界判据函数值为015, 即在Niy ama 函数G /R <015的区域内会形成缩孔缩松缺陷。这一点与铸钢的临界Niyama 函数判据为1有所不同。之所以会产生这种差别的原因是:Niyam a 函数G /R 是一个未考虑合金成分和物性参数影响及铸件形状影响的判据。对于铸钢,

25、由于其凝固温度区间较窄, 合金元素对于其热物理性能的影响不如在镍基合金中明显, 对于镍基合金, 合金元素C 、Cr 、Al 、Ti 、Co 、Mo 等都对合金的凝固温度区间的宽度及合金液的动力粘度等物性参数有较大影响。总的趋势是使合金的凝固温度区间比铸钢宽(例如IN738的凝固温度区间宽达70e , 合金液的动力粘度比铸钢大, 使合金凝固时固液两相区扩大, 糊状凝固倾向增大, 因6而使凝固区的Niyama 函数及其判据值呈减小的趋势, 这一特点在其他研究中也得到了证实172; 同时, 由于Niyam a 函数G /R 中只包括了凝固区的温度梯度G 和凝固速度R 这两个与温度有关的工艺参数, 并

26、未考虑铸件形状对凝固的影响, 因此该判据函数虽然具有简洁实用的优点, 但由于判据函数中所考虑的参数过少, 使其只能预测铸件产生缩松的可能性及其大致部位, 尚不能精确预报缩松的位置、数量和尺寸, 其临界判据值也因此而随铸造合金的种类、铸造条件及铸件的形状和尺寸而异。因此, 该判据函数实际上与目前已提出的其他许多判据函数一样, 是一种与合金成分和铸件形状相关的函数。这一缺陷, 限制了这些判据函数(例如Pellini 函数、N iyama 函数 的推广应用。因此, 在N iyama 函数的基础上引入其他与凝固有关的物性参数, 以获得一种能较精确预报铸件的缩松缺陷, 表达形式又比较简洁、便于实用的判据

27、函数, 是当前研究缩松预报的一个主要方向。已提出的Hansen -Sahm 函数(G /R 1/2 (L /$T 1/21102和Lecomte -Becker 函数172正是这一努力的具体体现。这两个判据函数考虑了合金成分和动力粘度的影响, 是与合金成分无关的无量纲的判据函数, 减少了判据函数的经验性, 可能更适合宽凝固温度范围合金铸件的缩松计算和预报, 在向导出一种普适的合金铸件缩松判据函数的方向上迈出了重要的一步。看来, 进一步的深入研究应是在判据函数中引入铸件的模数或周界商, 获得一种既与合金种类无关, 又与铸件的形状和尺寸无关的普适的缩松判据函数并确定该函数的临界判据值。三、结论(1

28、 Niyama 函数可以用于预报真空熔模壳型铸造薄壁板类铸件的缩孔和缩松分布, 其临界判据值为015, 仅为铸钢临界判据值的一半, 当铸件底板部分 的G /R <015时, 就会在相应部位出现缩松。(2 用Niyama 函数预报铸件缩松, 仅能预报其出现的可能, 尚不能精确预报缩松的位置、数量和尺寸, 且Niyama 函数的临界判据值因合金和铸件的形状而异, 是一种与合金成分相关和与铸件形状相关的判据函数, 其简洁性既是它的优点, 又是它的严重不足。为获得一种普适的缩松判据函数, 有必要在N iyama 函数基础上, 引入必要的合金成分因子和铸件形状因子, 这是今后深入研究和开发的方向。

29、参考文献1E. Niyama, T. U chida, et al. A method of shrinkage prediction and its applicati on to steel cas ting practice. AFS Int. Cast M etal J. , 1982, 7:52632P. N. H ansen, P. R. Sahm. How to model and simulate the feed -ing process in cas tings to predi ct shrinkage and porosity formation. M odeling of casting and Welding Process IV, T M S, 1988:3342 3N. S. M ahadevan, K. S. M urthy, et al. In fluence of solidi fica -tion gradients on casting soundn ess of aluminium -415%