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铸钢件中砂芯发气的数值模拟

Numerical Simulation of Core Gas Defects in Steel Castings

L. Xue, Flow Science, Inc., Santa Fe, New Mexico

M.C. Carter, Flow Science, Inc., Santa Fe, New Mexico

A.V. Catalina, Caterpillar Inc., Peoria, Illinois

Z. Lin, Caterpillar Inc., Peoria, Illinois

C. Li, Caterpillar Inc., Champaign, Illinois

C. Qiu, Caterpillar Inc., Peoria, Illinois

 

摘要：砂芯发气的气泡被困在金属中是造成铸件气孔缺陷的主要原因之一，在预测铸件气孔缺陷时，如果不考虑砂芯发气会使预测的结果不够完整。本文结合原理、FLOW-3D 软件模型及相应的软件模拟案例来说明 FLOW-3D CAST 作为一个功能强大的模拟工具，可以用来预测砂芯发气的问题，让使用者不用进行试验就能够快速的设计和了解修改后的变化。

关键词：砂芯发气；铸造工艺；模拟技术；数值模拟；凝固；缩孔缩松；气孔；困气

 

1   前言

在铸件中气孔的形成主要是因为金属原本夹带的氢气或氮气、在充型过程中卷入的气体及砂芯发气所产生的气体。对于目前预测铸件气孔的分析软件大部分都是观看卷气为主，由于砂芯发气的模拟涉及到复杂的物理模型，所以较难将砂芯发气建立在铸件分析中。但是如果不考虑砂芯发气对气孔缺陷是不够完整的。

本文利用 FLOW-3D CAST 这套软件来尝试预测砂芯发气的缺陷问题。此软件可进行砂芯发气的模拟，但砂芯发气的气体不会被加入在流体的计算中，故无法得知气体的位置，目前可搭配固相率来观看结果并推断可能发生砂芯发气造成的气孔缺陷。

 

2   理论

铸造过程中涉及了各式各样的物理模型，像是流体力学、热传、凝固…等。在FLOW-3D CAST 中使用的一些预测气孔缺陷功能在下方为各位介绍。

 

3   凝固模型

在软件中有两个凝固模型可以被用来预测金属收缩产生的缩孔。第一个模型是有关流体力学方程的系统，它的分析结果会考虑到金属的速度及压力来进行仿真，因此被称为流体动力学或是第一原理(FP)。第一原理(FP)是预测缩孔较精准的模式但每次的分析要涉及动量和热能的方程进行计算，所以计算的时间较长。

另一个模型是简化的收缩模型，它只考虑金属和模具的能量方程，没有考虑流体动力方程。这种模型的气孔形成主要由金属冷却及重力影响作为计算，此模型被称为快速凝固收缩率模型(RSS)，可以用来快速的分析铸件的气孔。

 

4   微缩孔模型

当固相率达到一定的值时，对金属的枝晶组织开始产生影响，此时液体的压力是非常高的。对于微缩孔模型来说是假定在凝固的最终阶段微小气孔的数值，另外在零流动的点上被称为刚性固相率或是临界固相率。

体积收缩(ΔV)是由元素密度变化中的质量守恒来进行计算

液、固相的混合密度为固相率的线性函数(fs)

其中，ρliq是液相温度的密度（fs=0)、ρsol是固相温度的密度（fs=1)。利用上述两种关系，在收缩体积ΔS的变化，相对于固相率的变化，Δfs是

其中S是微缩孔的体积分数、fs是固相率

 

根据这个公式最大的缩孔可能为(ρsol-ρliq)/ρsol, 然而最大的微缩孔只发生在临界固相率以上的凝固

 

5   砂芯发气模型

在 FLOW-3D CAST 中固体粘结剂的气体转换是由阿瑞尼斯(Arrhenius)方程式方程而来：

其中ρb是固体粘结剂密度、Cb是分解速度常数、Eb是结合能、R是气体常数、T是砂芯温度

气体被视为是理想的并且具有特定的常数(Rcg)，特定的气体常数可以从实验中推断，从标准的体积(Vstd)和粘结剂(mb)，计算公式如下

 

 

 

 

 

砂芯气体流量的速度( )计算公式如下

其中K是砂的渗透性、μcg是砂芯气体粘度、pcg是砂芯气体压力

砂芯发气的密度须符合质量转换方程及理想气体的假设，计算公式如下

其中 ρcg 是核心气体密度，T是气体温度

 

6   模拟

在模拟中使用的铸件是一个冒口组件(如图1所示)，使用的熔汤材质为钢，浇铸温度为1853K，铸件尺寸为0.715m x 0.22m x 0.235m，铸件重量为136.8公斤。

图1 模拟中使用的铸件

Figure1 The geometry of casting/riser assembly used in the simulation

 

砂芯材质使用PUCB (Polyurethane Cold Box)，砂芯砂粒直径为0.18mm、粘结剂的质量分数为1％，砂芯其他参数如表1所示，砂芯和模具有相同的热导率和密度x比热，如图2、图3所示。

表1 粘结剂和砂芯气体性质

 

图2 模具和砂芯的热导率

 

图3 模具和砂芯的密度x比热

 

网格区块大小为1.1m x 0.65m x 0.6m，分析结束条件设置为固相率等于1，一开始先使用快速凝固收缩率模型(RSS)进行分析确认参数，当参数确定后使用第一原理(FP)进行完整的凝固与砂芯发气的分析，将分析后的结果进行比对。

 

7   结果

在铸件中间的横截面有三个主要的气孔缺陷，如图4(a)所示，由快速凝固收缩率模型(RSS)的微缩孔结果可以看出A区和B区有相同的缺陷存在，如图4(b)，这个模型可以快速的找出缺陷位置。另外在第一原理(FP)有更良好的效果，如图4(c)所示。

图4 铸件中截面的气孔缺陷

（a）实验的铸件气孔位置分布，(b) 快速凝固收缩率模型(RSS)的微缩孔分布，(c) 第一原理(FP) 的微缩孔分布

 

由图4(c)可看出第一原理(FP)正确的预测区域A和B的微缩孔结果，比快速凝固收缩率模型(RSS)的微缩孔更为准确，这是因为第一原理(FP)有考虑流体的流动，但是快速凝固收缩率模型(RSS)的微缩孔和(RSS)的微缩孔都没有预测到区域C的气孔缺陷。在区域C的气孔缺陷可能来自砂芯的发气，为了验证这样的说法透过凝固的固相率及砂芯发气的结果进行比较，如图5、图6所示。

图5 砂芯发气与金属固相率在t=1337秒的比较

（a）砂芯发气分布图，(b)金属固相率

 

图5 砂芯发气与金属固相率在t=1337秒的比较

（a）砂芯发气分布图，(b)金属固相率

 

8 结论

砂芯发气的气泡被困在金属中是造成铸件气孔缺陷的主要原因之一，在预测铸件气孔缺陷时，如果不考虑砂芯发气会使预测的结果不够完整，在本文中没有考虑砂芯发气的比对时，会遗漏某些因砂芯发气造成的缺陷区域，透过砂芯发气与凝固的固相率可以找出因砂芯发气造成的缺陷位置。在这项研究中使用的软件FLOW-3D CAST是一个功能强大的工具，可以用来预测砂芯发气的问题，让使用者不用进行试验就能够快速的设计和了解修改后的变化。

注：本文发表于美国铸造学会，由帕盛博（苏州）软件科技有限公司编译并再次发表。

 

【参考文献】

1. Lee, P.D., Chirazi, A., See, D., “Modeling Mi

croporosity in Aluminum-Silicon Alloys: A Review,” J. Light Metals, 2000, 1, 15

2. Stefanescu, D.M., “Computer Simulation of Shrinkage Related Defects in Metal Castings - A Review,” Internat. J. Cast Met. Res., 2005, 18, 129

3. Catalina, A.V., Leon-Torres, J.F., Stefanescu, D.M., Johnson, M.L., “Prediction of

Shrinkage-Related Defects in Steel Castings,”

Proceedings of the 5th Decennial International Conference on Solidification Processing, Sheffield, July 2007

4. Carter, M.C., Xue, L., “Simulating the

Parameters that Affect Core Gas Defects in Metal

Castings,” Proceedings of the 117th Metalcasting Congress, St. Louis, April, 2013

5. Starobin, A.J., Hirt, C.W., “FLOW-3D Core Gas Model: Binder Gas Generation and Transport in Sand Cores and Molds,” Santa Fe, New Mexico, USA: Flow Science Inc. TN84.

6. Hirt, C.W., “Modeling Shrinkage Induced

Micro-porosity,” Santa Fe, New Mexico, USA: Flow Science Inc. TN66.