预测熔模铸造工艺过程中的收缩缺陷
预测熔模铸造工艺过程中的收缩缺陷

 

预测熔模铸造工艺过程中的收缩缺陷

Dr. S. Savithri, Senior Principal Scientist at CSIR-NIIST

 

一、前言

熔模铸造是历史悠久的铸造工艺之一,古代是将融熔金属浇注到陶瓷壳模中用来生产金、银、铜和青铜合金的珠宝和雕像。在19世纪末,牙医开始使用熔模铸造制作牙冠和嵌体,而现今熔模铸造工艺用于生产表面精度高和尺寸误差小的近净形铸件。

熔模铸造工艺有四个主要的步骤:

1.建置蜡模形,然后用浇注系统进行组装成为蜡树

2.将蜡树反复地沾涂浆料以获得陶瓷壳模

3.将壳模干燥后加热使蜡熔出,然后预热以增加强度并准备浇注

4.将要浇注的合金熔化并倒入预热的壳模中,待凝固后将壳模破坏获得铸件

熔模铸造工艺所生产的铸件常用于许多关键的应用,因此需要较高的质量不可有缩孔等缺陷,在熔模铸造常发生的主要缺陷有陶瓷夹杂物、裂缝、变形、收缩、包渣和冷隔纹,为了预测铸件的质量,需要研究铸造工艺参数的影响性,例如金属模具的热传系数、浇注温度、壳厚度…等,故本研究将针对辐射热传的影响、FLOW-3D生成壳模的实用性、壳模厚度以及浇道和浇口的位置的影响进行探讨。

 

二、研究方法

图1.几何模型(单位:m)

 

在本研究中模拟使用的几何如图1所示。并利用FLOW-3D建立壳模,操作步骤如下:

1. 将几何导入FLOW-3D中,并在几何周围建立一个网格区块

2. 将几何类型改为“complement”

3. 从固体材料库定义此模具材料属性

4. 定义“热穿透深度”,此值可以定义壳厚度

5. 进行预处理计算

6. 在“Iso-surface”和“color variable”,选择“thermally active component volume”并按下“Render”显示壳模

7. 输出壳模STL文件

在建置完壳模模型后,将STL文件导入新的仿真中作为新的组件,并将类型更改为“hole”,壳模几何如图2所示。

图2.壳模模型

 

接着需要建立网格区块作为软件的计算区域,并在入口处规划一个进料区域,如图3所示,在模具与融熔金属材质可有软件中的材料库导入,如表1所示,在工艺参数上须考虑融熔金属与壳模的热传及壳模与30℃的环境空气之间的热传,各项工艺参数如表2

图3.建立网格区块示意图

 

壳模选用的材料为锆石,热性能由Sabau和Vishwanathan[2]的实验得出。表1显示了为研究中使用的材料指定的值。

表1.材料性质

表2.工艺参数

给出了进入浇口池的熔体初始速度和温度作为网格块2上边界的速度边界条件。默认情况下,所有其他边界都设置为对称类型。

 

三、 结果与讨论

实验结果与验证

在本研究中利用五个位置来观察填充和凝固过程的温度曲线如图4所示,这五个点分别为C1、C2和S11、S12和S21,C1和C2位于铸件的中心,S11、S12、S21位于壳模中。由图4可以看出分析的温度曲线数值与文献的实验结果比较是接近的。探针C1和C2在凝固期间的数值和实验结果误差在5%内,在凝固后冷却的误差为12%,对于壳中点S11、S12、S21的数值结果比实验结果高约5%,这可能是因为壳模材质的物理性质或是壳模的传热系数所影响,这两项参数将会在下面章节进行探讨。

图4.充型与凝固过程的温度变化曲线

 

两种不同浇道的充填与凝固

利用两个不同的浇道位置的来观察充填过程的影响性如图5所示,由结果可看出浇道在左侧的流况会产生较多的飞溅,可能导致卷气及氧化膜卷入造成铸件有缺陷。当浇道位于中间时,流动较均匀并且在两个铸件有类似的温度分布。另外在凝固的分析结果(如图5c和图5d)可看出凝固后2D剖面的温度分布是浇道在中间的结果较为平均,从收缩位置也可清楚的看出两种浇道位置都将产生缺陷。

5.不同浇道设计的结果比较

 

壳模厚度的影响

为了研究壳模厚度对熔模铸造的影响,本研究考虑壳模厚度7.2、10、15和20mm。 图6a和6b是过程中的曲线,可以观察到壳模的厚度从7.2mm增加到15mm有降低了冷却速率导致凝固时间较长。

6.不同壳模厚度的过程温度曲线

 

壳模热传系数的影响

壳模的热传系数ha是表示辐射从壳模的外壁向周围空气的散热速率,为了研究这种效应本研究将设定热传系数从20变化到80W / m2K,从图7a和7b可以看出ha的变化对融熔金属和壳模的冷却速率具有明显的影响,当热传系数从20增加到80W / m 2 K时,可以看出C1处的固化时间从812s减少到334s(减少约44%),因此,改变ha的值将对铸造产品的结构产生影响。

图7.不同热传系数的过程温度曲线

 

四、结论

脱蜡铸工艺的填充和凝固模拟使用FLOW-3D来进行参数的研究,研究工艺参数对铸造过程的影响性。从本研究中可以得到以下的结论:

1. FLOW-3D在熔模铸造工艺仿真数据与文献中的实验进行比对,发现预测的温度曲线和实验数据的差距是在可接受的误差范围内。

2. 由壳模厚度可以看出两种情况,第一种是壳模具有临界厚度,超过该厚度热传特性会相反。第二种情况是随着壳厚度增加凝固的时间也会增加,直到临界厚度后然后开始降低。

3. 由结果可看出壳模与环境空气之间的热传系数(ha)对于凝固结果有明显的影响性。当热传系数从20增加4倍至80W / m 2 K时,在浇道中心的凝固时间减少了40%。

 

参考文献

Sabau, A.S., Numerical Simulation of the Investment Casting Process, Transactions of the American Foundry Society, vol. 113, Paper No. 05-160, 2005.

Sabau, A.S., and Viswanathan, S., Thermophysical Properties of Zircon and Fused Silica-based Shells used in the Investment Casting ProcessTransactions of the American Foundry Society, vol. 112, Paper No. 04-081, 2004.