【導(dǎo)讀】鑄造低碳馬氏體不銹鋼是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的鋼種。好的淬透性、優(yōu)良的室溫和低溫力學(xué)性能、腐蝕疲勞強(qiáng)度和動(dòng)靜態(tài)斷裂韌性,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水電、火電、核電等電力工業(yè)領(lǐng)域。上冠鑄件，要求具有高強(qiáng)度，良好的抗磨耐蝕性，不允許有砂眼、縮松。這樣可以大大提高鑄件出品率，提高了鑄件的質(zhì)量。

　　

【正文】 力學(xué)和加工工藝性能．以及抗腐蝕件能、氣密性能、陽(yáng)極氧化性能及外觀質(zhì)量，故必須在澆注前，對(duì)其作精煉、凈化處理，目的是排除這些氣體和夾雜物，提高鑄鋼液的純凈度 [8]。 采用以下精煉法：鋼包氬氣凈化、鋼包喂線凈化、感應(yīng)電爐氬氣凈化（爐底吹氬和爐口氬氣保護(hù)）、氬氧脫碳 AOD精煉、鋼包 LF兩項(xiàng)和三項(xiàng)功能、真空氧脫碳VOD精煉、清潔廢鋼和爐料前處理等。 鑄鋼 的熱處理 該鑄鋼件熱處理的目的是細(xì)化晶粒 ，消除魏氏體（或網(wǎng)狀組織）和消除鑄造應(yīng)力。熱處理的方法有退火、正火或正火加回火。 隨著淬火溫度的提高，馬氏體的強(qiáng)度有所提高，延伸值稍有下降，而回火溫度提高則使其強(qiáng)度下降，延伸提高；回火時(shí)間的增加使強(qiáng)度下降較多，延伸顯著提高。馬氏體不銹鋼中的主要合金元素是鉻，鐵的熔點(diǎn)因加入鉻而降低，其最低熔點(diǎn)為 1516℃ ， A4 點(diǎn)因鉻量的增加而降低； A3 鉻量的增加而降低，繼續(xù)增加鉻含量至 7%時(shí)又迅速升高，由于鉻含量對(duì) A4 和 A3 點(diǎn)的影響形成了封閉的 γ_相， γ_相最大含鉻為 %。鉻在鋼中與碳形成碳化物，常見(jiàn)的碳化物 (CrFe)23C6。隨著鋼中含碳量的增加，它的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、切削加工性能顯著提高，而耐蝕性下降。這類(lèi)鋼的最終熱處理一般是淬火加回火，使鋼具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)又有一定的韌性。在馬氏體鋼中隨著淬火溫度的提高，碳化鉻 (CrFe)23C6 溶解度不斷增加，馬氏體進(jìn)一步強(qiáng)化，因而淬火后的硬度也不斷增加。馬氏體淬火后進(jìn)行回火，隨著回火溫度升高，組織逐漸變化，馬氏體逐漸分解，逐漸析出碳化物，在高溫回火后馬氏體分解成較細(xì)的回火索氏體。綜之，為了提高馬氏體不銹鋼的力學(xué)性能，應(yīng)采用高溫回火并保持較長(zhǎng)的回火保溫時(shí)間，使馬 氏體碳化物充分析出，才能在保證馬氏體不銹鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性的同時(shí)，具有較好的延伸性。 出爐溫度和澆注溫度的確定 對(duì)于金屬液的溫度而言，溫度的提高有利于提高流到性、獲得健全的鑄件，降低廢品率。但是過(guò)高的溫度又會(huì)浪費(fèi)能源，并且對(duì)熔煉設(shè)備也有一定的損害，第四章 鑄鋼的熔煉 － 25－ 同時(shí)會(huì)使增加金屬液的氧化以及添加劑的燒損，因此融化鋼錠一般加熱至1610℃ ～ 1630℃ ，合金的澆注溫度一般為 1560℃ ～ 1600℃ 。 在不影響充型、保證上冠充型完整的前提下，澆注溫度要盡量低。上冠鑄件的澆注溫度可控制在 1560℃ ～ 1600℃ ，本鑄件取 1580℃ 。 第五章 鑄件工藝數(shù)值模擬結(jié)果及分析 － 26－ 第五章 鑄件工藝數(shù)值模擬結(jié)果及分析 充型過(guò)程 鑄造過(guò)程的充型過(guò)程，是高溫液態(tài)金屬在高壓下高速充填結(jié)構(gòu)復(fù)雜、斷面狹窄的金屬型腔的過(guò)程。由于型腔的填充模式是影響壓鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，因而充型過(guò)程的流場(chǎng)控制是鑄造過(guò)程的中心環(huán)節(jié)。通過(guò)充型過(guò)程速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的數(shù)值模擬，能夠較準(zhǔn)確地表達(dá)充型過(guò)程的流動(dòng)和傳熱規(guī)律，并可預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的卷氣、冷隔等缺陷，進(jìn)而優(yōu)化鑄造工藝，實(shí)現(xiàn)理想的型腔充填狀態(tài)，對(duì)實(shí)際壓鑄生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo) 意義 [9]。 鑄件澆注充型過(guò)程中，伴隨著熱量的散失、溫度的降低。顯示溫度場(chǎng)時(shí)，采用色溫映射的方式，即利用 OpenGL 技術(shù)對(duì)充型過(guò)程中的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)顯示。如圖 51 所示為充型順序及溫度場(chǎng)分布。 通過(guò)這次充型模擬，主要分析以下幾方面的內(nèi)容： （ 1）液態(tài)金屬在鑄型中充填 10%,20%,45%,70%,85%,100%時(shí)的情況； （ 2）液態(tài)金屬在型腔中的流動(dòng)狀況； （ 3）液態(tài)金屬在型腔中按時(shí)間順序充填的溫度分布。 鑄件充型過(guò)程與液態(tài)金屬的流動(dòng)、傳熱及傳質(zhì)過(guò)程密切相關(guān)，是一個(gè)伴隨著熱量散失以及凝固的 非恒溫流動(dòng)過(guò)程，可用質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程描述，而充型過(guò)程中金屬液與鑄型之間的熱交換可用熱量平衡方程來(lái)描述，在這個(gè)過(guò)程中最基本又最重要的物理現(xiàn)象是傳熱和流動(dòng) [9]。 第五章 鑄件工藝數(shù)值模擬結(jié)果及分析 － 27－ (a) (b) (c) (d) (e) (f) 圖 51 充型順序及溫度場(chǎng)分布 (a)充型 10 %； (b)充型 25%； (c)充型 45%； (d)充型 70%； (e)充型 85%； (f)充型 100% 該鑄件形成過(guò)程的流動(dòng)現(xiàn)象可歸納為以下幾種 [6]： （ 1）澆注時(shí)液態(tài)金屬在充填鑄型過(guò)程中的流動(dòng)； （ 2）型腔內(nèi)液態(tài)金屬由于溫度差引起密度差而產(chǎn)生的自然對(duì)流； （ 3）由于凝固收縮、液態(tài)收縮及重力等引起液體在枝晶間及其分枝的流動(dòng)。 第五章 鑄件工藝數(shù)值模擬結(jié)果及分析 － 28－ 通過(guò)本次模擬結(jié)果，分析液態(tài)金屬在澆注充型過(guò)程中存在以下一些特點(diǎn)： 由于上冠結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn) 體，壁厚不均勻，從整個(gè)充型過(guò)程看，其充填形態(tài)表現(xiàn)出順序、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。具體表現(xiàn)為，從整體上來(lái)說(shuō)，金屬液表現(xiàn)為順序充填，較為平穩(wěn)。由于充型速度較高，金屬液進(jìn)入澆道直接沖向砂芯，由于砂芯阻力及慣性作用，金屬液被沖到一定高度。然后在重力、砂芯阻力的作用下回落。 從充型過(guò)程溫度分布來(lái)看，鑄件在整個(gè)充型過(guò)程中的溫度分布基本上是縱向下部溫度低，上部溫度高，橫向則是中心溫度高，邊緣溫度低。初始澆注溫度為1580℃ ，充型剛結(jié)束時(shí)的最低溫度約為 1476℃ 。 凝固過(guò)程 鑄件的凝固過(guò)程也就是金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的結(jié)晶過(guò)程 ,液態(tài)金屬結(jié)晶過(guò)程乃是由形核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程所組成，并且這兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)并進(jìn)的。金屬凝固后的鑄件組織是由表層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)組成。影響鑄件組織形成的主要因素有澆注溫度、鑄模冷卻能力、散熱條件、液體流動(dòng)性以及合金的凝固溫度范圍等。金屬凝固過(guò)程所產(chǎn)生的鑄造缺陷主要包括宏微觀偏析、縮孔、縮松、氣孔、夾雜物及熱裂等 [10]。 圖 52 為鑄件的凝固順序以及溫度分布，其中圖 (a)(f)依次為凝固 5%， 15%，30%， 50%， 85%， 100%時(shí)的狀態(tài)圖。 對(duì)凝固模擬結(jié)果分析后認(rèn)為，鑄件凝固過(guò)程中存在以下一 些特點(diǎn)： 整體上看，鑄件達(dá)到完全凝固時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，凝固速度比充型要慢的多。因?yàn)樵诿翱谖恢迷O(shè)置為厚度為 40mm 的保溫套，所以最后在冒口必定是最后一部分凝固的，并且凝固時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。 從鑄件整體上來(lái)看，鑄件在整個(gè)凝固過(guò)程中的溫度分布基本上是縱向下部溫度低、上部溫度高，橫向則是中心溫度高，邊緣溫度低。鑄件的凝固順序表現(xiàn)為縱向下部先凝固、上部后凝固，橫向邊緣先凝固中心后凝固，即鑄件薄壁處先凝固，壁厚較大處后凝固，薄壁處凝固速度快，厚壁處凝固速度慢，鑄件厚度最大處最后凝固，如圖 52 所示。 第五章 鑄件工藝數(shù)值模擬結(jié)果及分析 － 29－ (a) (b) (c) (d) (e) (f) 圖 52 凝固順序及溫度場(chǎng)分布 (a)凝固 5% ； (b)凝固 15%； (c)凝固 30%； (d)凝固 50%； (e)凝固 85%； (f)凝固 100% 由圖可以看出，開(kāi)始凝固時(shí)凝固速度較快，隨后凝固速度減小，到最后凝固速度越來(lái)越小，最后完全凝固并且無(wú) 缺陷出現(xiàn)，證明此工藝合理。 結(jié)論 － 30－ 結(jié) 論 本次設(shè)計(jì)最明顯的特點(diǎn)是利用環(huán)形暗冒口代替分散冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，即只在中間放置一個(gè)環(huán)形冒口，而在外圓處不設(shè)置冒口，靠一個(gè)環(huán)形冒口來(lái)補(bǔ)縮整個(gè)鑄件，這樣集中補(bǔ)縮，在最大外圓處放置外冷鐵來(lái)降低該處的模數(shù)，既可使操作方便，有提高了冒口的利用率，從而節(jié)約了鋼液。它的優(yōu)點(diǎn)是有利于排除型腔內(nèi)的氣體及使砂（渣）等雜物順利的上浮到冒口內(nèi)而且補(bǔ)縮均勻。它克服了分散冒口間的偏析問(wèn)題，可以更好的保證鑄件的質(zhì)量。并采用了圓形砂箱及模底板，使鑄件與砂箱配合更加緊密，減少了型砂的浪費(fèi)，提高了鑄件表 面精度。澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也能使金屬液平穩(wěn)流入，更好的充型，這樣顯著提高了鑄件的工藝出品率及鑄件質(zhì)量，明顯地防止和消除鑄件縮孔、縮松、氣孔、夾渣、裂紋及滲漏等缺陷。該工藝同時(shí)在節(jié)約原材料和能源等方面具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。另外，本課題造型方法是采用呋喃樹(shù)脂砂造型，不僅能夠提高鑄件的表面質(zhì)量，還可大大改善勞動(dòng)條件和工作環(huán)境，提高生產(chǎn)效率。 本次設(shè)計(jì)主要進(jìn)行的工作就是上冠的工藝與工裝設(shè)計(jì)及應(yīng)用 AnyCasting 軟件模擬分 析。對(duì)于鑄件的造型方法來(lái)說(shuō)，應(yīng)用的是樹(shù)脂砂造型方法。 在設(shè)計(jì)工藝與工裝之前，最重要的一個(gè)前提步 驟是審核鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性，因?yàn)檫@是設(shè)計(jì)工藝與工裝的基礎(chǔ)，所有的工作都是圍繞著鑄件的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求展開(kāi)的。審核完鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性之后，就可以根據(jù)設(shè)計(jì)工藝和工裝方面的知識(shí)逐步展開(kāi)設(shè)計(jì)了。其中主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：鑄件澆注位置的確定、分型面的選擇、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)、冒口和冷鐵的設(shè)計(jì)、出氣孔的設(shè)計(jì)、模樣材質(zhì)的選擇、砂箱的設(shè)計(jì)、模板的設(shè)計(jì)。以上每個(gè)方面對(duì)鑄造出高質(zhì)量鑄件都起到關(guān)鍵的作用，因此設(shè)計(jì)的時(shí)候要非常的仔細(xì)認(rèn)真。 在 本次設(shè)計(jì) 中，我 將 UG 的實(shí)體造型應(yīng)用在了鑄造的工藝及工裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，這樣大大提高設(shè)計(jì)效 率，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，而且能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)、分析與模具加工的統(tǒng)一，另外還將 AnyCasting 模擬軟件應(yīng)用到工藝分析上，提前對(duì)工藝的設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行分析，減少實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢品率，保證鑄件質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。 參考文獻(xiàn) － 31－ 參考文獻(xiàn) [1] 高尚書(shū) . 計(jì)算機(jī)技術(shù)及在鑄造行業(yè)中的應(yīng)用 .鑄造， 1995,(6):31～ 38 [2] 姜彬 . UG 壓鑄模具設(shè)計(jì)入門(mén)與提高 北京：電子工業(yè)出版社， ： 2～ 5 [3] 侯擊波 ， 程軍 . 鑄件充型過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù) 華北工學(xué)院學(xué)報(bào) . 1997: 1～ 3 [4] 李弘英 ， 趙成志 鑄造工藝設(shè)計(jì) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [5] 葉榮茂 ， 吳維岡 ， 高景艷 . 鑄造工藝課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，： 74～ 134 [6] 陳琦 ， 彭兆弟 . 鑄造合金配料速查手冊(cè) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ， ： 848～ 849 [7] 陸文華 ， 李隆盛 ， 黃良余 . 鑄造合金及其熔煉 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， ： 299～339 [8] R. Stoehr. Simulation in the Design of Sand Casting Proceedings of Modelling Casting and Welding Proceses. Rindge, Nwe Hampshire, USA,1980: 3～ 18 [9] 于梅 . 金屬液在充型和凝固過(guò)程中夾雜物運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬： [碩士學(xué)位論文 ]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) . 20xx [10] 柳白成，荊濤等 . 鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制 [M]. 北京 :機(jī)械工業(yè)出 社 , ～170 致謝 － 32－ 致 謝 在畢業(yè)論文即將完成之際，我謹(jǐn)向曾經(jīng)給我?guī)椭椭С值娜藗儽硎局孕牡母兄x ! 首先要感謝我的指導(dǎo)老師盛文斌副教授，他在學(xué)習(xí)和做人方面給予我悉心的指導(dǎo)，使我增長(zhǎng)了知識(shí)，拓寬了眼界， 還學(xué)會(huì)了科學(xué)的思維方法，鍛煉了分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。在此，我向他表示最真摯的感謝。 感謝 陳宗民等老師 ，在 CAD 制圖方面 給予 我 的幫助！我的每一次成功和進(jìn)步都和他們的幫助分不開(kāi)。 感謝同組的 王朋、郝占喜、唐新穎、葉小龍、張桂華 等同學(xué)在生活和學(xué)習(xí)中給我的關(guān)心和幫助，在此表示深深的謝意。 附圖 － 33－ 附 圖 目錄 附圖 1：上冠鑄件零件圖 附圖 2：上冠鑄件工藝圖 附圖 3：上砂箱 附圖 4：下砂箱 附圖 5：模板裝配圖