中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊，隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，不銹鋼在各行業(yè)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，其市場(chǎng)需求持續(xù)攀升。304 不銹鋼作為常見的不銹鋼材料，因具備耐 800℃高溫、加工性能良好以及韌性高等特性，在機(jī)械、食品、醫(yī)療等眾多行業(yè)中占據(jù)重要地位，成為當(dāng)前市場(chǎng)上需求量最大的不銹鋼品種之一。在精密鑄造領(lǐng)域，304 不銹鋼憑借其表面光潔度高、尺寸精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，能有效提升產(chǎn)品性能與可靠性，滿足市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)產(chǎn)品的需求，同時(shí)其可循環(huán)再利用的特性符合可持續(xù)發(fā)展理念。

  不銹鋼彎管支架作為軟管與支架不同材料間的連接件，主要用于固定軟管并改變其朝向。然而，在實(shí)際的精密鑄造行業(yè)生產(chǎn)過程中，因其外形不規(guī)則且受生產(chǎn)工藝影響，常出現(xiàn)縮孔、卷氣等缺陷。大量縮孔的存在會(huì)直接導(dǎo)致鑄件報(bào)廢，致使最終成品率不足 20%，且需返工，造成較大生產(chǎn)損失。該零件設(shè)計(jì)要求鑄件表面光滑，不得有縮孔、裂紋等鑄造缺陷，同時(shí)需具備合適的硬度?；诖耍狙芯拷柚?UG 軟件建模并導(dǎo)入 AnyCasting 軟件，對(duì)不銹鋼彎管支架的原始工藝展開數(shù)值模擬分析，依據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)與部分工藝參數(shù)，并利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等表征手段，對(duì)工藝優(yōu)化前后的樣品進(jìn)行檢測(cè)分析及力學(xué)性能對(duì)比，旨在解決縮孔縮松缺陷，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

  一、精密鑄造不銹鋼彎管支架的試驗(yàn)材料與方法

  《2025-2030年中國精密鑄造行業(yè)市場(chǎng)調(diào)查研究及投資前景分析報(bào)告》指出，不銹鋼彎管支架大體呈半圓形，底部為實(shí)心圓柱，圓弧處設(shè)有 U 形凹槽，且還有兩個(gè) U 形凸起。底部圓柱直徑為 12mm，其余部分平均厚度為 2.5mm，材料選用 304 不銹鋼，其密度為 7.93g/cm3。

  利用 UG 軟件對(duì)不銹鋼彎管支架進(jìn)行三維建模，底部塊體為原始工藝方案水口。經(jīng)模擬分析預(yù)測(cè)，該鑄件的縮孔縮松缺陷位置位于 U 形凹槽頂部的熱節(jié)處。

  分析該不銹鋼鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其整體形狀不規(guī)則，頂部與底部厚度差異較大，U 形槽處壁厚較薄，整體屬于薄壁復(fù)雜零件。在鑄造過程中，需確保充型過程平穩(wěn)，各個(gè)部位均能完整充型與補(bǔ)縮。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求與條件，不銹鋼彎管支架鑄件采用直澆道、平注式澆口設(shè)計(jì)。一樹 20 件，出品率約為 45%，組樹方案如圖所示。

  304 不銹鋼固相線溫度為 1411.2℃，液相線溫度為 1461.9℃。型殼共六層，具體參數(shù)如下：

  第一層：硅溶膠 + 鋯英粉 325 目 + 濕潤劑 + 除泡劑漿料，詹式流杯粘度值為 40 - 45s，撒 80 - 120 目鋯英砂，室溫 21℃，濕度 63%，干燥時(shí)間 4 - 6h。

  第二、三層：硅溶膠 + 鋯英粉 325 目 + 莫來石粉 200 目漿料，詹式流杯粘度值為 24 - 30s，撒 30 - 60 目莫來石砂，室溫 20℃，濕度 50%，干燥時(shí)間 8 - 10h。

  第四、五層：硅溶膠 + 莫來石粉 200 目漿料，詹式流杯粘度值為 13s，撒 16 - 30 目莫來石砂，室溫 20℃，濕度 50%，干燥時(shí)間 8 - 10h。

  封層：硅溶膠 + 莫來石粉 200 目漿料，詹式流杯粘度值為 13s，室溫 20℃，濕度 50%，干燥時(shí)間 8 - 10h。

  型殼厚度約 8mm，焙燒溫度為 1050℃，焙燒時(shí)間為 35min。鑄件在重力作用下沿負(fù) Z 方向采用頂注式和自然冷卻方式，澆注溫度為 1600℃。

  二、精密鑄造不銹鋼彎管支架的試驗(yàn)結(jié)果與分析

  (一)精密鑄造數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

  在進(jìn)行精密鑄造數(shù)值模擬時(shí)，為獲取更高精度結(jié)果，需準(zhǔn)確設(shè)置相關(guān)參數(shù)。本試驗(yàn)在 AnyCasting 軟件中設(shè)置參數(shù)如下：鑄件材料為 304 不銹鋼，澆注溫度為 1600℃，型殼厚度 8mm，劃分總網(wǎng)格數(shù)為 997375，型殼焙燒溫度為 1050℃，充型高度為 10cm，重力設(shè)置為 9.8m/s2，頂注式空冷，鑄件與型殼、鑄件與空氣之間的熱交換系數(shù)均為 1000W/(m2?K)，型殼與空氣之間的熱交換系數(shù)設(shè)為 50W/(m2?K)。

  (二)精密鑄造數(shù)值模擬結(jié)果與分析

  不銹鋼彎管支架的原始工藝方案充型狀態(tài)顯示，金屬液在型腔中平穩(wěn)上升，在第一層鑄件有微弱沖擊型腔現(xiàn)象。1s 時(shí)金屬液充滿底層澆道，并開始充填最下層鑄件，3s 時(shí)充型到一半左右，6s 時(shí)鑄件充型完成，8s 時(shí)全部充型完成。

  凝固順序?qū)﹁T件質(zhì)量起著決定性作用。原始工藝方案的不銹鋼彎管支架凝固順序基本遵循由外向內(nèi)、由下向上的順序，符合最優(yōu)凝固順序，有利于獲得高質(zhì)量鑄件。80s 時(shí)開始由外向內(nèi)凝固，從遠(yuǎn)離澆口處向澆口位置凝固，679s 時(shí)鑄件已基本完全凝固。

  但經(jīng)數(shù)值預(yù)測(cè)模擬發(fā)現(xiàn)，縮孔主要出現(xiàn)在 U 形凹槽的頂部?jī)啥?，呈?duì)稱分布，且缺陷主要集中在鑄件表面，此部位出現(xiàn)縮孔的概率接近 50%，導(dǎo)致鑄件質(zhì)量不合格，廢品率較高，這與實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題相符，證明數(shù)值模擬效果良好。實(shí)際生產(chǎn)中鑄件缺陷如圖所示，縮孔缺陷產(chǎn)生的原因主要是工藝參數(shù)、澆道設(shè)計(jì)、組樹方案等不合理，致使該位置不能及時(shí)補(bǔ)縮，從而產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。為降低縮孔出現(xiàn)概率，解決缺陷問題，提升產(chǎn)品質(zhì)量，需對(duì)澆注系統(tǒng)及工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

  (三)精密鑄造澆注系統(tǒng)的分析與改進(jìn)

  根據(jù)不銹鋼彎管支架的原始工藝數(shù)值模擬結(jié)果，鑄件的縮孔、縮松缺陷主要集中在最大熱節(jié)處，即 U 形凹槽的頂端。經(jīng)分析，產(chǎn)生這些缺陷的原因是鑄件在凝固收縮階段，內(nèi)澆道部分先凝固，堵塞了補(bǔ)縮通道，使得鑄件在冷卻收縮時(shí)因體積收縮未得到及時(shí)補(bǔ)縮。

  基于上述原因，在原始工藝方案基礎(chǔ)上對(duì)澆道進(jìn)行改進(jìn)，著重優(yōu)化鑄件尤其是頂部 U 形凹槽的補(bǔ)縮設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)了以下兩種工藝方案：方案 a 是在原始工藝方案上修改，使用三分流道模架，將平注改為側(cè)注，澆口數(shù)不變，同時(shí)使易出現(xiàn)縮孔缺陷的 U 形槽朝下放置，利于其補(bǔ)縮;方案 b 是不改變鑄件與澆口，換用頂注式模架，將鑄件同樣 U 形槽朝下放置進(jìn)行組樹。

  在 UG 中建模并導(dǎo)入 AnyCasting 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，方案 a 劃分總網(wǎng)格數(shù)為 983136，方案 b 劃分總網(wǎng)格數(shù)為 1008504。為對(duì)比分析兩種工藝方案，保持工藝參數(shù)與邊界條件與原始工藝方案相同，型殼厚度仍設(shè)為 8mm。優(yōu)化工藝后的不銹鋼彎管支架數(shù)值模擬結(jié)果顯示，方案 a 的鑄件縮孔產(chǎn)生概率在 0 - 10%，可認(rèn)定已消除縮孔、縮松缺陷;而方案 b 仍在 U 形槽處出現(xiàn)縮孔缺陷，未解決問題。于是對(duì)方案 b 增加型殼局部淬水步驟，工藝如下：將焙燒完成的型殼從焙燒爐中取出后，立即淬水，淬水時(shí)間 3s，淬水深度 10mm，淬水完成后應(yīng)立即澆注，注意澆滿并及時(shí)在澆口處撒一層除渣劑。淬水時(shí)應(yīng)在水箱內(nèi)放入支撐物，淬水部分與支撐物之間不能形成封閉空間，連續(xù)淬水時(shí)保持水的溫度與高度，可準(zhǔn)備多個(gè)水箱并及時(shí)補(bǔ)充水。淬水目的是局部激冷，降低熱節(jié)處型殼溫度，使?jié)沧⑼瓿珊鬅峁?jié)處優(yōu)先凝固，促進(jìn)補(bǔ)縮，消除缺陷。經(jīng)淬水工藝后的方案 b 鑄件表面縮孔縮松缺陷基本消失。對(duì)比方案 a 與方案 b，兩種方案都能基本消除缺陷，但方案 b 需增加淬水步驟，延長工時(shí)，降低生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)成本，且兩種方案組樹難度一致，綜合考慮采用方案 a 更為合理。

  (四)精密鑄造工藝參數(shù)的優(yōu)化

  影響精密鑄造鑄件質(zhì)量的工藝參數(shù)眾多，從方便生產(chǎn)、降本增效角度出發(fā)，本文以方案 a 為基準(zhǔn)，分析型殼焙燒溫度、澆注溫度和澆注速度三個(gè)參數(shù)對(duì)鑄件質(zhì)量的影響。

  根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，型殼焙燒溫度應(yīng)在 1050 - 1200℃，澆注溫度應(yīng)在 1560 - 1660℃。焙燒溫度與澆注溫度的選擇取決于鑄件壁厚，厚度越大，型殼的焙燒溫度應(yīng)越高，而澆注溫度越低。

  鋼液的澆注速度由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定，厚大件澆注時(shí)應(yīng)均勻、平緩，澆口杯慢慢澆滿;薄壁件與復(fù)雜件要快速澆注;常規(guī)件速度適中、均勻即可。設(shè)置型殼焙燒溫度為 1120℃，澆注溫度為 1610℃，采用快速澆注，試制的方案 a 鑄件表面無縮孔縮松缺陷，加工后內(nèi)部也無明顯縮孔縮松，符合鑄件質(zhì)量要求，確定此為最佳工藝參數(shù)。

  (五)精密鑄造生產(chǎn)驗(yàn)證及組織對(duì)比分析

  對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，嚴(yán)格控制相關(guān)工藝參數(shù)，得到的鑄件實(shí)物外觀良好，無縮孔縮松缺陷。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化工藝后的不銹鋼彎管支架成品率達(dá)到 80% 以上。

  借助電火花線切割機(jī)切割工藝優(yōu)化前鑄件為試樣 A，工藝優(yōu)化后鑄件為試樣 B。對(duì)切割后的試樣依次用 500 目、800 目以及 1200 目粒度砂紙對(duì) A、B 試樣進(jìn)行打磨，并使用拋光機(jī)拋光，將拋光后的試樣置于無水酒精中進(jìn)行超聲波清洗，得到金相試樣;后續(xù)利用王水酒精溶液腐蝕，腐蝕時(shí)間為 3 - 5min，得到腐蝕試樣。對(duì)樣品 A、B 進(jìn)行金相顯微分析、硬度測(cè)試、掃描電子顯微鏡與能譜儀分析。選擇試樣光滑表面，利用布氏硬度計(jì)對(duì) A、B 試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，各取六個(gè)點(diǎn)測(cè)量，結(jié)果取平均值，測(cè)試結(jié)果如下表所示：

  由表可知 A 試樣硬度分布不均勻且硬度低，原因是 A 試樣存在不連續(xù)分布的縮孔，縮孔處硬度低，其余部分硬度高，所以硬度分布不均勻。消除縮孔縮松缺陷后，B 試樣組織更加致密均勻，平均硬度有所提升，工藝優(yōu)化不僅提升了鑄件硬度，還使其硬度均勻性得到改善。

  試樣 A、B 的金相圖片顯示，A 試樣縮孔在金相顯微鏡下，縮孔周圍的奧氏體呈胞狀，而在其他區(qū)域的奧氏體則為板條狀，且有明顯分界線。這是因?yàn)樵诶鋮s凝固過程中，縮孔處冷卻速率慢，屬于 AF(逆向熱流凝固)模式。凝固時(shí) γ 奧氏體首先析出，隨后 δ 鐵素體從液相析出，殘留的 δ 鐵素體主要集中在奧氏體晶界處，最后凝固的組織為奧氏體和鐵素體的混合組織，形成胞狀?yuàn)W氏體;別處冷卻速率快，凝固模式為 FA→AF，由 δ 鐵素體率先析出，長大過程中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)?γ 奧氏體，之后同時(shí)會(huì)析出一部分 γ 奧氏體，液相完全消失之后鐵素體再發(fā)生固態(tài)相變轉(zhuǎn)變?yōu)?γ 奧氏體，最終室溫組織為奧氏體和鐵素體的混合，形成板條狀?yuàn)W氏體。由于縮孔存在，導(dǎo)致金屬液冷卻速率不同，未按順序凝固，使得補(bǔ)縮通道堵塞，凝固時(shí)內(nèi)部組織不均勻，最終導(dǎo)致鑄件強(qiáng)度降低，硬度不均勻。而 B 試樣的鑄件金相圖中，視場(chǎng)中無縮孔等缺陷，且骨骼狀?yuàn)W氏體均勻分布，這是因?yàn)闆]有縮孔影響，鑄件整體冷卻速度一致，屬于 FA(順熱流凝固)冷卻模式。

  借助掃描電子顯微鏡(型號(hào)：JSM - 7900F)對(duì) A、B 試樣基體組織進(jìn)行觀察，A 試樣基體上存在許多微小縮孔，縮孔周圍的板條狀?yuàn)W氏體分布雜亂且不均勻，并且存在尺寸較大的夾雜物。對(duì)試樣 A 進(jìn)行 EDS 能譜分析，發(fā)現(xiàn)相較于基體，夾雜物中的 Si 元素含量明顯升高，結(jié)合夾雜物形貌推測(cè)其為硅酸鹽類夾雜物，由熔煉過程中鋼液的脫氧、脫硫等操作產(chǎn)生，屬于內(nèi)源性夾雜物?？s孔與夾雜物的存在破壞了基體組織的連續(xù)性與穩(wěn)定性，易形成應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致應(yīng)力過大，引起鑄件裂紋源的萌生，使鑄件失效，嚴(yán)重影響鑄件壽命。B 試樣的掃描電鏡照片顯示，基體上無明顯縮孔缺陷與夾雜物，骨骼狀?yuàn)W氏體排列整齊、均勻分布。綜上，工藝優(yōu)化不僅解決了宏觀的縮孔缺陷，還消除了微觀上的縮孔，使鑄件組織均勻，提高了鑄件的綜合性能。

  總結(jié)

  通過對(duì)304不銹鋼彎管支架精密鑄造工藝的深入研究，采用 AnyCasting 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，改進(jìn)組樹方式與澆注系統(tǒng)，有效降低了鑄件出現(xiàn)縮孔的概率。經(jīng)分析獲得最優(yōu)工藝方案，并通過數(shù)值模擬與實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，鑄件內(nèi)部無縮孔縮松缺陷，質(zhì)量得到顯著改善，為不銹鋼彎管支架的實(shí)際生產(chǎn)提供了重要參考。工藝優(yōu)化前縮孔、縮松缺陷產(chǎn)生的原因是金屬液未按正確順序凝固，末端熱節(jié)處冷卻速率低，無法順利補(bǔ)縮。而優(yōu)化后的工藝不僅解決了宏觀縮孔缺陷，還消除了微觀縮孔，使鑄件組織均勻，平均硬度及硬度均勻性均得以提升，為精密鑄造304不銹鋼彎管支架的生產(chǎn)提供了切實(shí)可行的優(yōu)化路徑，推動(dòng)了精密鑄造行業(yè)在該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與應(yīng)用發(fā)展 。

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