大型塑料模具用钢锭凝固和内部缺陷的数值模拟研究.pdf

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1、第32卷第2期上海金属Vo1．32，No．22010年3月SHANGHAIMETALSMarch，201053大型塑料模具用钢锭凝固和内部缺陷的数值模拟研究党卫东吴晓春闵永安汪宏斌(上海大学材料科学与工程学院，上海200072)【摘要】用数值模拟方法研究了45t制造塑料模具用大型钢锭的凝固过程，预测内部偏析和缩孔、疏松的分布情况，与实际钢锭和锻件内部质量比较，证明了模拟结果的合理性，因而表明，可以采用数值模拟的方法优化大型铸造钢锭结构，改进钢锭内部质量，节约生产成本。【关键词】塑料模具钢大型钢锭凝固缺陷数值模拟N【腿RICALS1]、仉J】[AⅡoN

2、oFSoL哪ICAT【oNANDDRDEFECT0lFIARGEFoRG-耵GGOTF0lRPLASTICⅣ【()LDDangWeidongWuXiaochunMinYong’aI1WangHongbin(MaterialsScienceandEngineeringSchoolofShanghaiUniversity)【Abstract】Thesolidificationprocessof45tsteelingotforplasticmoldwasstudiedwithnu—mericalsimulation，bywhichtheflaw，shrin

3、kagecavityandporositydistributionduringcastingwerepredicted．Theinnerqualityofingotandforgingproductwereinagreementwiththesimulationre—suhs．Theresultsindicatedthatnumericalsimulationmethodcouldoptimizethestructureoflargein—got，improvetheinnerquality，andsavethecost．【KeyWords】Plas

4、ticMoldSteel，LargeIngot，SolidificationFlaw，NumericalSimulation大型钢锭由于直径大，凝固时间长，内部所含1模拟钢锭的概况成分和杂质不均匀的析出，偏析和内部缺陷的形成钢锭设计总重45t，采用十六角锭，上注法真不可避免¨。制造大型塑料模具用钢锭，由于锻造空浇铸，钢锭结构和钢锭模尺寸见图1。钢锭材比小，使得钢锭内部的孔隙性缺陷在锻造后很难消料为3Cr2NiMnMo，钢液实测成分见表1。钢水浇除，因此钢锭的质量在整个大模块制造过程中显得铸温度1555～1560℃，浇铸平均速度4t／min，尤为重要。

5、由于没有适当的方法可以对钢锭进行浇铸结束后冒口覆盖发热剂和保温材料。无损检测，而用解剖的方法研究钢锭质量成本高、周期长，不适合大量实验研究。自从上世纪60年代用计算机模拟技术研究钢锭凝固过程兴起以僻蔷J乇寸宣蔓DI_．H翻啊喧锺瑚酗臼n枉来，各种模拟软件已经能成功地模拟钢锭凝固过n●t悄l硅【-‘nl+畦))∞—●■■口●■lI径程温度场、应力场、组织场、偏析、疏松等，本文利用r●量■口疆l【往}■■哺—■套鼍(1．61)日本日立公司开发的铸造模拟软件ADSTEFAN模1p--t(m■口

6、盅·—髓f口囊蒜与■■嚏拄拟研究大型钢锭凝固过程温度场分布，进

7、而通过温拙(■口径■H砷‘韩)度场解析钢锭内部偏析和偏析区疏松的分布，为钢锭的结构设计和改进提供方向。图1钢锭和钢锭模结构图基金项目：国家支撑计划课题高品质模具钢锻材关键技术开发(2007BAE51B04)作者简介：党卫东，男，主要研究方向为塑料模具钢新材料的开发，Emall：davids@shu．edu．cn，电话：13818462046通讯作者：吴晓春，男，教授，上海延长路149号15信箱，Email：xcwu@staff．shu．edu．cn54上海金属第32卷2数值模拟2．1模型的建立通过Pro／E三维实体建模软件绘制完整的钢锭模型，导出为s

8、tl文件，导人铸造模拟软件AD—STEFAN划分网格，网格为边长20mm的立方体，一总数266．4万个，网格划分结果见图2。2．2材料物性参数模拟时铸锭材料选用ADSTEFAN软件材料数据库提供的cr-Ni．Mo钢，锭模材料选用普通灰铸铁，■与实际生产材料相同。各材料的物理l生能见表2。图2模拟建模和网格划分表2实验材料物理性数3模拟结果分析钢锭底部，由于开始熔池形状宽大，沉降和堆积7对钢锭内部凝固过程、凝固温度场、偏析的产纯度较高的结晶片，形成沉淀晶，从而产生碳的负生和偏析内部可能形成疏松的情况进行了模拟及偏析-4』，比重较大的浮游夹杂物也会在底部

9、堆积，分析。这对底部质量不利。3．1钢锭凝固过程在凝固后期，熔池的形状会变成前端尖锐的模拟分析钢锭凝固开始和