中高压泵/阀体铸件成分与铸造工艺优化模拟研究

摘要

装载机和挖掘机用泵/阀体铸件是高温承载承压件，要求铸件具有足够的强度、耐磨性好、组织致密、尺寸稳定，同时还要具有良好的导热散热性能，以防止泵/阀产生涨体及渗漏故障。目前，该类泵/阀体一般使用球墨铸铁材料，该类球墨铸铁泵/阀体铸件虽然强度性能高，但组织致密度低，长期在高压高温下工作容易发生渗漏故障，且导热散热性能及热疲劳性能欠佳，使用寿命短。本文主要利用铸造模拟软件MAGMAsoft，研究合金元素、熔体处理工艺、铸造工艺等对灰口铸铁泵体铸件和蠕墨铸铁阀体铸件组织、性能、组织致密度及残余应力等的影响，为获得强度性能满足要求、耐磨性好、组织致密的合金灰口铸铁泵体铸件和蠕墨铸铁阀体铸件提供试验基础，然后将模拟结果通过生产试验进行验证分析。 针对装载机用泵体铸件，设定铸造工艺为砂型重力铸造，树脂砂型、树脂砂芯、一型两件、底注、浇注温度1400℃，随流孕育，模拟研究了基本元素C、Si、S、P及合金元素Mo、Cu、Cr、Ni对铸件组织、性能及残余应力的影响。通过综合分析各元素含量对铸件组织中的一次渗碳体含量、石墨片平均尺寸、共晶团尺寸、共晶相分数、过冷石墨含量、铸件平均抗拉强度、硬度和残余应力的影响，确定了泵体铸件适宜的化学成分含量范围:C3.4％～3.8％、Si1.7％～2.0％、Mo0.5％～1.5％、Cu1.5％～2.0％、Ni0.5％～1.0％、Cr0.2％～0.6％、S＜0.08％、P＜0.14％。选取泵体铸件化学成分C3.5％、Si2.0％、Mn0.9％、S0.06％、P0.1％、Cu2.0％、Cr0.6％、Mo1.5％、Ni1.0％，采用设定的铸造工艺，获得的铸件组织中无一次渗碳体，共晶团尺寸636μm，石墨片平均长度278μm，共晶相分数79％，平均抗拉强度472Mpa，平均硬度305HB，最大残余应力30MPa，但铸件在顶部和中间截面位置存在缩孔。改变浇注温度、铸型种类及孕育方式，模拟研究了铸件组织、性能、残余应力的变化、铸件的致密度及缩松缩孔缺陷的变化，模拟结果显示，泵体铸件的最优铸造工艺为:重力浇注，壳型、壳芯、一型两件、底注、顶部添加冒口、浇注温度1350℃～1450℃，随流孕育。采用最优工艺进行生产试验验证，获得的泵体铸件组织致密，无缩松缩孔、白口及裂纹缺陷，基体中珠光体含量90％，石墨等级5，随炉试棒抗拉强度435MPa，硬度HB308。 针对装载机用阀体铸件，设定铸造工艺为砂型重力铸造，树脂砂型、树脂砂芯、一型两件、顶注、浇注温度1400℃，随流孕育，模拟研究了基本元素C、Si、Mn及合金元素Mo、Cu、Cr、Ni、Sb对铸件组织、性能及残余应力的影响。通过综合分析各元素含量对铸件组织中的初生石墨含量、石墨球化率、铸件的平均抗拉强度、硬度和残余应力的影响，确定了阀体铸件适宜的化学成分含量范围:C3.7～4.0％，Si2.0～2.05％，Mn0.5～0.9％，Cu0.3～0.9％，Cr、Mo、Ni的最优水平组合为Mo0.9％、Cr0.6％、Ni1.0％，选取合金蠕墨铸铁合金成分:C3.8％、Si2.2％、Mn0.7％、S0.02％、P0.01％、Cu0.6％、Cr0.6％、Sn0.05％、Mo0.9％、Ni1.0％、Mg0.01％。采用设定的铸造工艺，获得的铸件组织中无一次渗碳体，共晶相分数99％，石墨球化率14％，平均抗拉强度543MPa，硬度311HB，残余应力101MPa，但铸件中间截面位置存在缩孔。改变浇注温度、铸型种类，模拟研究铸件组织、性能、残余应力的变化、铸件的致密度及缩松缩孔缺陷，模拟结果显示，阀体铸件的最优铸造工艺为:重力浇注，壳型、壳芯、一型两件、顶注、浇注温度1350℃～1450℃，随流孕育。采用最优工艺进行生产试验验证，获得的阀体铸件组织致密，无缩松缩孔、白口及裂纹缺陷，蠕化率85％以上，珠光体含量70％以上。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 铸造CAE模拟的国外发展现状

1．3 铸造CAE技术国内发展现状

1．4 铸造过程数值模拟仿真技术存在的主要问题及发展方向

1．5 国内外主流模拟软件

1．6 论文主要研究内容‘

第2章 铸造模拟技术理论依据

2．1 铸铁模块的理论支持

2．1．1 灰口铸铁的共晶形核

2．1．2 片状石墨

2．1．3 固态转变

2．1．4 硬度和材料性能

2．1．5 弹性模量-杨氏模量

2．1．6 蠕墨铸铁的模拟

2．1．7 铸铁中气孔和收缩的形成

2．1．8 型壁和型芯的退让性

2．1．9 石墨析出因素

2．1．10 对缩孔水平的解释

2．2 MAGMAsoft的模拟过程

2．2．1 MAGMAsoft的主要模块

2．2．2 MAGMAsoft模拟流程

2．3 模拟试验方案

2．3．1 针对灰口铸铁泵体铸件合金成分优化方案

2．3．2 针对蠕墨铸铁阀体铸件合金成分优化方案

2．3．3 泵阀体铸件工艺条件模拟优化方案

2．3．4 泵阀体铸件缺陷模拟优化方案

2．3．5 数据结果的处理

2．4 本章小结

第3章 合金成分对灰口铸铁泵体铸件组织和性能影响

3．1 引言

3．2 试验条件

3．3 元素C和Si对灰口铸铁泵体铸件组织和性能的影响

3．3．1 元素C的影响

3．3．2 元素Si的影响

3．4 元素Cu／Cr／Mo／Ni对灰口铸铁泵体铸件组织和性能的影响

3．4．1 元素Cu的影响

3．4．2 元素Cr的影响

3．4．3 元素Mo的影响

3．4．4 元素Ni的影响

3．5 杂质S／P对灰口铸铁泵体铸件组织和性能的影响

3．5．1 杂质S的影响

3．5．2 杂质P的影响

3．6 灰口铸铁泵体铸件成分优化模拟分析

3．7 本章小结

第4章 泵体铸件铸造工艺模拟优化分析

4．1 引言

4．2 浇注温度对泵体铸件组织和性能的影响

4．3 孕育方式对泵体铸件组织和性能的影响

4．4 不同铸型对泵体铸件组织和性能的影响

4．5 灰口铸铁泵体铸件凝固过程模拟分析

4．5．1 凝固过程温度场模拟分析

4．5．2 泵体铸件补缩效果模拟分析

4．6 铸造工艺方案优化

4．7 实际试验验证

4．8 本章小结

第5章 合金元素对蠕墨铸铁阀体铸件组织和性能及铸造工艺优化

5．1 引言

5．2 试验条件

5．3 合金成分对蠕墨铸铁组织和性能的影响

5．3．1 元素C和Si对蠕墨铸铁组织和性能的影响

5．3．2 元素Sb／Cr／Mo／Ni对蠕墨铸铁阀体铸件组织和性能的影响

5．3．3 元素Mn／Cu对蠕墨铸铁阀体铸件组织和性能的影响

5．3．4 蠕墨铸铁阀体铸件成分优化模拟

5．4 铸造工艺条件对阀体铸件组织和性能的影响

5．4．1 浇注温度对阀体铸件组织和性能的影响

5．4．2 铸型条件对阀体铸件组织和性能的影响

5．5 蠕墨铸铁阀体铸件凝固过程模拟分析

5．5．1 阀体铸件补缩效果模拟分析

5．5．2 阀体铸件铸造工艺方案优化

5．6 实际试验验证

5．7 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况