鋅錠模熱力行為數值模擬及失效分析

楊遠平，嚴宏志

（1. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙，410083；2. 湘西民族職業技術學院 機電系，湖南 吉首，416000）

鋅錠模熱力行為數值模擬及失效分析

楊遠平1,2，嚴宏志1

（1. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙，410083；2. 湘西民族職業技術學院 機電系，湖南 吉首，416000）

針對鋅錠模在使用過程中內圓角部位因疲勞裂紋而失效的問題，利用有限元方法，模擬鋅液澆注及其凝固過程中鋅錠模的溫度場和應力場，找到鋅錠模上拉應力最大的3個點，此3點即為控制模具使用壽命的關鍵點。分析鋅錠模的初始溫度、鋅液的澆注溫度對關鍵點最大應力的影響，模擬鋅錠模自身鑄造應力和組織性能，得到模具斷面鑄造應力和抗拉強度分布。分析鋅錠模裂紋產生的原因，提出鋅錠模使用工藝。研究結果表明：熱沖擊和疲勞是鋅錠模產生裂紋的主要原因，裂紋不一定位于應力最大部位，而是位于應力較大且組織性能較差的部位；在鋅錠澆注過程中，當模具的溫度較低時，應采用低溫澆注。

鋅錠模；熱力行為；數值模擬；失效分析

鋅錠、鋁錠模等是有色金屬冶煉一種基本的工裝設備，此類模具的結構較簡單，內腔表面即模具的工作面直接由鑄造形成，模具在急熱、急冷的條件下使用，模具溫差變化大，內部產生很大的熱應力，最終因疲勞裂紋而失效。國內對鋁錠、鋅錠模具的研究主要集中于采用不同的材料來制造模具，徐掌印等[1]模擬鋁錠模的使用條件，研究了不同基體組織球墨鑄鐵的熱疲勞性能，認為鐵素體球墨鑄鐵的熱疲勞性能最好；陳永華[2]研究了蠕墨鑄鐵在鋁錠模生產中的應用，比較了蠕黑鑄鐵、灰鑄鐵和球墨鑄鐵的靜載力學性能、高溫力學性能和耐熱疲勞性能，認為蠕墨鑄鐵材料用作鋁錠模材料較為合適；王立源[3]分析了用QT400-18代替ZG230-450制造鋅錠模，可以提高新定的表面光潔度，延長模具的使用壽命；夏日曦等[4]認為具體選用哪種材料來制造鋅錠模，應由所制造模具的形狀、大小及精度等多種因素來決定；張立志等[5]采用有限元方法，分析了鋅錠模的應力與壁厚等關系，提出了鋅錠模結構改進措施。而目前人們對模具在使用過程中，模具的溫度、鋅液的澆注溫度等工藝參數對裂紋的影響研究很少，對模具的熱應力分布和組織性能對裂紋影響研究也很少。在此，本文作者采用有限元方法，分析模具初始溫度、鋅液澆注溫度等工藝參數對鋅錠模熱應力的影響，以及鋅錠模的鑄造應力和組織性能對裂紋的影響，綜合上述模擬結果分析鋅錠模的失效原因。

1 問題的提出

某公司的一種鋅錠澆注模，材質為HT200，其長度×寬度×高度為1 440 mm×840 mm×420 mm，壁厚為100 mm，內圓角半徑為30 mm，模具質量約為1.5 t，模具預熱困難，在鋅錠澆注凝固過程中，模具各部分由于溫差而產生熱應力，最終導致內圓角處產生疲勞裂紋而失效，如圖1所示。

圖1 失效的鋅錠模Fig.1 Failure die for zinc ingot

2 鋅錠模應力有限元分析

2.1 幾何建模及初始條件設置

2.1.1 幾何建模

幾何建模軟件選用Pro/E，有限元分析軟件選用ProCAST。先用Pro/E進行實體建模、裝配、劃分面網格、輸出*.ans文件。再用ProCAST中的MeshCAST模塊劃分體網格，進行網格檢查，用PreCAST 模塊設置參數，運行DataCAST和ProCAST，由ViewCAST輸出計算結果[6?10]。

2.1.2 初始條件

模具在鋅錠澆注過程中初始位移、初始載荷等均為0；澆注速度約為20 kg/s，澆注時間為50～60 s；鋅錠和鋅錠模之間的界面換熱系數為1 000 W/（m2·K）[11]；鋅錠模為對稱結構，為減少計算量，取1/4模型進行仿真計算。鋅錠模的材料為HT200，為脆性材料，使其斷裂破壞的主要因素是最大拉應力，材料破壞按第一強度理論判斷，故模擬計算的應力為最大拉應力σ1。

2.2 不同工藝條件下鋅錠模的應力有限元分析

2.2.1 關鍵應力點分析

在實際生產中，鋅液的澆注溫度一般為520～600 ℃，開始為冷模澆注，因此，首先假定鋅錠模的初始溫度為25 ℃，鋅液澆注溫度為600 ℃。經過ProCAST模擬計算[8?11]，得到鋅錠模在鋅液澆注和凝固過程中的應力場，如圖2和圖3所示。

從鋅錠模的應力場隨時間變化的圖形中可以得知，除圓角處外，鋅錠模的內表面受壓，外表面受拉，最大壓應力位于鋅錠模底面圓角過渡部位，最大拉應力有3個部位，分別為長邊外緣、短邊外緣和上法蘭內圓角。由于鋅錠模疲勞失效主要是由拉應力引起，故只分析拉應力。在3個最大拉應力部位，通過逐點檢測其σ1曲線，發現長邊外緣中點、短邊外緣中點、內圓角中點分別為各自部位的最大拉應力點，為控制模具使用性能的關鍵點，將其分別記為點1，2和3，具體位置見圖2。

2.2.2 鋅錠模初始溫度對關鍵點應力的影響

根據生產實際和鋅液的凝固溫度（419 ℃），假定鋅錠模的初始溫度分別為25，100，200和300 ℃，鋅液澆注溫度均為600 ℃。經模擬計算，得到以上4種情況下關鍵點1，2和3的應力隨時間變化曲線，如圖4所示。

圖2 鋅錠模在鋅液澆注過程中應力場Fig.2 Stress fields of zinc ingot die in casting process of zinc melt

圖3 鋅錠模在鋅液凝固過程中應力場（不顯示鋅錠）Fig.3 Stress fields of zinc ingot die in solidification process of zinc melt

圖4 不同模具初始溫度時關鍵點的應力變化曲線Fig.4 Key nodes stress at various die initial temperatures

鋅錠模熱應力產生的根本原因是在鋅錠澆注過程中，模具各部分和鋅液接觸時間的差異、溫度的傳導等，導致其各部分產生溫差。澆注開始前，沒有溫差，模具也就沒有應力產生。剛開始時，模具各部分的溫差快速增大，所以，應力激劇升高；其后，由于鋅錠模上的溫差逐步減小，各部分溫度趨于平衡，鋅錠模的應力平穩下降。從各關鍵點的應力隨時間的變化曲線可知：點1的應力最大；點3雖是模具上裂紋產生位置，卻不是最大應力點；點1的最大應力比點3的大12～16 MPa。

隨著鋅錠模初始溫度的提高，各關鍵點的最大應力不斷減小。為了更為直觀地分析鋅錠模的初始溫度對其應力的影響，提取3個關鍵點的最大應力，然后與模具的初始溫度進行擬合，得到3個關鍵點的最大應力隨模具初始溫度的變化曲線，如圖5所示。由于3條曲線近似直線，因此可得：隨著模具初始溫度的升高，關鍵點的最大應力呈直線下降。經計算得知：模具的初始溫度從25 ℃上升到300 ℃時，點1的最大應力下降36%，點2下降40%，點3下降34%，平均來說，模具初始溫度每升高100 ℃，關鍵點的最大應力下降13%。

圖5 關鍵點最大應力隨模具初始溫度化曲線Fig.5 Relationship between key node’s maximum stress and die initial temperature

2.2.3 鋅液澆注溫度對關鍵點應力的影響

實際生產中鋅液的澆注溫度一般為520～600 ℃。選取鋅液的澆注溫度為520，550和600 ℃，分析澆注溫度對鋅錠模應力影響。假定模具的初始溫度均為25℃，經模擬計算，得到在上述3種澆注溫度下關鍵點1，2和3的應力隨時間變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同鋅液澆注溫度時關鍵點的應力變化曲線Fig.6 Relationship between key nodes stress at various zinc melt casting temperatures and time

從圖6可知：隨著澆注溫度的下降，鋅錠模上關鍵點上的最大應力也隨之降低；當澆注溫度從600 ℃下降到520 ℃時，關鍵點1和2的最大應力從188和176 MPa下降到170和163 MPa，下降約7%，關鍵點3的最大應力從170 MPa降到120 MPa，下降約30%。

2.2.4 模具初始溫度、鋅液澆注溫度綜合對關鍵點應力的影響

實際生產過程中，鋅錠連續澆注，大約4 h澆注1個，下一次澆注時，模具因澆注余熱，溫度大約在200℃，假定鋅液的澆鑄溫度為550 ℃。經模擬計算得3個關鍵點的最大應力分別為131，120和108 MPa，與模具初始溫度為25 ℃、鋅液澆注溫度為600 ℃時對應的最大應力188，176和170 MPa相比，平均下降約60 MPa，下降約1/3。

2.3 鋅錠模失效原因分析及改進措施

2.3.1 鋅錠模鑄造應力和組織性能模擬

為了更好的解釋鋅錠模在圓角部位產生裂紋的原因，經模擬鋅錠模的鑄造應力和鑄件組織性能，得到上法蘭（圖2）斷面的鑄造應力變化如圖7所示，同一斷面上鑄件抗拉強度的分布如圖8所示[12?13]。

圖7 法蘭斷面的鑄造應力變化圖Fig.7 Casting stress of section in flange

圖8 法蘭斷面的抗拉強度圖變化圖Fig.8 Tensile strength of section in flange

從圖7斷面鑄造應力分布圖可知：在法蘭的內圓角部位，其鑄造應力介于壓應力和拉應力之間，其拉應力較小，所以，在此部位不會有鑄造裂紋產生。從圖8斷面抗拉強度分布圖可判斷在內圓角部位抗拉強度約為180 MPa，而在外緣上大致為270 MPa，相差約90 MPa，即可得點1的抗拉強度比點3大90 MPa左右。

2.3.2 失效原因分析

鋅錠模的材料為HT200，其理論抗拉強度應大于200 MPa，但這是指單鑄試棒的力學性能。實際上，隨著鑄件壁厚的增加，其抗拉強度不斷下降。根據GB/T 9439—1988，牌號為HT200的鑄鐵，壁厚為50～80 mm時，鑄件的抗拉強度大于150 MPa；壁厚為80～150 mm時，鑄件的抗拉強度大于140 MPa[14]。結合圖7所示鋅錠模鑄造應力的模擬結果，可推斷出鋅錠模的裂紋不是在模具鑄造過程中產生，應是在鋅液澆注凝固過程中產生。

在實際生產過程中，由于模具大并且重，預熱困難，開始澆注時一般為冷模澆注，如果鋅液澆注溫度較高，如澆注溫度為600 ℃，鋅錠模上3個關鍵點的最大應力分別為188，176和170 MPa，如此大的應力會對鋅錠模產生很大的熱沖擊，極易使鋅錠模產生裂紋。連續澆注時，鋅錠模上3個關鍵點上的最大應力分別為131，120和118 MPa，雖均小于其所在部位對應的抗拉強度150 MPa和140 MPa，但每隔4 h左右的應力循環，不斷變化的交變應力易使模具疲勞，產生疲勞裂紋。同時，高溫的液態金屬對模具型腔表面的反復沖刷，使模具型腔表面溫度不斷上升，模具內部溫度場不均勻，導致模具型腔表面產生較大的熱應力，超過模具材料高溫下的屈服強度而產生塑性變形；周期性的溫度變化使模具表面產生周期性的熱膨脹、收縮及熱應力，最終導致熱疲勞失效[15]。綜上可知，熱沖擊和疲勞是鋅錠模產生裂紋的主要原因。

根據模擬計算結果，鋅錠模上最大應力部位在點1即長邊外緣中點，裂紋發生在點3即內圓角中點。圖8斷面抗拉強度分布圖可以很好的解釋這一現象，從圖8可知：點1處的抗拉強度比點3處大90 MPa左右，而點1處的應力只比點3處的應力大12～16 MPa。由此可知，裂紋并不一定位于應力最大部位，而可能位于應力較大，同時組織性能較差的部位。

2.3.3 改進措施

（1） 因模具預熱困難，在冷漠澆注時，應采用低溫澆注，以避免對鋅錠模產生熱沖擊。

（2） 改進鋅錠的結構，如增加圓角半徑，可以有效降低鋅錠模圓角處的應力。在其他不變時將圓角半徑由30 mm增加到100 mm，在冷模、高溫澆注時內圓角中點的最大應力由170 MPa下降到133 MPa，應力顯著下降，如圖9所示。

（3） 改善鋅錠模內圓角處的組織性能，提高其抗裂性能。如在鋅錠模的鑄造過程中，在圓角部位安防冷鐵，以加快圓角部位的冷卻速度,細化晶粒，獲得更好的組織性能[16]。

圖9 圓角半徑為100 mm時關鍵點應力變化曲線Fig.9 Relationship between key nodes stress at 100 mm and time

3 結論

（1） 鋅錠模的初始溫度每上升100 ℃，模具上關鍵點的最大應力平均下降13%左右。

（2） 降低鋅液澆注溫度，模具上關鍵點1和2的最大應力下降7%左右，而點3的最大應力力下降30%，因此，冷模應采用低溫澆注。

（3） 鋅錠模在冷漠、高溫澆注時，其熱應力較大，會對模具產生較大的熱沖擊，易使模具產生裂紋，在實際生產中應盡量避免。

（4） 鋅錠模上裂紋并不一定位于應力最大部位，而是位于應力較大，同時組織性能較差的部位。

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（編輯 楊幼平）

Thermal force behavior numerical simulation and failure analysis of zinc ingot die

YANG Yuan-ping1,2, YAN Hong-zhi1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Xiangxi Vocational Technical College for Nationalities, Jishou 416000, China）

Aiming at breakage of zinc ingot die caused by fatigue crackle in the process of using at corner, the temperature and stress field of zinc ingot die in the process of zinc melt casting and solidification were simulated using FEM. Three maximum stress nodes in zinc ingot die were found, which are the key nodes that decide the using life of die．The influences of die initial temperature and zinc melt casting temperature on key nodes maximum stress were analyzed．By the simulation of casting stress and structure property for zinc ingot die，the distributions of casting stress and tensile strength in flange section were obtained．The crackle reasons of zinc ingot die were analyzed. The application technology for zinc ingot die was proposed. The results show that the primary reasons caused crackle are heat shock and fatigue, and the crackle is not necessarily at the maximum stress position where the stress is comparatively large and the structure property is worse. In the process of zinc ingot casting, when the temperature of die is lower, the casting temperature of zinc melt should be lower, too.

zinc ingot die; thermal force behavior; numerical simulation; failure analysis

TG21+3

A

1672?7207（2011）05?1310?06

2010?04?08；

2010?07?15

國家自然科學基金資助項目（50975291）

嚴宏志（1964?），男，湖南安鄉人，博士，教授，博士生導師，從事機械制造與控制研究；電話：13637315291；E-mail： yhzcsu@163.com