中國報告大廳網訊，隨著國民經濟快速發展，不鏽鋼在各行業的應用愈發廣泛，其市場需求持續攀升。304 不鏽鋼作為常見的不鏽鋼材料，因具備耐 800℃高溫、加工性能良好以及韌性高等特性，在機械、食品、醫療等眾多行業中占據重要地位，成為當前市場上需求量最大的不鏽鋼品種之一。在精密鑄造領域，304 不鏽鋼憑藉其表面光潔度高、尺寸精準的優勢，能有效提升產品性能與可靠性，滿足市場對高品質產品的需求，同時其可循環再利用的特性符合可持續發展理念。
不鏽鋼彎管支架作為軟管與支架不同材料間的連接件，主要用於固定軟管並改變其朝向。然而，在實際的精密鑄造行業生產過程中，因其外形不規則且受生產工藝影響，常出現縮孔、卷氣等缺陷。大量縮孔的存在會直接導致鑄件報廢，致使最終成品率不足 20%，且需返工，造成較大生產損失。該零件設計要求鑄件表面光滑，不得有縮孔、裂紋等鑄造缺陷，同時需具備合適的硬度。基於此，本研究藉助 UG 軟體建模並導入 AnyCasting 軟體，對不鏽鋼彎管支架的原始工藝展開數值模擬分析，依據模擬結果優化澆注系統設計與部分工藝參數，並利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等表徵手段，對工藝優化前後的樣品進行檢測分析及力學性能對比，旨在解決縮孔縮松缺陷，提升產品質量。
《2025-2030年中國精密鑄造行業市場調查研究及投資前景分析報告》指出，不鏽鋼彎管支架大體呈半圓形，底部為實心圓柱，圓弧處設有 U 形凹槽，且還有兩個 U 形凸起。底部圓柱直徑為 12mm，其餘部分平均厚度為 2.5mm，材料選用 304 不鏽鋼，其密度為 7.93g/cm³。
利用 UG 軟體對不鏽鋼彎管支架進行三維建模，底部塊體為原始工藝方案水口。經模擬分析預測，該鑄件的縮孔縮松缺陷位置位於 U 形凹槽頂部的熱節處。
分析該不鏽鋼鑄件的結構特點，其整體形狀不規則，頂部與底部厚度差異較大，U 形槽處壁厚較薄，整體屬於薄壁複雜零件。在鑄造過程中，需確保充型過程平穩，各個部位均能完整充型與補縮。根據實際生產要求與條件，不鏽鋼彎管支架鑄件採用直澆道、平注式澆口設計。一樹 20 件，出品率約為 45%，組樹方案如圖所示。
304 不鏽鋼固相線溫度為 1411.2℃，液相線溫度為 1461.9℃。型殼共六層，具體參數如下：
第一層：矽溶膠 + 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%，乾燥時間 4 - 6h。
第二、三層：矽溶膠 + 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%，乾燥時間 8 - 10h。
第四、五層：矽溶膠 + 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%，乾燥時間 8 - 10h。
封層：矽溶膠 + 莫來石粉 200 目漿料，詹式流杯粘度值為 13s，室溫 20℃，濕度 50%，乾燥時間 8 - 10h。
型殼厚度約 8mm，焙燒溫度為 1050℃，焙燒時間為 35min。鑄件在重力作用下沿負 Z 方向採用頂注式和自然冷卻方式，澆注溫度為 1600℃。
在進行精密鑄造數值模擬時，為獲取更高精度結果，需準確設置相關參數。本試驗在 AnyCasting 軟體中設置參數如下：鑄件材料為 304 不鏽鋼，澆注溫度為 1600℃，型殼厚度 8mm，劃分總網格數為 997375，型殼焙燒溫度為 1050℃，充型高度為 10cm，重力設置為 9.8m/s²，頂注式空冷，鑄件與型殼、鑄件與空氣之間的熱交換係數均為 1000W/(m²・K)，型殼與空氣之間的熱交換係數設為 50W/(m²・K)。
不鏽鋼彎管支架的原始工藝方案充型狀態顯示，金屬液在型腔中平穩上升，在第一層鑄件有微弱衝擊型腔現象。1s 時金屬液充滿底層澆道，並開始充填最下層鑄件，3s 時充型到一半左右，6s 時鑄件充型完成，8s 時全部充型完成。
凝固順序對鑄件質量起著決定性作用。原始工藝方案的不鏽鋼彎管支架凝固順序基本遵循由外向內、由下向上的順序，符合最優凝固順序，有利於獲得高質量鑄件。80s 時開始由外向內凝固，從遠離澆口處向澆口位置凝固，679s 時鑄件已基本完全凝固。
但經數值預測模擬發現，縮孔主要出現在 U 形凹槽的頂部兩端，呈對稱分布，且缺陷主要集中在鑄件表面，此部位出現縮孔的機率接近 50%，導致鑄件質量不合格，廢品率較高，這與實際生產過程中發現的問題相符，證明數值模擬效果良好。實際生產中鑄件缺陷如圖所示，縮孔缺陷產生的原因主要是工藝參數、澆道設計、組樹方案等不合理，致使該位置不能及時補縮，從而產生縮孔縮松缺陷。為降低縮孔出現機率，解決缺陷問題，提升產品質量，需對澆注系統及工藝參數進行改進。
根據不鏽鋼彎管支架的原始工藝數值模擬結果，鑄件的縮孔、縮松缺陷主要集中在最大熱節處，即 U 形凹槽的頂端。經分析，產生這些缺陷的原因是鑄件在凝固收縮階段，內澆道部分先凝固，堵塞了補縮通道，使得鑄件在冷卻收縮時因體積收縮未得到及時補縮。
基於上述原因，在原始工藝方案基礎上對澆道進行改進，著重優化鑄件尤其是頂部 U 形凹槽的補縮設計。重新設計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，將平注改為側注，澆口數不變，同時使易出現縮孔缺陷的 U 形槽朝下放置，利於其補縮;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 形槽朝下放置進行組樹。
在 UG 中建模並導入 AnyCasting 中進行網格劃分，方案 a 劃分總網格數為 983136，方案 b 劃分總網格數為 1008504。為對比分析兩種工藝方案，保持工藝參數與邊界條件與原始工藝方案相同，型殼厚度仍設為 8mm。優化工藝後的不鏽鋼彎管支架數值模擬結果顯示，方案 a 的鑄件縮孔產生機率在 0 - 10%，可認定已消除縮孔、縮松缺陷;而方案 b 仍在 U 形槽處出現縮孔缺陷，未解決問題。於是對方案 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後，立即淬水，淬水時間 3s，淬水深度 10mm，淬水完成後應立即澆注，注意澆滿並及時在澆口處撒一層除渣劑。淬水時應在水箱內放入支撐物，淬水部分與支撐物之間不能形成封閉空間，連續淬水時保持水的溫度與高度，可準備多個水箱並及時補充水。淬水目的是局部激冷，降低熱節處型殼溫度，使澆注完成後熱節處優先凝固，促進補縮，消除缺陷。經淬水工藝後的方案 b 鑄件表面縮孔縮松缺陷基本消失。對比方案 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，降低生產效率，提高生產成本，且兩種方案組樹難度一致，綜合考慮採用方案 a 更為合理。
影響精密鑄造鑄件質量的工藝參數眾多，從方便生產、降本增效角度出發，本文以方案 a 為基準，分析型殼焙燒溫度、澆注溫度和澆注速度三個參數對鑄件質量的影響。
根據實際生產經驗，型殼焙燒溫度應在 1050 - 1200℃，澆注溫度應在 1560 - 1660℃。焙燒溫度與澆注溫度的選擇取決於鑄件壁厚，厚度越大，型殼的焙燒溫度應越高，而澆注溫度越低。
鋼液的澆注速度由產品結構決定，厚大件澆注時應均勻、平緩，澆口杯慢慢澆滿;薄壁件與複雜件要快速澆注;常規件速度適中、均勻即可。設置型殼焙燒溫度為 1120℃，澆注溫度為 1610℃，採用快速澆注，試製的方案 a 鑄件表面無縮孔縮松缺陷，加工後內部也無明顯縮孔縮松，符合鑄件質量要求，確定此為最佳工藝參數。
對優化後的結果進行實際生產驗證，嚴格控制相關工藝參數，得到的鑄件實物外觀良好，無縮孔縮松缺陷。經統計，優化工藝後的不鏽鋼彎管支架成品率達到 80% 以上。
藉助電火花線切割機切割工藝優化前鑄件為試樣 A，工藝優化後鑄件為試樣 B。對切割後的試樣依次用 500 目、800 目以及 1200 目粒度砂紙對 A、B 試樣進行打磨，並使用拋光機拋光，將拋光後的試樣置於無水酒精中進行超聲波清洗，得到金相試樣;後續利用王水酒精溶液腐蝕，腐蝕時間為 3 - 5min，得到腐蝕試樣。對樣品 A、B 進行金相顯微分析、硬度測試、掃描電子顯微鏡與能譜儀分析。選擇試樣光滑表面，利用布氏硬度計對 A、B 試樣進行硬度測試，各取六個點測量，結果取平均值，測試結果如下表所示：
由表可知 A 試樣硬度分布不均勻且硬度低，原因是 A 試樣存在不連續分布的縮孔，縮孔處硬度低，其餘部分硬度高，所以硬度分布不均勻。消除縮孔縮松缺陷後，B 試樣組織更加緻密均勻，平均硬度有所提升，工藝優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，而在其他區域的奧氏體則為板條狀，且有明顯分界線。這是因為在冷卻凝固過程中，縮孔處冷卻速率慢，屬於 AF(逆向熱流凝固)模式。凝固時 γ 奧氏體首先析出，隨後 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，最後凝固的組織為奧氏體和鐵素體的混合組織，形成胞狀奧氏體;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變為 γ 奧氏體，之後同時會析出一部分 γ 奧氏體，液相完全消失之後鐵素體再發生固態相變轉變為 γ 奧氏體，最終室溫組織為奧氏體和鐵素體的混合，形成板條狀奧氏體。由於縮孔存在，導致金屬液冷卻速率不同，未按順序凝固，使得補縮通道堵塞，凝固時內部組織不均勻，最終導致鑄件強度降低，硬度不均勻。而 B 試樣的鑄件金相圖中，視場中無縮孔等缺陷，且骨骼狀奧氏體均勻分布，這是因為沒有縮孔影響，鑄件整體冷卻速度一致，屬於 FA(順熱流凝固)冷卻模式。
藉助掃描電子顯微鏡(型號：JSM - 7900F)對 A、B 試樣基體組織進行觀察，A 試樣基體上存在許多微小縮孔，縮孔周圍的板條狀奧氏體分布雜亂且不均勻，並且存在尺寸較大的夾雜物。對試樣 A 進行 EDS 能譜分析，發現相較於基體，夾雜物中的 Si 元素含量明顯升高，結合夾雜物形貌推測其為矽酸鹽類夾雜物，由熔煉過程中鋼液的脫氧、脫硫等操作產生，屬於內源性夾雜物。縮孔與夾雜物的存在破壞了基體組織的連續性與穩定性，易形成應力集中區，導致應力過大，引起鑄件裂紋源的萌生，使鑄件失效，嚴重影響鑄件壽命。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，骨骼狀奧氏體排列整齊、均勻分布。綜上，工藝優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。
通過對304不鏽鋼彎管支架精密鑄造工藝的深入研究，採用 AnyCasting 軟體進行數值模擬，改進組樹方式與澆注系統，有效降低了鑄件出現縮孔的機率。經分析獲得最優工藝方案，並通過數值模擬與實際生產驗證，鑄件內部無縮孔縮松缺陷，質量得到顯著改善，為不鏽鋼彎管支架的實際生產提供了重要參考。工藝優化前縮孔、縮松缺陷產生的原因是金屬液未按正確順序凝固，末端熱節處冷卻速率低，無法順利補縮。而優化後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不鏽鋼彎管支架的生產提供了切實可行的優化路徑，推動了精密鑄造行業在該領域的技術進步與應用發展 。
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