圖1：3種具有不同下落式高度的模型

原標(biāo)題：基于Flow-3D的鋁合金鑄件低壓鑄造充型過程卷氣行為研究

摘要：基于Flow-3D軟件對3種不同結(jié)構(gòu)的鑄件低壓鑄造充型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了增壓速度和鑄件結(jié)構(gòu)對充型過程中卷氣量的影響。基于模擬結(jié)果，分別選擇卷氣最嚴(yán)重和充型最平穩(wěn)的兩種結(jié)構(gòu)的模型，進(jìn)行生產(chǎn)試制，并對其進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)研究，分析了卷氣含量對力學(xué)性能的影響。

隨著汽車輕量化的發(fā)展，鋁合金鑄件在汽車上應(yīng)用越來越廣泛。汽車車身所應(yīng)用的一些薄壁鑄件主要采用高壓鑄造，而一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件如輪轂、發(fā)動機(jī)缸體和缸蓋等多數(shù)采用低壓鑄造成形。低壓鑄造具有充型平穩(wěn)、速度可控，壓力下凝固利于補(bǔ)縮等特點(diǎn)。但是對低壓鑄造的充型過程不夠重視。近期，有研究者發(fā)現(xiàn)，如果低壓鑄造過程中的增壓速度過快，導(dǎo)致金屬液充型速度超過臨界充型速度值(0.5 m/s)，從而產(chǎn)生卷氣、卷渣缺陷，降低鑄件的力學(xué)性能。低壓鑄造充型過程中，增壓速度和鑄件的自身結(jié)構(gòu)都會對卷氣缺陷產(chǎn)生影響，因此，本課題通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合，對3種不同結(jié)構(gòu)的平板型鑄件和不同的增壓速度進(jìn)行了研究，明確了卷氣缺陷產(chǎn)生的原因，為低壓鑄造平穩(wěn)充型的工藝設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)方法

主要考察鑄件結(jié)構(gòu)和增壓速度對充型過程的影響，因此，設(shè)計(jì)了3種不同結(jié)構(gòu)的簡單模型，見圖1。鑄件的尺寸為280 mm×150 mm×30 mm，3個平板型鑄件中心位置分別具有不同高度的下落式（waterfall）結(jié)構(gòu)，其下落高度分別為0、15和30 mm，以此來考察下落式結(jié)構(gòu)對鑄件質(zhì)量的影響。

采用Flow-3D軟件，對3種不同模型和不同充型壓力進(jìn)行了模擬。應(yīng)用軟件中的卷氣模型，對不同方案充型過程中的卷氣量進(jìn)行分析。將這3種模型保存為STL文件，分別導(dǎo)入Flow-3D中，將鑄件網(wǎng)格剖分為500萬，鑄件材料為ZL101A，澆注溫度為700℃，根據(jù)軟件自帶數(shù)據(jù)庫，合金粘度為0.0019Pa•s，模具材料選取H13鋼，預(yù)熱溫度為250℃，針對這3種模型，依次輸入增壓速度為2000、1200、600和300Pa/s進(jìn)行模擬，具體方案的編號見表1。

表1：不同模型和不同增壓速度的方案編號

根據(jù)模擬結(jié)果，選取卷氣量最大和最小的模型，進(jìn)行生產(chǎn)試制。現(xiàn)場采用燃?xì)鉅t對ZL101A進(jìn)行熔煉，用Al-10Sr和Al-5Ti-1B中間合金進(jìn)行變質(zhì)和細(xì)化精煉，除氣工藝采取除氣轉(zhuǎn)子通入氮?dú)猓M(jìn)行旋轉(zhuǎn)噴吹除氣工藝，其中，鑄造過程的參數(shù)設(shè)計(jì)與模擬的參數(shù)設(shè)置一致，為保證鋁合金狀態(tài)一致，本試驗(yàn)在一個坩堝內(nèi)完成。對成功生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行鑄態(tài)力學(xué)性能分析，每個鑄件取4個M6的拉伸式樣，取樣位置見圖2，每種模型分析6個鑄件，共24個拉伸樣品，拉伸試驗(yàn)采用國際標(biāo)準(zhǔn)DIN EN ISO 6892-1。取力學(xué)性能最低的樣品，用SEM進(jìn)行斷口分析，分析降低力學(xué)性能的根本原因。

圖2：拉伸試樣取樣位置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 充型過程模擬結(jié)果

以V3.1方案為例，觀察充型過程中的卷氣的分布情況，見圖3。可以看出，充型時間為2.9 s時，金屬液平穩(wěn)上升；當(dāng)充型到3.6 s時，金屬液進(jìn)入下落（waterfall）區(qū)域，產(chǎn)生嚴(yán)重的湍流現(xiàn)象，卷氣嚴(yán)重；隨著充型過程繼續(xù)進(jìn)行，下落區(qū)域產(chǎn)生的卷氣會隨著金屬液的上升而隨機(jī)分布到鑄件中。

圖4的模擬結(jié)果顯示了不同模型在不同增壓速度下充型完畢后的卷氣分布情況，可以看出，模型V1的卷氣較少，隨著增壓速度增加，卷氣量略有提高。而模型V2和V3，無論增壓速度增加與否，都有不同程度的卷氣產(chǎn)生，并且分布情況有差別。

為了明確增壓速度和下落結(jié)構(gòu)對卷氣量影響的大小，對各個方案的卷氣結(jié)果進(jìn)行量化分析，將每種方案的卷氣量從Flow-3D中導(dǎo)出，見圖5。從卷氣量化分析結(jié)果可以看出，當(dāng)沒有下落結(jié)構(gòu)時，卷氣量隨著增壓速度的增大而增加；當(dāng)有下落結(jié)構(gòu)時，卷氣量隨著增壓速度的變化不明顯；同一種增壓速度下，增加下落結(jié)構(gòu)的高度，卷氣量會明顯增加。因此，鑄件中的下落結(jié)構(gòu)是影響卷氣量的首要因素，當(dāng)沒有下落結(jié)構(gòu)時，增壓速度會影響卷氣量。

圖3：充型過程卷氣模擬結(jié)果

圖4：不同方案的卷氣模擬結(jié)果

圖5：不同方案的卷氣量結(jié)果

2.2 實(shí)際鑄件力學(xué)性能與斷口分析

針對V1模型和V3模型，采用同樣的充型壓力速度300 Pa/s，進(jìn)行了生產(chǎn)試制，每種模型分別生產(chǎn)了12件，見圖6，可見鑄件質(zhì)量良好，輪廓清晰，選取其中6件進(jìn)行拉伸試棒加工。

圖6：實(shí)際生產(chǎn)的鑄件

圖7：鑄件拉伸性能結(jié)果

通過拉伸試驗(yàn)可以得到鑄件的抗拉強(qiáng)度和伸長率，見圖7。可以看出，沒有下落結(jié)構(gòu)的鑄件抗拉強(qiáng)度和伸長率比較穩(wěn)定，其抗拉強(qiáng)度平均值為191MPa，伸長率的平均值可以達(dá)到5.3 %；而具有30 mm 下落結(jié)構(gòu)的鑄件抗拉強(qiáng)度和伸長率都出現(xiàn)了一些比較低的值，其抗拉強(qiáng)度的平均值為178MPa，伸長率平均值僅為3.8%。選取帶有下落結(jié)構(gòu)中抗拉強(qiáng)度低于160MPa的試樣，對斷口進(jìn)行SEM分析，見圖8。可以看出，在斷口表面，存在較大的卷入型氧化皮缺陷，結(jié)合模擬結(jié)果分析，其主要原因?yàn)橄侣浣Y(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的卷氣行為。

圖8：斷口SEM分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)低壓鑄造充型過程中，下落式結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生卷氣的主要原因，卷氣量隨著下落式結(jié)構(gòu)的高度增加而增大。
(2) 鑄件中如果存在下落式結(jié)構(gòu)，將會產(chǎn)生湍流，氧化皮折疊，形成卷氣缺陷，并且大大降低鑄件的力學(xué)性能。

作者：孫晶瑩 樂啟熾 趙旭
東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

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