【技術電子報】使用FLOW-3D的低壓鑄造鋁合金鑄件充型過程卷氣行為研究

(1.東北大學材料科學與工程學院;2.華晨寶馬汽車有限公司)



摘 要:

使用FLOW-3D軟體對3種不同結構的鑄件進行低壓鑄造充型過程模擬,分析了增壓速度和鑄件結構對充型過程中卷氣量的影響。由模擬結果分別選擇卷氣最嚴重和充型最平穩的兩種結構來進行生產試做,並對其進行了拉伸試驗研究,分析了卷氣含量對力學性能的影響。



1. 試驗方法

主要觀察鑄件結構和增壓速度對充型過程的影響,因此,設計了3種不同結構的簡單模型,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)結構,其下落高度分別為0、15和30 mm,以此來考察下落式結構對鑄件品質的影響。


圖1.具有3種不同下落式高度的模型
圖1.具有3種不同下落式高度的模型

使用FLOW-3D軟體,對3種不同模型和不同充型壓力進行了模擬。應用軟體中的卷氣模型,對不同方案充型過程中的卷氣量進行分析。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
表1.不同模型和不同增壓速度的方案編號

根據模擬結果,選取卷氣量最大和最小的模型,進行生產試做。並對生產的鑄件進行鑄態力學性能分析,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,拉伸試驗採用國際標準DIN EN ISO 6892-1。取力學性能最低的樣品,用SEM進行斷裂面分析,分析降低力學性能的根本原因。

圖2.拉伸試樣取樣位置示意圖
圖2.拉伸試樣取樣位置示意圖

2 .試驗結果與討論


2.1 確定分型面

以V3.1方案為例,觀察充型過程中的卷氣的分佈情況,如圖3。可以看出,充型時間為2.9 s時,金屬液平穩上升;當充型到3.6 s時,金屬液進入下落(waterfall)區域,產生嚴重的湍流現象及嚴重的卷氣;隨著充型過程繼續進行,下落區域產生的卷氣會隨著金屬液的上升而隨機分佈到鑄件中。


圖4的模擬結果顯示了不同模型在不同增壓速度下充型完畢後的卷氣分佈情況,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生,並且分佈情況有差別。


為了明確增壓速度和下落結構對卷氣量影響的大小,對各個方案的卷氣結果進行量化分析,將每種方案的卷氣量從FLOW-3D中匯出,見圖5。從卷氣量化分析結果可以看出,鑄件中的下落結構是影響卷氣量的首要因素,當沒有下落結構時,增壓速度會影響卷氣量。


圖3.充型過程卷氣模擬結果
圖3.充型過程卷氣模擬結果

圖4.不同方案的卷氣模擬結果
圖4.不同方案的卷氣模擬結果

圖5.不同方案的卷氣量結果
圖5.不同方案的卷氣量結果

2.2 實際鑄件力學性能與斷裂截面分析

針對V1模型和V3模型,採用同樣的充型壓力速度300 Pa/s,進行了生產試做,每種模型分別生產了12件,見圖6,可見鑄件品質良好,輪廓清晰,選取其中6件進行拉伸試棒加工。


圖6.實際生產的鑄件
圖6.實際生產的鑄件

圖7.鑄件拉伸性能結果
圖7.鑄件拉伸性能結果

通過拉伸試驗可以得到鑄件的抗拉強度和伸長率,見圖7。可以看出,沒有下落結構的鑄件抗拉強度和伸長率比較穩定,其抗拉強度平均值為191MPa,伸長率的平均值可以達到5.3 %;而具有30 mm 下落結構的鑄件抗拉強度和伸長率都出現了一些比較低的值。選取帶有下落結構中抗拉強度低於160MPa的試樣,對斷裂截面進行SEM分析,見圖8。可以看出,在斷裂表面,存在較大的捲入型氧化皮缺陷,結合模擬結果分析,其主要原因為下落結構中產生了較為嚴重的卷氣行為。


圖8.斷裂截面SEM分析結果
圖8.斷裂截面SEM分析結果

3 .結論

(1) 低壓鑄造充型過程中,下落式結構是產生卷氣的主要原因,卷氣量隨著下落式結構的高度增加而增大。

(2) 鑄件中如果存在下落式結構,將會產生湍流,氧化皮折疊,形成卷氣缺陷,並且大大降低鑄件的力學性能。