李 濤,張博彧,王 鵬,王冠州,盧仕琦,王 平

(材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北大學(xué))，沈陽(yáng) 110004)

鋁合金的觸變壓鑄是目前研究和應(yīng)用最多的觸變壓鑄工藝，早在20世紀(jì)70年代初期，就進(jìn)行了半固態(tài)鋁合金觸變壓鑄實(shí)驗(yàn)[1-3].經(jīng)過(guò)半固態(tài)觸變壓鑄成形，成型件中的縮孔、氣孔等顯微孔洞很少，零件可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化[4]；零件的成分、組織和性能很均勻，可實(shí)現(xiàn)近終化成形和大幅度減少機(jī)加工量.因此，鋁合金觸變壓鑄在汽車(chē)及其他工業(yè)得到較大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用[4-5].目前，人們對(duì)半固態(tài)成型技術(shù)已進(jìn)行了大量研究[6-8]，并取得了許多卓有成效的成果[9-12]，但對(duì)于半固態(tài)壓鑄過(guò)程中漿料充型規(guī)律、流動(dòng)特點(diǎn)等尚缺乏系統(tǒng)深入的了解.為此，本文采用AnyCasting鑄造仿真軟件特有的半固態(tài)觸變功能模塊(Bingham粘度模型)對(duì)半固態(tài)ZL201鋁合金的觸變充型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬[13-14]，研究慢、快壓射速度及切換時(shí)間對(duì)半固態(tài)觸變壓鑄充型過(guò)程的影響，對(duì)最優(yōu)充型條件下的鑄件微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行模擬研究，并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，以期為半固態(tài)成型技術(shù)的深入研究奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

1 模擬研究

模擬研究采用AnyCasting軟件，在半固態(tài)金屬漿料充型過(guò)程中，由于充型幾乎在瞬間完成，可以忽略時(shí)間對(duì)半固態(tài)漿料粘度的影響，并假設(shè)半固態(tài)金屬漿料所受剪切力超過(guò)屈服應(yīng)力時(shí)開(kāi)始流動(dòng)，且表觀粘度為常值，因此，在模擬過(guò)程中流體模型采用Bingham模型.半固態(tài)金屬漿料的表觀粘度是與溫度、固相分?jǐn)?shù)、剪切速率等有關(guān)的多元函數(shù)，比純液態(tài)金屬約高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，本模擬過(guò)程取表觀粘度10 Pa·s[15].若鑄件的內(nèi)澆口直徑為4.5 mm，半固態(tài)坯料充型速度為4 m/s，兩相區(qū)的平均密度為2 780 kg/m3,則其雷諾數(shù)

遠(yuǎn)小于臨界雷諾數(shù)2 300,是層流流動(dòng).式中：v為流體的流速；ρ為流體密度；η為流體的黏性系數(shù)；d為內(nèi)澆口直徑.

利用三維繪圖軟件Pro/E進(jìn)行實(shí)體造型，如圖1所示.造型結(jié)束后將實(shí)體模型導(dǎo)入AnyCasting中，而后進(jìn)行網(wǎng)格劃分、初始條件設(shè)置，最后進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬.

半固態(tài)觸變壓鑄實(shí)驗(yàn)材料為ZL201合金，其液相線溫度為650 ℃，固相線溫度為547 ℃.模擬過(guò)程中半固態(tài)漿料溫度設(shè)定為600 ℃，模具溫度為240 ℃.壓鑄過(guò)程中速度主要有以下兩種階段.

1)慢速階段.當(dāng)半固態(tài)漿料注入壓室的充滿度在70%以下時(shí)，壓室內(nèi)的空氣含量仍很多，此時(shí)需要慢速壓射，使金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，空氣能順利排出.通常慢速射出速度為0.1～0.5 m/s.本文設(shè)定慢速階段壓射速度分別為0.35、0.25、0.15、0.1 m/s，確定最優(yōu)慢速階段壓射速度.

2)快速階段.金屬液到達(dá)內(nèi)澆口時(shí)，可進(jìn)行高速切換，使金屬液在高壓高速下填充.通常高速壓射速度在0.2～4.5 m/s以上.本文在確定最優(yōu)低速階段壓射速度后，選擇不同時(shí)間進(jìn)行高速切換，高速壓射速度分別設(shè)定為1、2、3、4 m/s.

圖1 模擬模型

2 分析與討論

2.1 慢速階段不同壓射速度對(duì)充型過(guò)程的影響

不同慢速階段壓射速度過(guò)程如圖2所示.

圖2 不同慢速階段壓射速度過(guò)程圖

由圖2看見(jiàn)，當(dāng)壓射速度分別為0.35、0.25、0.15 m/s時(shí)，金屬漿料通過(guò)狹窄的內(nèi)澆口后流動(dòng)速度變快，此時(shí)隨著漿料注入，填充型腔，流動(dòng)特征發(fā)生了改變，由層流流動(dòng)變成了紊流流動(dòng)，如圖2(a)、(b)、(c)所示，這種紊流的添充形式容易使大量氣體被裹挾進(jìn)型腔，使得成型件內(nèi)部包裹大量氣體，造成成型件內(nèi)部組織疏松，力學(xué)性能?chē)?yán)重下降.

當(dāng)慢速階段壓射速度較小時(shí)，如為0.1 m/s時(shí)，此時(shí)由于壓射速度不高，半固態(tài)漿料通過(guò)內(nèi)澆口后并沒(méi)有快速射入型腔，而是在內(nèi)澆口附近堆積，逐漸向型腔里流動(dòng)，流動(dòng)平穩(wěn)，呈層流特征，這種壓射形式非常利于氣體的逐漸溢出，成型件裹氣的可能性大幅降低，成型件內(nèi)部組織致密，具有較高的力學(xué)性能，如圖2(d)所示，因此，慢速階段最優(yōu)的壓射速度為0.1 m/s.

2.2 快速階段壓射速度與慢快速切換時(shí)間點(diǎn)對(duì)充型的影響

快速壓射速度分別設(shè)定為1、2、3、4 m/s，金屬漿料的填充過(guò)程將如圖3所示.圖3(a)為高速壓射速度為1 m/s時(shí)的填充圖，可以看到，漿料平穩(wěn)的填充到型腔內(nèi)，并無(wú)卷氣現(xiàn)象，漿料呈現(xiàn)層流流動(dòng)；而隨著切換速度的增大，出現(xiàn)卷氣現(xiàn)象并愈加明顯，如圖3(b)、(c)、(d)所示，由于充填速度很快，金屬漿料獲得很高的動(dòng)能，充型過(guò)程會(huì)產(chǎn)生明顯的卷氣現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量.因此，高速階段最優(yōu)壓射速度為1 m/s.

壓鑄的基本特點(diǎn)之一是快速充型，在整個(gè)快速壓射階段，即從快速點(diǎn)開(kāi)始一直到漿料充型結(jié)束，金屬漿料以30～60 m/s的速度，以射流的形式進(jìn)入型腔，金屬液會(huì)包卷氣體，因此，第2階段快速壓射點(diǎn)的時(shí)間轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要.轉(zhuǎn)換太慢影響效率，轉(zhuǎn)換太快漿料容易容易發(fā)生噴濺.根據(jù)前期的工作[9]，本文選取4個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行高速切換，分別為低速階段壓射時(shí)間0.6、1.1、1.3、1.5 s后,從低速到高速的切換時(shí)間為0.01 s，高速壓射速度選取較優(yōu)的1.0 m/s.

圖3 不同快速壓射階段速度填充圖

圖4為不同高速切換點(diǎn)的壓鑄過(guò)程圖.當(dāng)?shù)退匐A段充型時(shí)間較短時(shí)進(jìn)行速度切換，即在內(nèi)澆口附近進(jìn)行高速切換，由于內(nèi)澆口的限制，漿料充型速度很快，在充型剛開(kāi)始時(shí)，在內(nèi)澆口附近直接產(chǎn)生氣囊，在漿料充型過(guò)程中，氣囊中的氣體逐漸被漿料包裹帶到型腔的各個(gè)位置，如果氣體不能排出，將在鑄件內(nèi)部形成氣孔缺陷，嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量，如圖4(a)、(b)、(c)所示.隨著低速階段充型時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)了內(nèi)澆口后再進(jìn)行速度切換，這是因?yàn)樾颓坏南虏吭诟咚偾袚Q前已經(jīng)填充了部分金屬，因此，在高速切換后并無(wú)裹氣現(xiàn)象，也沒(méi)有發(fā)生回流，漿料平穩(wěn)的充滿整個(gè)型腔.鑄件內(nèi)部不會(huì)有氣孔產(chǎn)生，使得組織致密，性能高，如圖4(d)所示.因此，最優(yōu)的壓射速度是慢速階段壓射速度為0.1 m/s，在1.5 s時(shí)進(jìn)行快速壓射，快速階段壓射速度為1 m/s.

圖5是壓鑄件的凝固過(guò)程，可以看出，壓鑄件的凝固是先從零件周?chē)_(kāi)始，向中心處延伸，最后凝固部位為澆口中心處和零件尺寸較大的部位.

圖6是模擬的鑄件硬度分布圖，可以看出，ZL201合金半固態(tài)觸變壓鑄件上不同部位維氏硬度分布，其最小維氏硬度為68HV，最大維氏硬度為72HV，整個(gè)鑄件平均硬度為70HV，分布均勻.

圖6 維氏硬度

由圖7的模擬抗拉強(qiáng)度分布圖可見(jiàn)，在內(nèi)澆口附近抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)238 MPa，而在其內(nèi)部平均值約為208 MPa.這是由于金屬液流動(dòng)時(shí)對(duì)周?chē)牟粩鄾_刷和攪拌作用，在這一區(qū)域形成一細(xì)晶區(qū)，晶粒尺寸較小，密度較大的原因.

圖7 抗拉強(qiáng)度

圖8為聯(lián)合缺陷系數(shù)分布圖.由圖8可知，由于宏觀補(bǔ)縮容易形成管筒形的一次縮孔，因此，在鑄件澆口處由于補(bǔ)縮的原因造成聯(lián)合缺陷系數(shù)較大.另外，由于冷卻強(qiáng)度較大漿料來(lái)不及補(bǔ)縮，在零件曲率較大的地方也會(huì)造成缺陷系數(shù)較大.

圖8 聯(lián)合缺陷系數(shù)分布

圖9是按照低速階段壓射速度是0.1 m/s，在1.5 s時(shí)進(jìn)行快速壓射，快速階段壓射速度是1 m/s工藝條件下的成型件顯微組織照片.表1為其力學(xué)性能,可以看出，成型件內(nèi)部組織致密，性能較高，與模擬結(jié)果符合較好.

圖9 壓鑄件的顯微組織

平均抗拉強(qiáng)度/MPa平均硬度值(HV)212.570.8

3 結(jié) 論

1)通過(guò)Anycasting模擬，壓射速度為慢速階段壓射速度0.1 m/s，在1.5 s時(shí)進(jìn)行快速壓射，快速階段壓射速度1 m/s,此時(shí)壓鑄效果最好且漿料以層流方式填充.

2)模擬成型件的平均硬度為70HV，平均抗拉強(qiáng)度為208 MPa,與實(shí)際符合較好.