摘要:铸件的铸造充型过程和凝固过程是决定铸件铸造质量和是否产生铸造缺陷的关键流程,因此也成为了铸造领域最前沿和最受关注的研究对象。随着铸造模拟软件在实际生产过程的成功应用,设计人员能快速和方便地运用软件来模拟分析铸造过程中的铸造缺陷,从而针对性地对铸造系统进行改进来优化铸造过程,在缩短生产周期的同时也提高了铸件产品的质量。本文ZL105铝合金铸件为例,采用Procast铸造模拟软件对其进行工艺设计和优化,模拟其充型和凝固过程、温度场分布和铸造缺陷分布情况。
关键词:铸造模拟;铝合金;重力铸造;铸造缺陷
1、引言
铝合金因其优异的性能而得到广泛的应用。铝合金与其他常用金属相比,具有密度低、刚性好、强度高等特点。其优良的导热性和电磁屏蔽性能降低了电磁辐射对人体的危害。因此,Mg-Al合金广泛应用于笔记本电脑机箱、手机机箱和DVD门套面板等电子产品中[3]。
铝合金铸件具有高弹性模量、高强度、高冲击强度、高耐碱、高耐腐蚀性和有机性能,广泛应用于航空航天、化工、压力容器、交通运输、汽车制造等领域。
铸件的结构和形状越来越复杂,铸件质量、强度、寿命和可靠性越来越高的需求,传统的铸造工艺设计方法基于工程经验和实验一直无法满足铸造行业的快速发展和突破。然而,数值模拟技术在铸件实际生产中得到了广泛的应用,其经济效益还远远不能令人满意。充分验证了该模拟软件的铸造工艺精度和实用性。
目前,专业铸造仿真软件已得到广泛应用。国内cae设计制造企业、CASTSOFT等国外知名软件产品如韩国MAGM制造企业来设计A、A nyCasting、Solidcast有限公司解决方案,法国ESI设计公司设计Procast。这些软件产品都是基于有限差分法(FD M)或有限元法(FEM)数值方法,能够模拟充型过程和凝固过程的流场、温度场、铸件缺陷的分布[1][2]。因此,可以说,铸造仿真软件的开发对促进铸造技术的快速发展具有很大的作用。
重力铸造是金属注射模和金属充液型腔在自身重力作用下的一种铸造方法。重力铸造方法有金属型铸造、砂型铸造、铸造型铸造、熔模铸造和铸造型铸造等。本文提出的铝合金铸件的铸造方法是金属型铸造。金属型重力铸造模具一般采用耐热合金钢,铸造模具可重复使用,模具寿命长,铸造生产效率高。金属型重力铸造有其自身的优点,保证了铸件的表面质量和尺寸精度,铸件的强度高于同规格砂型铸件。虽然模具由耐热合金钢制成,但其耐热性在实际生产中受到限制。因此,金属型铸造的应用范围主要局限于镁合金、铝合金、锌合金等有色金属合金的铸造,而黑色和金色的铸造很少使用。金属型铸造也有一些缺点,如其模具材料和加工成本相对昂贵,铸件的平均成本相对较高,因此对于小批量和大批量的铸造生产是不划算的,因此金属型铸造技术很少用于小批量的生产场合。
铝合金铸造的过程中,如果工艺参数不合理将会产生铸造缺陷如缩松和缩孔等,这些铸造缺陷将会影响铸件的机械性能和疲劳寿命,而对于铸件缩松分布模拟的准确性就显得很有意义了。
2、实验
采用多种方案进行熔炼浇铸实验,再结合实际浇铸参数,在ProCAST进行软件的模拟,预测氧化夹杂的位置,并对实验得到的铸件进行验证。找出铸件中氧化夹杂的位置,分析实验结果,同时改进工艺,以减少氧化夹杂的发生。
ZL105铝合金在熔炼过程中,由于环境、实验器材、空气的原因,在熔炼及其浇铸过程极易形成氧化夹杂缺陷,本实验研究的是浇铸过程铝液倒入模具时,铝液流动时卷入空气从而产生氧化夹杂的位置。通过ProCAST软件进行ZL105铝合金充型的数值模拟,可预测氧化夹杂的位置。实验得到的铸件,经处理,可在金相显微镜和显微镜下观察分析。
本实验用到的实验器材如表1所示,还需配好涂料(其配比比例按照氧化锌20%,水玻璃10%,其余都是蒸馏水).
表1 进行熔炼实验所需的实验器材及型号
实验器材类别 实验器材型号/编号
锯床 GZ-4230
熔炼炉 K413/T0171
金相抛光机 2017915003
烘炉 REX-C700
测温枪 7M-902C
金相显微镜 2017913303
红外测温仪 2017234305
(1)实验前的准备工作(计算实验原料)
表2 ZL105铝合金化学成分标准(wt.%)
元素类别 含量
Si 4.5-5.5
Cu 1.0-1.5
Mg 0.4-0.6
Fe 0.000-1.000(金属型铸造)
Mn ≤0.5(杂质)
Zn ≤0.3(杂质)
要熔炼6000g的ZL105铝合金,根据表2中各元素的含量进行计算,主要计算硅、镁、铜的元素的需求量,表中各元素的含量为一个范围,一般取中间值,这样取值,可避免在称量时的不精确,所以硅元素含量取5%,铜取1.25%,镁取0.5%,在计算中,另外还考虑Mg烧损为20%,即计算中多加20%的Mg,减少实验误差。
表3 各元素所需求的重量(g)
元素 Si Mg Cu Al
熔6000gZL105铝合金各元素需求量 300 37.5 75 余量
在实验之前,购买的实验原料为铝硅合金、铝铜合金及镁锭,其中铝硅合金硅的含量为15%;镁锭为纯镁锭;铝铜合金的中铜的含量为50%。根据表3,计算各中间合金的需求量。如表4所示。
表4 各类实验材料需求量(g)
材料种类 Al-Si15合金 Mg锭 Al-Cu5合金 纯铝
溶6000gZL105铝合金各材料重量 2000 37.5 150 3820
(2)确立浇铸方案
在实验之前,根据浇铸的工艺的准则确立实验的浇铸方案,ZL105合金流动性好等性质,在同一浇铸系统的基础上,设计2组浇铸方案,第一组是控制模具、浇铸温度不变,使充型时间改变;第二组是控制模具温度、充型时间不变,使浇铸温度改变。
表5 浇铸方案
浇铸方案 1 2 3
浇铸温度(℃) 725 725 725
模具温度(℃) 430 430 430
充型时间(s) 5 7 9
表6 浇铸方案
浇铸方案 1 2 3
浇铸温度(℃) 750 720 690
模具温度(℃) 430 430 430
充型时间(s) 6 6 6
(3)熔炼过程
实验过程中的浇铸工艺参数按照表5、表6的实验方案进行
1)预热炉子,处理和烘干实验用具
将已经配好的各类实验原料用酒精擦洗干净后,等这些原料表面水分蒸发后,用夹子夹好原料放入已经预热的熔炼炉里进行熔炼(镁在全部的原料都熔化后在加)。在放置原料时应该注意;先放熔点比较低的,再放熔点高的;夹持的原料先在炉口预热,以便把水分去除;夹持原料进入熔炼炉时,应该夹稳,并轻轻放入炉底,避免应随意夹放,夹不稳而使坩埚破损;此外,在发现坩埚无法装所有原料时,不要硬塞;等到一部分原料熔化之后再放置。设置加热温度为850℃,在熔炼过程中,随时要观察原料的熔化,熔化后可加入剩下的实验原料。
烘炉的温度设置为400-500℃。把已经处理好的实验用具;搅拌棒、撇渣勺,浇铸用具,模具等放入烘炉中,放置一个小时左右依次拿出来,涂涂料,要求涂层的厚度均匀,(为了避免实验用具及模具污染铝液)。涂涂料时,要迅速,手法熟练,涂好之后立即放入烘炉里,涂料能够很好的与基体结合。
2)进行铝液的精炼
当实验原料全部熔化后,加入镁,加入前先用一层铝箔包好,再加入,放置镁过多的烧损。接着就是扒渣,再经过30分钟后通入惰性气体氩气进行精炼,精炼的时间应在15分钟左右;通气体是不宜过大,过大易使铝液飞溅伤人;先调好通入气体的大小,放入铝液中静止再进行气体大小的调整。精炼好的铝液再静止20分钟以上再扒渣,等铝液温度到达实验需要温度即可进行浇铸。
3)浇铸
在浇铸之前,先进行把浇具和撇渣勺拿出,让其冷却好,便于浇铸者进行下一步的操作。接着测模具和铝液的温度;最后根据浇铸方案5、方案6进行浇铸,浇铸时,要记录好浇铸的时间。等铸件冷却,打开模具并取出铸件,把模具表面清理干净,检查涂层是否有脱落,有损坏就先放入烘炉中加入,再涂好涂层。若涂层未有破损,直接放入烘炉中,为下一组浇铸做准备。
4)实验数据(表7、表8得到的实验数据是实际在铸造过程中记录中得到的)
表7 实际浇铸过程的数据
浇铸方案 1 2 3
浇铸温度(℃) 725 725 715
模具温度(℃) 433 410 381
充型时间(s) 5 5.8 8.2
表8 实际浇铸过程的数据
浇铸方案 1 2 3
浇铸温度(℃) 751 725 694
模具温度(℃) 430 410 420
充型时间(s) 5 5.8 6.6
5)铸件处理
根据实验数据,先在ProCAST软件上模拟铸件产生氧化夹杂的位置,在铸件的相应位置进行切割。把已切好的金相样品按照磨金相的步骤进行操作;先用粗砂纸继续粗加工,再用细砂纸进行磨光;接着进行抛光。进行金相分析和扫描电镜分析,分析金相组织存在的缺陷。
实验结果与ProCAST数值模拟的对比
(1)软件模拟结果分析并确定切样位置
软件模拟过程结合表7和表8浇铸过程的数据设置参数,共进行两组模拟,每组又分为3次进行模拟,共进行6次模拟。模拟完成后,进行紊流位置的确定,预测氧化夹杂缺陷的相应位置,并进行铸件切割。
3、结论
(1)使用ProCAST软件对ZL105合金的充型凝固过程进行数值模拟时,采用多种实验方案进行模拟,并结合实际的实验结果进行对比,通过实验结果与模拟的结果进行对比,发现模拟结果与实验结果有许多地方是相同。
(2)使用ProCAST软件预测铝合金的充型凝固过程产生紊流的位置,从而确定氧化夹杂缺陷产生的位置,有益于实际的生产,对减少成品的报废,减少生产的成本是有益的。
(3)浇铸温度751℃,充型时间5s,模具温度430℃的方案得到的铸件,铸件的氧化夹杂较少,所以选该方案进行浇铸较为合理。
参考文献:
[1]徐玉桥,于梅.金属液充型过程中夹杂物运动的数值模拟[J].沈阳工业大学学报,2017(4):392-395.
[2]徐慧娟.铸件凝固数值模拟及铸造工艺 CAD 概述[J].重庆工学院学报,2001,15(2):82-84.
[3]米国发,赵恒涛,王狂飞.Al-Si合金(A357)重力铸造充型及凝固过程模拟[J].河南理工大学学报,2007,26(5):479-483.
基金项目:
2019年度广西高校国家级大学生创新创业训练计划项目(201910609009)。