1.東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.華晨寶馬汽車有限公司

摘要

使用FLOW-3D軟件對3種不同結(jié)構(gòu)的鑄件進(jìn)行低壓鑄造充型過程模擬，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。由模擬結(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)來進(jìn)行生產(chǎn)試做，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。

1.試驗(yàn)方法

主要觀察鑄件結(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(gè)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。

圖1 具有3種不同下落式高度的模型

使用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。具體方案的編號(hào)見表1

表1 不同模型和不同增壓速度的方案編號(hào)

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)試做。并對生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行鑄態(tài)力學(xué)性能分析，每個(gè)鑄件取4個(gè)M6的拉伸式樣，取樣位置見圖2，每種模型分析6個(gè)鑄件，共24個(gè)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)行斷裂面分析，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 確定分型面

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

圖3 充型過程卷氣模擬結(jié)果

圖4的仿真結(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。

圖4 不同方案的卷氣模擬結(jié)果

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(gè)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中匯出，見圖5。從卷氣量化分析結(jié)果可以看出，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(shí)，增壓速度會(huì)影響卷氣量。

圖5 研究流程圖

2.2 實(shí)際鑄件力學(xué)性能與斷裂截面分析

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)試做，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。選取帶有下落結(jié)構(gòu)中抗拉強(qiáng)度低于160MPa的試樣，對斷裂截面進(jìn)行SEM分析，見圖8。可以看出，在斷裂表面，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 斷裂截面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(huì)產(chǎn)生湍流，氧化皮折迭，形成卷氣缺陷，并且大大降低鑄件的力學(xué)性能。