原標(biāo)題：稀土鎂合金壓鑄工藝數(shù)值模擬及正交試驗(yàn)研究。

摘要：采用數(shù)值模擬的方法，研究了鎂合金壓鑄件充型凝固過(guò)程。基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析了澆注溫度、模具溫度、壓射速度和保壓時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)縮松、縮孔、熱裂傾向指數(shù)的影響。結(jié)合模擬結(jié)果，獲得了最佳的壓鑄工藝參數(shù)：澆注溫度為690 ℃，壓射速度為8 m/s，模具溫度為240 ℃，保壓時(shí)間為7 s。優(yōu)化后的工藝參數(shù)減少了鑄件的縮松、縮孔和熱裂傾向指數(shù)，用該工藝參數(shù)進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)，獲得了質(zhì)量良好的鎂合金壓鑄件，并對(duì)缺陷位置及微觀組織進(jìn)行了驗(yàn)證。

鎂及其合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有高比強(qiáng)度、比剛度、高可回收性和商業(yè)可用性；鎂合金有望部分替代鋁合金和鋼，因此，它在電子、汽車(chē)和航空航天工業(yè)中的應(yīng)用引起了極大的關(guān)注。高壓壓鑄（HPDC）是一種高效、經(jīng)濟(jì)的精密制造方法，可用于不同行業(yè)鎂合金零件的大規(guī)模生產(chǎn)。目前，大約90%的鑄造鎂合金由HPDC制造，HPDC工藝的顯著特點(diǎn)是在凝固過(guò)程中有著高冷卻速率。但在鑄造過(guò)程中，產(chǎn)生的缺陷會(huì)對(duì)鑄件的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化力學(xué)性能和控制其可變性是非常耗時(shí)的。因此，提出了一種試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法來(lái)解決這一問(wèn)題。

Visput等使用Magmasoft對(duì)汽車(chē)鋁合金零件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了壓射速度、澆注溫度對(duì)鑄件品質(zhì)的影響，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。王洪波等使用ProCAST對(duì)齒輪箱箱體的鑄造過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同的加壓壓力對(duì)鑄件的影響，獲得了最佳壓力參數(shù)。朱洪軍研究了不同工藝參數(shù)對(duì)縮孔含量的影響。潘成剛等研究了影響壓鑄模壽命的因素，發(fā)現(xiàn)模具溫度對(duì)壓鑄模具壽命影響最大。Wang等利用有限元分析軟件ProCAST對(duì)鎂合金雷達(dá)殼體進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)壓射速度、澆注溫度、模具溫度進(jìn)行了優(yōu)化，得到了最佳工藝參數(shù)。

本研究利用有限元分析軟件ProCAST中HPDC模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的缺陷位置及容易產(chǎn)生熱裂的區(qū)域，優(yōu)化工藝方案，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考，使鑄件縮松、縮孔和熱裂傾向指數(shù)降低，綜合性能提高。

1.零件結(jié)構(gòu)分析

該鎂合金材料為Mg-Zn-La-Ce-Zr，表1是其化學(xué)成分。鑄件高度為537.2 mm，寬度為476.4 mm，厚度為63.6 mm，如圖1所示。鑄件的形狀較為復(fù)雜，壁厚相差較大，對(duì)工藝設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置要求較高。該鑄件主要由熱裂傾向試樣、拉伸試樣、沖擊試樣、壓縮試樣、扭轉(zhuǎn)試樣、鹽霧腐蝕試樣、臺(tái)階試樣、薄片試樣和蛇形試樣構(gòu)成，可以評(píng)估材料的流動(dòng)性能、充型性能、物理性能和化學(xué)性能。其中，熱裂傾向試樣的設(shè)計(jì)參考了Cao等的設(shè)計(jì)方案，以圓球和五根不同長(zhǎng)度的長(zhǎng)桿組成，凝固時(shí)圓球與長(zhǎng)桿之間形成熱節(jié)，用來(lái)評(píng)估其連接開(kāi)裂情況。圓球直徑18.5 mm，長(zhǎng)桿直徑9.8 mm，長(zhǎng)度L分別為85 mm、120 mm、195 mm、230 mm、270 mm。

表1 鎂合金的化學(xué)成分 wB/%

圖1 壓鑄件三維模型圖

2.數(shù)學(xué)模型的建立

對(duì)于鑄件充型過(guò)程的數(shù)值模擬，通常將高溫金屬液近似為穩(wěn)態(tài)、湍流、不可壓縮的流體，流動(dòng)過(guò)程遵從能量守恒、動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒，可以用以下控制方程來(lái)描述，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流兩方程模型，參見(jiàn)文獻(xiàn)。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

體積函數(shù)方程：

式中：t為時(shí)間，s；x為位移，m；ρ為密度，kg/m³；P為流體壓強(qiáng)，N/㎡ ；μ為運(yùn)動(dòng)粘度，m/s²；g為重力加速度，m/s² ；Cp 為熱容，J/（kg·k-² ）；λ為熱導(dǎo)率，W/（㎡·K）；U為速度，m/s；T為溫度，K；Q為熱源，K；L為結(jié)晶潛熱，J/g；fs 為固相率；F為相體積分?jǐn)?shù)。

3.熱物性參數(shù)及邊界條件

對(duì)鑄件模型采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，面網(wǎng)格總數(shù)為157 330，體網(wǎng)格總數(shù)為676 988。模具材質(zhì)選用H13鋼，鑄件和模具之間的換熱系數(shù)設(shè)定為1 000，冷卻方式為空冷。型殼的應(yīng)力參數(shù)定義為剛性，合金的應(yīng)力參數(shù)定義為彈塑性，設(shè)置鑄件X、Y、Z方向上的位移為0，保壓壓力設(shè)定為70 MPa。熱物性參數(shù)中熱導(dǎo)率、密度、固相率、粘度由ProCAST內(nèi)置軟件計(jì)算直接得出，熱容、結(jié)晶潛熱由Pandat基于熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算得出，導(dǎo)入ProCAST進(jìn)行計(jì)算，其中L為334.96 J/g。具體熱物性參數(shù)如圖2所示。

圖2 熱物性參數(shù)

4.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

諸多因素可以對(duì)鑄件的品質(zhì)產(chǎn)生影響，如模具預(yù)熱溫度、澆注溫度、壓射速度、保壓時(shí)間等。本文試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是為了獲得縮松、縮孔和熱裂傾向指數(shù)較小的高質(zhì)量鑄件，且要盡量減少壓鑄時(shí)間。正交試驗(yàn)是一種高效的多因素分析方法，通過(guò)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，可以得出每個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響趨勢(shì)，從而獲得最優(yōu)工藝參數(shù)。因此采用正交試驗(yàn)的方法，以澆注溫度（A）、模具溫度（B）、壓射速度（C）、保壓時(shí)間（D）為因素，縮松、縮孔、熱裂傾向指數(shù)為指標(biāo)建立四因素三水平正交試驗(yàn)。表2為因素水平表，表3為正交試驗(yàn)結(jié)果。

表2 四因素三水平表

表3 L9（3 4 ）正交試驗(yàn)結(jié)果

縮松、縮孔僅統(tǒng)計(jì)中間部分的零件，澆注系統(tǒng)和溢流槽中缺陷體積排除在外；熱裂傾向指數(shù)HTI（HotTearing Indicator）通過(guò)選取鑄件中各個(gè)部位具有代表性的節(jié)點(diǎn)，比如模型中的薄壁區(qū)、厚壁區(qū)、遠(yuǎn)端以及薄厚連接過(guò)渡區(qū)等，如圖7所示。將這些節(jié)點(diǎn)的熱裂傾向指數(shù)進(jìn)行相加，作為每組工藝參數(shù)下熱裂傾向的評(píng)價(jià)指標(biāo)。HTI熱裂紋預(yù)測(cè)模型通過(guò)計(jì)算固相分?jǐn)?shù)在50%和99%之間的網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)的塑性總應(yīng)變的積累值，來(lái)衡量鑄件在不同節(jié)點(diǎn)處的熱裂紋敏感性。值得注意的是，該模型只能給出熱裂紋預(yù)測(cè)的敏感可能性，并不能判斷是否一定會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。

式中：ts為溫度達(dá)到固相線溫度時(shí)的時(shí)間，s；tc 為溫度達(dá)到晶粒相互接觸時(shí)的時(shí)間，s；圖片為等效應(yīng)變速率。

5.模擬結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果，分析鑄件縮松、縮孔、鑄件熱裂傾向指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 極差分析表

5.1 縮松、縮孔的極差分析

針對(duì)縮松、縮孔的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如圖3所示。可知，澆注溫度對(duì)縮松、縮孔的影響尤為顯著，澆注溫度越高，鑄件整體溫度分布越不均勻，不利于凝固，故鑄件的縮松、縮孔呈增加的趨勢(shì)；模具溫度越高，鑄件的縮松、縮孔呈逐漸減小的趨勢(shì)；壓射速度越大，充型過(guò)程中金屬液的流動(dòng)狀態(tài)越紊亂，縮松、縮孔呈先增加后減小的趨勢(shì)；保壓時(shí)間越長(zhǎng)，縮松、縮孔呈先減小后增加的趨勢(shì)。壓鑄工藝參數(shù)對(duì)縮松、縮孔的影響程度由大到小依次為：澆注溫度、模具溫度、壓射速度、保壓時(shí)間。

圖3 縮松縮孔的均值

5.2 熱裂傾向指數(shù)的極差分析

針對(duì)熱裂傾向指數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如圖4所示。可知，澆注溫度越高，鎂合金氧化越嚴(yán)重，且容易產(chǎn)生黏膜，在凝固過(guò)程中增大了鑄件的收縮力，鑄件的熱裂傾向指數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；模具溫度越高，鑄件凝固時(shí)的冷卻速率越低，溫度梯度越小，鑄件凝固得越均勻，鑄件的熱裂傾向指數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；壓射速度越大，鑄件的熱裂傾向指數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)；保壓時(shí)間越長(zhǎng)，鑄件的熱裂傾向指數(shù)先增加后減少。壓鑄工藝參數(shù)對(duì)熱裂傾向指數(shù)的影響程度由大到小依次為：澆注溫度、模具溫度、壓射速度、保壓時(shí)間。

圖4 熱裂傾向的均值

6.優(yōu)化方案數(shù)值模擬

據(jù)優(yōu)化出的工藝參數(shù)對(duì)鎂合金壓鑄件進(jìn)行數(shù)值模擬，鑄件充型過(guò)程、缺陷分布、熱裂結(jié)果預(yù)測(cè)分別見(jiàn)圖5-圖7。

圖5 鎂合金壓鑄件充型模擬過(guò)程圖

由圖5可知，金屬液經(jīng)過(guò)澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔內(nèi)，先填充左右兩部分，然后向中間蛇形區(qū)域填充，直到鑄件被填滿，充型過(guò)程完畢。在充型過(guò)程中，速度較快，耗時(shí)較短，鑄件金屬液溫度均在液相線溫度以上，避免了產(chǎn)生冷隔缺陷。

由圖6可知，隨著鑄件凝固的進(jìn)行，體積小的區(qū)域率先凝固，使得凝固后期體積大的區(qū)域無(wú)法獲得足夠的金屬液進(jìn)行補(bǔ)縮，因此這些區(qū)域容易出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。

圖6 縮孔、縮松分布及統(tǒng)計(jì)區(qū)域

由圖7可知，鑄件的薄厚過(guò)渡區(qū)域和圓角較大區(qū)域的熱裂傾向性較大，如圓球與長(zhǎng)桿的連接處、不同厚度臺(tái)階的過(guò)渡區(qū)等，這些部位是應(yīng)力集中區(qū)域，其他區(qū)域熱裂傾向性較低。

圖7 熱裂預(yù)測(cè)結(jié)果及節(jié)點(diǎn)選取位置

以縮松、縮孔及熱裂傾向指數(shù)為主要參考因素，依據(jù)極差分析結(jié)果可得，第3組縮松、縮孔最少，為0.740 0 m³；熱裂傾向指數(shù)最小，為0.165 0，故實(shí)際生產(chǎn)中按照缺陷數(shù)量和熱裂傾向指數(shù)最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，即第3組工藝參數(shù)：澆注溫度690 ℃、模具溫度240 ℃、壓射速度8 m/s、保壓時(shí)間7 s。

7.生產(chǎn)驗(yàn)證

選用FRECH QC830冷室壓鑄系統(tǒng)，利用優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)。圖8a為生產(chǎn)出來(lái)的鑄件，圖8b為熱裂傾向試樣的細(xì)節(jié)照片，圖中試樣熱裂傾向較小，無(wú)熱裂紋的產(chǎn)生。此鑄件尺寸較小，為了驗(yàn)證模擬的指導(dǎo)意義，使用模擬結(jié)果最差的工藝參數(shù)澆注鑄件，即正交表中第7組參數(shù)：澆注溫度為730 ℃、模具溫度為200 ℃、壓射速度為8 m/s、保壓時(shí)間為5 s，如圖9c、d所示。圖中合金熱裂傾向試樣充型完好，無(wú)熱裂紋的產(chǎn)生，但薄片試樣和臺(tái)階試樣厚度較小區(qū)域無(wú)法完全充型。

圖8 鎂合金壓鑄件照片

對(duì)于此鑄件，熱裂傾向試樣數(shù)量最多，以長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度由短到長(zhǎng)分別記為試樣1、2、3、4、5。以試樣3為例，選取一些點(diǎn)進(jìn)行缺陷位置驗(yàn)證，如圖9所示。

圖9 選點(diǎn)示意圖

按照?qǐng)D的取點(diǎn)部位，對(duì)最優(yōu)工藝參數(shù)組合中的熱裂傾向試樣3橫截面進(jìn)行切割，結(jié)果如圖10所示。可見(jiàn)在點(diǎn)4截面處存在縮松、縮孔缺陷，中心部位尤為明顯，其他部位無(wú)缺陷產(chǎn)生，這和數(shù)值模擬的結(jié)果相一致。

圖10 試樣3不同位置模擬與試驗(yàn)結(jié)果

采用ProCAST中CAFé模塊對(duì)以上四個(gè)截面進(jìn)行微觀組織模擬，采用的形核和生長(zhǎng)參數(shù)為：面形核?T s.max =36 ℃、?T s.σ =1.0 ℃、n s.max =4.110 9 m-² ，體形核?T v.max =8 ℃、?T v.σ =2.5℃、n v.max =7.810 14 m-³ ，生長(zhǎng)參數(shù)為α 2 =1.0×10 -7 ms-¹ ℃-² 、α 3 =3.5×10 -8 ms-¹ ℃-³。四個(gè)截面表面和中心的微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和模擬結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明，模擬得到的晶粒形貌與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖11 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

8.結(jié)論

（1）對(duì)稀土鎂合金鑄件進(jìn)行了壓鑄工藝數(shù)值模擬，得到了優(yōu)化后的工藝參數(shù)：澆注溫度為690 ℃，模具溫度為240 ℃，壓射速度為8 m/s，保壓時(shí)間為7 s。
（2）建立鎂合金壓鑄的正交試驗(yàn)，得出澆注溫度對(duì)縮松、縮孔和熱裂傾向指數(shù)綜合影響相對(duì)較大。
（3）根據(jù)鎂合金壓鑄的數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)行了壓鑄試驗(yàn)，獲得鑄件表面平整、光滑，沒(méi)有明顯的裂紋等缺陷，并且對(duì)缺陷位置和微觀組織進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

作者

彭湃 吳廣新 馬征 王波 張捷宇
海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院  
上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

本文來(lái)自:《鑄造》雜志