圖1：3種具有不同下落式高度的模型

原標題：基于Flow-3D的鋁合金鑄件低壓鑄造充型過程卷氣行為研究

摘要：基于Flow-3D軟件對3種不同結構的鑄件低壓鑄造充型過程進行數值模擬，分析了增壓速度和鑄件結構對充型過程中卷氣量的影響。基于模擬結果，分別選擇卷氣最嚴重和充型最平穩的兩種結構的模型，進行生產試制，并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。

隨著汽車輕量化的發展，鋁合金鑄件在汽車上應用越來越廣泛。汽車車身所應用的一些薄壁鑄件主要采用高壓鑄造，而一些復雜結構的鑄件如輪轂、發動機缸體和缸蓋等多數采用低壓鑄造成形。低壓鑄造具有充型平穩、速度可控，壓力下凝固利于補縮等特點。但是對低壓鑄造的充型過程不夠重視。近期，有研究者發現，如果低壓鑄造過程中的增壓速度過快，導致金屬液充型速度超過臨界充型速度值(0.5 m/s)，從而產生卷氣、卷渣缺陷，降低鑄件的力學性能。低壓鑄造充型過程中，增壓速度和鑄件的自身結構都會對卷氣缺陷產生影響，因此，本課題通過數值模擬和試驗相結合，對3種不同結構的平板型鑄件和不同的增壓速度進行了研究，明確了卷氣缺陷產生的原因，為低壓鑄造平穩充型的工藝設計提供參考。

1 試驗方法

主要考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質量的影響。

采用Flow-3D軟件，對3種不同模型和不同充型壓力進行了模擬。應用軟件中的卷氣模型，對不同方案充型過程中的卷氣量進行分析。將這3種模型保存為STL文件，分別導入Flow-3D中，將鑄件網格剖分為500萬，鑄件材料為ZL101A，澆注溫度為700℃，根據軟件自帶數據庫，合金粘度為0.0019Pa•s，模具材料選取H13鋼，預熱溫度為250℃，針對這3種模型，依次輸入增壓速度為2000、1200、600和300Pa/s進行模擬，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

根據模擬結果，選取卷氣量最大和最小的模型，進行生產試制。現場采用燃氣爐對ZL101A進行熔煉，用Al-10Sr和Al-5Ti-1B中間合金進行變質和細化精煉，除氣工藝采取除氣轉子通入氮氣，進行旋轉噴吹除氣工藝，其中，鑄造過程的參數設計與模擬的參數設置一致，為保證鋁合金狀態一致，本試驗在一個坩堝內完成。對成功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，拉伸試驗采用國際標準DIN EN ISO 6892-1。取力學性能最低的樣品，用SEM進行斷口分析，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

2 試驗結果與討論

2.1 充型過程模擬結果

以V3.1方案為例，觀察充型過程中的卷氣的分布情況，見圖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，卷氣嚴重；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布到鑄件中。

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生，并且分布情況有差別。

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中導出，見圖5。從卷氣量化分析結果可以看出，當沒有下落結構時，卷氣量隨著增壓速度的增大而增加；當有下落結構時，卷氣量隨著增壓速度的變化不明顯；同一種增壓速度下，增加下落結構的高度，卷氣量會明顯增加。因此，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4：不同方案的卷氣模擬結果

圖5：不同方案的卷氣量結果

2.2 實際鑄件力學性能與斷口分析

針對V1模型和V3模型，采用同樣的充型壓力速度300 Pa/s，進行了生產試制，每種模型分別生產了12件，見圖6，可見鑄件質量良好，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，其抗拉強度的平均值為178MPa，伸長率平均值僅為3.8%。選取帶有下落結構中抗拉強度低于160MPa的試樣，對斷口進行SEM分析，見圖8。可以看出，在斷口表面，存在較大的卷入型氧化皮缺陷，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：斷口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，并且大大降低鑄件的力學性能。

作者：孫晶瑩 樂啟熾 趙旭
東北大學材料科學與工程學院

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