原標題：稀土鎂合金壓鑄工藝數值模擬及正交試驗研究。

摘要：采用數值模擬的方法，研究了鎂合金壓鑄件充型凝固過程。基于正交試驗設計，分析了澆注溫度、模具溫度、壓射速度和保壓時間等工藝參數對縮松、縮孔、熱裂傾向指數的影響。結合模擬結果，獲得了最佳的壓鑄工藝參數：澆注溫度為690 ℃，壓射速度為8 m/s，模具溫度為240 ℃，保壓時間為7 s。優化后的工藝參數減少了鑄件的縮松、縮孔和熱裂傾向指數，用該工藝參數進行壓鑄生產，獲得了質量良好的鎂合金壓鑄件，并對缺陷位置及微觀組織進行了驗證。

鎂及其合金是最輕的金屬結構材料，具有高比強度、比剛度、高可回收性和商業可用性；鎂合金有望部分替代鋁合金和鋼，因此，它在電子、汽車和航空航天工業中的應用引起了極大的關注。高壓壓鑄（HPDC）是一種高效、經濟的精密制造方法，可用于不同行業鎂合金零件的大規模生產。目前，大約90%的鑄造鎂合金由HPDC制造，HPDC工藝的顯著特點是在凝固過程中有著高冷卻速率。但在鑄造過程中，產生的缺陷會對鑄件的力學性能產生不利影響，通過試驗來優化力學性能和控制其可變性是非常耗時的。因此，提出了一種試驗和仿真相結合的方法來解決這一問題。

Visput等使用Magmasoft對汽車鋁合金零件進行數值模擬，研究了壓射速度、澆注溫度對鑄件品質的影響，并對工藝參數進行了優化。王洪波等使用ProCAST對齒輪箱箱體的鑄造過程進行了數值模擬，分析了不同的加壓壓力對鑄件的影響，獲得了最佳壓力參數。朱洪軍研究了不同工藝參數對縮孔含量的影響。潘成剛等研究了影響壓鑄模壽命的因素，發現模具溫度對壓鑄模具壽命影響最大。Wang等利用有限元分析軟件ProCAST對鎂合金雷達殼體進行了數值模擬，采用正交試驗設計對壓射速度、澆注溫度、模具溫度進行了優化，得到了最佳工藝參數。

本研究利用有限元分析軟件ProCAST中HPDC模塊進行數值模擬，預測可能出現的缺陷位置及容易產生熱裂的區域，優化工藝方案，為實際生產提供參考，使鑄件縮松、縮孔和熱裂傾向指數降低，綜合性能提高。

1.零件結構分析

該鎂合金材料為Mg-Zn-La-Ce-Zr，表1是其化學成分。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。鑄件的形狀較為復雜，壁厚相差較大，對工藝設計和參數設置要求較高。該鑄件主要由熱裂傾向試樣、拉伸試樣、沖擊試樣、壓縮試樣、扭轉試樣、鹽霧腐蝕試樣、臺階試樣、薄片試樣和蛇形試樣構成，可以評估材料的流動性能、充型性能、物理性能和化學性能。其中，熱裂傾向試樣的設計參考了Cao等的設計方案，以圓球和五根不同長度的長桿組成，凝固時圓球與長桿之間形成熱節，用來評估其連接開裂情況。圓球直徑18.5 mm，長桿直徑9.8 mm，長度L分別為85 mm、120 mm、195 mm、230 mm、270 mm。

表1 鎂合金的化學成分 wB/%

圖1 壓鑄件三維模型圖

2.數學模型的建立

對于鑄件充型過程的數值模擬，通常將高溫金屬液近似為穩態、湍流、不可壓縮的流體，流動過程遵從能量守恒、動量守恒和質量守恒，可以用以下控制方程來描述，湍流模型選取標準k-ε湍流兩方程模型，參見文獻。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

體積函數方程：

式中：t為時間，s；x為位移，m；ρ為密度，kg/m³；P為流體壓強，N/㎡ ；μ為運動粘度，m/s²；g為重力加速度，m/s² ；Cp 為熱容，J/（kg·k-² ）；λ為熱導率，W/（㎡·K）；U為速度，m/s；T為溫度，K；Q為熱源，K；L為結晶潛熱，J/g；fs 為固相率；F為相體積分數。

3.熱物性參數及邊界條件

對鑄件模型采用六面體單元進行網格劃分，面網格總數為157 330，體網格總數為676 988。模具材質選用H13鋼，鑄件和模具之間的換熱系數設定為1 000，冷卻方式為空冷。型殼的應力參數定義為剛性，合金的應力參數定義為彈塑性，設置鑄件X、Y、Z方向上的位移為0，保壓壓力設定為70 MPa。熱物性參數中熱導率、密度、固相率、粘度由ProCAST內置軟件計算直接得出，熱容、結晶潛熱由Pandat基于熱力學數據庫計算得出，導入ProCAST進行計算，其中L為334.96 J/g。具體熱物性參數如圖2所示。

圖2 熱物性參數

4.正交試驗設計

諸多因素可以對鑄件的品質產生影響，如模具預熱溫度、澆注溫度、壓射速度、保壓時間等。本文試驗目標是為了獲得縮松、縮孔和熱裂傾向指數較小的高質量鑄件，且要盡量減少壓鑄時間。正交試驗是一種高效的多因素分析方法，通過正交表設計試驗，可以得出每個因素對試驗指標的影響趨勢，從而獲得最優工藝參數。因此采用正交試驗的方法，以澆注溫度（A）、模具溫度（B）、壓射速度（C）、保壓時間（D）為因素，縮松、縮孔、熱裂傾向指數為指標建立四因素三水平正交試驗。表2為因素水平表，表3為正交試驗結果。

表2 四因素三水平表

表3 L9（3 4 ）正交試驗結果

縮松、縮孔僅統計中間部分的零件，澆注系統和溢流槽中缺陷體積排除在外；熱裂傾向指數HTI（HotTearing Indicator）通過選取鑄件中各個部位具有代表性的節點，比如模型中的薄壁區、厚壁區、遠端以及薄厚連接過渡區等，如圖7所示。將這些節點的熱裂傾向指數進行相加，作為每組工藝參數下熱裂傾向的評價指標。HTI熱裂紋預測模型通過計算固相分數在50%和99%之間的網格中節點的塑性總應變的積累值，來衡量鑄件在不同節點處的熱裂紋敏感性。值得注意的是，該模型只能給出熱裂紋預測的敏感可能性，并不能判斷是否一定會出現熱裂紋。

式中：ts為溫度達到固相線溫度時的時間，s；tc 為溫度達到晶粒相互接觸時的時間，s；圖片為等效應變速率。

5.模擬結果分析

根據正交試驗的結果，分析鑄件縮松、縮孔、鑄件熱裂傾向指數，結果見表4。

表4 極差分析表

5.1 縮松、縮孔的極差分析

針對縮松、縮孔的統計結果進行極差分析，結果如圖3所示。可知，澆注溫度對縮松、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；模具溫度越高，鑄件的縮松、縮孔呈逐漸減小的趨勢；壓射速度越大，充型過程中金屬液的流動狀態越紊亂，縮松、縮孔呈先增加后減小的趨勢；保壓時間越長，縮松、縮孔呈先減小后增加的趨勢。壓鑄工藝參數對縮松、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、保壓時間。

圖3 縮松縮孔的均值

5.2 熱裂傾向指數的極差分析

針對熱裂傾向指數的統計結果進行極差分析，結果如圖4所示。可知，澆注溫度越高，鎂合金氧化越嚴重，且容易產生黏膜，在凝固過程中增大了鑄件的收縮力，鑄件的熱裂傾向指數呈現增加的趨勢；模具溫度越高，鑄件凝固時的冷卻速率越低，溫度梯度越小，鑄件凝固得越均勻，鑄件的熱裂傾向指數呈現減小的趨勢；壓射速度越大，鑄件的熱裂傾向指數呈現先減小后增加的趨勢；保壓時間越長，鑄件的熱裂傾向指數先增加后減少。壓鑄工藝參數對熱裂傾向指數的影響程度由大到小依次為：澆注溫度、模具溫度、壓射速度、保壓時間。

圖4 熱裂傾向的均值

6.優化方案數值模擬

據優化出的工藝參數對鎂合金壓鑄件進行數值模擬，鑄件充型過程、缺陷分布、熱裂結果預測分別見圖5-圖7。

圖5 鎂合金壓鑄件充型模擬過程圖

由圖5可知，金屬液經過澆注系統進入型腔內，先填充左右兩部分，然后向中間蛇形區域填充，直到鑄件被填滿，充型過程完畢。在充型過程中，速度較快，耗時較短，鑄件金屬液溫度均在液相線溫度以上，避免了產生冷隔缺陷。

由圖6可知，隨著鑄件凝固的進行，體積小的區域率先凝固，使得凝固后期體積大的區域無法獲得足夠的金屬液進行補縮，因此這些區域容易出現縮孔、縮松缺陷。

圖6 縮孔、縮松分布及統計區域

由圖7可知，鑄件的薄厚過渡區域和圓角較大區域的熱裂傾向性較大，如圓球與長桿的連接處、不同厚度臺階的過渡區等，這些部位是應力集中區域，其他區域熱裂傾向性較低。

圖7 熱裂預測結果及節點選取位置

以縮松、縮孔及熱裂傾向指數為主要參考因素，依據極差分析結果可得，第3組縮松、縮孔最少，為0.740 0 m³；熱裂傾向指數最小，為0.165 0，故實際生產中按照缺陷數量和熱裂傾向指數最優工藝參數進行試驗，即第3組工藝參數：澆注溫度690 ℃、模具溫度240 ℃、壓射速度8 m/s、保壓時間7 s。

7.生產驗證

選用FRECH QC830冷室壓鑄系統，利用優化的工藝參數進行壓鑄生產。圖8a為生產出來的鑄件，圖8b為熱裂傾向試樣的細節照片，圖中試樣熱裂傾向較小，無熱裂紋的產生。此鑄件尺寸較小，為了驗證模擬的指導意義，使用模擬結果最差的工藝參數澆注鑄件，即正交表中第7組參數：澆注溫度為730 ℃、模具溫度為200 ℃、壓射速度為8 m/s、保壓時間為5 s，如圖9c、d所示。圖中合金熱裂傾向試樣充型完好，無熱裂紋的產生，但薄片試樣和臺階試樣厚度較小區域無法完全充型。

圖8 鎂合金壓鑄件照片

對于此鑄件，熱裂傾向試樣數量最多，以長桿的長度由短到長分別記為試樣1、2、3、4、5。以試樣3為例，選取一些點進行缺陷位置驗證，如圖9所示。

圖9 選點示意圖

按照圖的取點部位，對最優工藝參數組合中的熱裂傾向試樣3橫截面進行切割，結果如圖10所示。可見在點4截面處存在縮松、縮孔缺陷，中心部位尤為明顯，其他部位無缺陷產生，這和數值模擬的結果相一致。

圖10 試樣3不同位置模擬與試驗結果

采用ProCAST中CAFé模塊對以上四個截面進行微觀組織模擬，采用的形核和生長參數為：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 ，生長參數為α 2 =1.0×10 -7 ms-¹ ℃-² 、α 3 =3.5×10 -8 ms-¹ ℃-³。四個截面表面和中心的微觀結構分析結果和模擬結果如圖11所示。結果表明，模擬得到的晶粒形貌與試驗結果基本一致。

圖11 模擬結果與試驗結果的對比

8.結論

（1）對稀土鎂合金鑄件進行了壓鑄工藝數值模擬，得到了優化后的工藝參數：澆注溫度為690 ℃，模具溫度為240 ℃，壓射速度為8 m/s，保壓時間為7 s。
（2）建立鎂合金壓鑄的正交試驗，得出澆注溫度對縮松、縮孔和熱裂傾向指數綜合影響相對較大。
（3）根據鎂合金壓鑄的數值模擬結果，進行了壓鑄試驗，獲得鑄件表面平整、光滑，沒有明顯的裂紋等缺陷，并且對缺陷位置和微觀組織進行了試驗驗證。

作者

彭湃 吳廣新 馬征 王波 張捷宇
海大學材料科學與工程學院  
上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室

本文來自:《鑄造》雜志