通過優化冷卻控制消除熱裂

生產鑄件成本高昂，在極端情況下，生產剛一開始就會帶來危害：鑄件缺陷導致功能故障。開發周期越來越短增加了缺陷出現的風險。因此，我們越來越需要使用虛擬鑄件和工藝開發來提前減少風險。

雖然現在精準預測縮孔已成為汽車行業鑄造廠的標準之一，然而對某處熱裂的預測仍處于起步階段。盡管現在可以預測某些關鍵區域，但預測的熱裂缺陷數量通常超過實際發生的數量。因此，作為工藝開發的一部分，仍然須在試驗階段進行熱裂缺陷的預防。

MartinreaHonsel是一家全球輕金屬零部件供應商，也是MAGMASOFT®的老用戶，清晰地示范了如何使用模擬快速減少曲軸箱工藝開發過程中熱裂缺陷的產生。

在凝固過程中，由于冷卻速率不均，應力會在鑄件中產生。在達到固相線溫度之前，當應力超過了材料的抗拉強度，就會產生所謂的熱裂（圖1）。鑄件局部壁厚的較大差異，以及剛性型芯或模具引起的收縮受阻會促進熱裂的產生。

圖1：熱裂形成的主要因素

合金的凝固行為對于形成熱裂缺陷有重要影響。一般來說，當高于固相線溫度，顯微組織就會表現出脆性行為。即使是因熱收縮受阻而產生的很小的機械應變也會導致熱裂。如果合金的凝固溫度區間較小，則通常可以通過流動液態金屬液補縮熱裂。但是，如果合金的凝固溫度區間較大，液態流動會在早期受到密集的枝晶網狀結構的阻礙，不能補縮已經形成的裂紋，從而導致熱裂形成。常用于曲軸箱的A226合金具有很大的凝固溫度區間，因其易產生熱裂的特點被人們所熟知。

盡早發現可能出現的缺陷

為了分析鑄件關鍵區域，應力模塊(MAGMAstress)可以計算在凝固冷卻階段的任意時間點熱裂缺陷結果。當液態金屬液無法通過枝晶間縫隙的結構進行補縮時-評估局部應變率是計算熱裂判據的重要參數。同時也考慮到了熱裂傾向隨著凝固時間的增加而增加。
可以使用測試鑄件對熱裂判據進行調整和驗證：鑄造不同長度的測試棒，這些測試棒厚壁區域在凝固過程中收縮受阻（圖2）。導致在厚壁和薄壁過渡區域的應變最高，而且應變的大小隨測試棒的長度增加而變大，因此，最短的測試棒顯示了具有最低的熱裂傾向，而最長的測試棒顯示了具有最高的熱裂趨勢。

圖2:熱裂樣本裂紋敏感性計算

測試證實了模擬結果。最短的測試棒在任何測試中均未出現裂紋，而最長的測試棒在每個測試中均產生裂紋。與模擬結果相比，測試棒僅在一個位置出現裂紋，因為一旦第一個裂紋發生，應力立即被釋放消除。

利用熱裂判據，以便在早期識別出關鍵區域。該應力計算考慮了模具對鑄件的收縮阻礙，即使目前模擬計算能力強大，此模擬計算過程也非常耗時。為了減少所需的計算時間來優化鑄造工藝，比如更改現有鑄件的冷卻系統。Martinrea Honsel開發了一種方法：通過使用非常簡化的模型對容易發生熱裂的部位進行定性風險評估。此優化結果的通用性可以通過使用常規的熱裂缺陷預測（基于全應力計算）來驗證。

這個案例在低壓鑄造的試生產中，重復發生曲軸箱的熱裂缺陷，我們把此缺陷作為優化的起點，使用MAGMASOFT®應力模擬來重現熱裂發生的部位（圖3）。

圖3: 使用MAGMAstress預測曲軸箱的熱裂

Martinrea Honsel使用簡化的熱裂判據（SHC：Simplified Hot tear Criterion）評估了發生熱裂部位的凝固時間與受冷卻系統影響部位的凝固時間的差異。使用MAGMASOFT®的評估區域功能和“用戶結果”來生成和評估判據。

冷卻的啟動時間作為工藝變量，最小化SHC和縮孔作為優化目標。優化計算后的主效應圖（圖4）顯示冷卻時間為153秒時，SHC顯著降低。在此之后較晚的冷卻啟動時間，SHC沒有明顯的改善。

圖4: 冷卻啟動時間對熱裂傾向（SHC）和縮孔風險的影響

相反，如預期，隨著冷卻時間的增加，所選區域的縮孔會增加。從133秒及更長的冷卻啟動時間開始，縮孔沒有進一步的顯著增加。因此，在優化熱裂和縮孔這兩個目標之間存在典型的“目標沖突”。顯然，最優解的唯一可能的時間窗口是93到133秒。

驗證結果

為了驗證優化結果，大約在最佳窗口時間范圍的中間選擇了啟動時間，并進行了常規的應力模擬。所選區域的縮孔結果不是很嚴重，熱裂判據結果已經比原始情況有了顯著降低。在優化后的冷卻時間基礎上進行的鑄造試驗，關鍵部位既無熱裂也無縮孔。

該例子清晰地說明了基于應力的熱裂預測與簡化模型的有效組合，可以有效地分析不同的變量，從而可以識別鑄件中存在風險的部位，并識別出具有顯著影響的工藝變量。這樣，可以快速制定出鑄件的質量保證措施（圖5）。

圖5: 評估不同冷卻時間對熱裂風險的影響，并在實踐中驗證

Martinrea Honsel

自創始以來，Martinrea Honsel一直堅持延續性和創新性。該公司創始人Fritz Honsel于100多年前首次提出這兩個詞。多年來，該公司多次成功地將客戶的愿望和要求轉化為創新的工藝和產品。如今，Martinrea Honsel已成為汽車行業公認的產品研發和批量生產的合作伙伴。該集團在德國、西班牙、巴西、墨西哥和中國的工廠生產用于乘用車和商用車的發動機、變速箱、懸掛裝置、底盤以及機械工程和其他應用的鋁部件。