（工程热物理专业论文）锌铝合金凝固过程数值模拟及试验研究.pdf

摘要 摘要 锌铝合金作为一种铜的替代材料，在近年来受到越来越多的关注和研究， 但高铝锌合金固液相区间温度高，在铸造过程中易出现组织缩孔缩松现象，、特 别在大尺寸的铸件中，限制了其在工程领域的使用。本文以含a 1 量9 9 6 的锌铝 合金为研究对象，对大直径( 11 4 r a m ) 的圆柱形合金锭的铸造过程进行研究。 1 建立了普通金属型铸造试验条件下的大直径锌铝合金的几何及物理模型， 利用p r o c a s t 软件对锌铝合金锭的凝固传热过程进行模拟，得到铸锭凝固过程 的温度场分布，并对凝固过程的缩松情况进行分析预测，得到了铸锭的缩松及 收缩体积分数分布，模拟结果与试验吻合。 2 在数值分析的基础上，利用正交试验分析法研究浇铸温度、不同铸型预热 温度、不同表面换热系数等工艺参数对铸锭的缩松情况的影响。 3 为了获取质量优良的锌铝合金锭，本文讨论了在金属凝固过程中机械振动 和压力对金属凝固的影响，并将压力和振动两种工艺引入锌铝合金锭的浇铸过 程中，自制了能承受压力和振动的铸型。分别在振动、压力以及振动与压力的 组合条件下制得锌铝合金锭。 4 为了研究振动及压力对锌铝合金的质量影响，对所制得合金锭进行取样分 析，通过与普通金属型铸锭试样进行对比我们发现振动和压力均能使锌铝合金 的组织细化，力学性能得到提高；随着压力的增大，抗拉强度也程上升趋势；振 动和压力的组合能使合金的性能得到进一步的提升，当压力达到1 o m p a 时，锌 铝合金的平均抗拉强度从常态的1 7 5 6 3 m p a 上升到2 3 2 3 m p a ，但是压力的增加， 对振动有一定的抑制作用。 关键词：锌铝合金；凝固传热；铸造；振动；压力 a b s t r a c t a b s t r a c t z i n ca l l o y , a sa l la l t e r n a t i v em a t e r i a lf o rc o p p e r , w a sp a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，b u tt h et e m p e r a t u r eb e t w e e ns o l i d l i q u i dp h a s eo ft h ez i n c a l l o yw a sl a r g e ，e s p e c i a l l yf o rt h ez i n ca l l o yw i t hh i 【g ha l u m i n u mc o n t e n t ，w h i c h m a k e st h es h r i n k a g ep o r o s i t ya n d s h r i n k a g ec a v i t yp r o n e t oh a p p e nd u r i n gt h ec a s t i n g ， i nt h ec a s t i n g sw i t hl a r g es i z e ，t h es i t u a t i o nb e c a m es e v e r ea n dl i m i ti t su s ei nt h e e n g i n e e r i n gf i e l d i nt h i sp a p e r ，z i n c - a l u m i n u ma l l o yw i t ht h ea m o u n to f9 a iw a s u s e d ，c a s t i n gp r o c e s so ft h ec y l i n d r i c a la l l o yi n g o tw i t hl a r g ed i a m e t e r ( 11 4 m m ) w a s s t u d i e d i t h e g e o m e t r i ca n dp h y s i c a lm o d e l so ft h e m e t a lm o l dc a s t i n gp r o c e s so n c y l i n d r i c a la l l o yi n g o tw i t hl a r g ed i a m e t e rw a se s t a b l i s h e d ，t h e nt h e s o l i d i f i c a t i o n p r o c e s so ft h ez i n ca l l o yi n g o t sw a ss i m u l a t e db ys o f t w a r ep r o c a s t ，t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nd u r i n gs o l i d i f i c a t i o nw a so b t a i n e d , a n dt h es h r i n k a g ep o r o s i t y a n d v o l u m ef r a c t i o nw a sp r e d i c t e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l ta g r e ew i t ht h et e s t 2 b a s e do nn u m e r i c a la n a l y s i s ，o r t h o g o n a lt e s tm e t h o d w a su s e dt oa n a l y z et h e i n f l u e n c eo nt h es h r i n k a g eo ft h ei n g o tc a u s e db yd i f f e r e n tp a r a m e t e r ss u c ha sc a s t i n g t e m p e r a t u r e ，d i f f e r e n t m o l d p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e a n ds u r f a c eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t 3 i no r d e rt oo b t a i nz i n ca l l o yi n g o t sw i t hg o o dq u a l i t y , i m p a c to ft h em a c h i n e r y v i b r a t i o na n dp r e s s u r eo nt h ec r y s t a l l i z a t i o no ft h em e t a lw a sd i s c u s s e d ，m a c h i n e r y v i b r a t i o na n dp r e s s u r ew e r eu s e di nt h ec a s t i n gp r o c e s s e so fz i n c a l u m i n u ma l l o y i n g o ti nt h i sp a p e r n em o l dw h i c hc a nw i t h s t a n dt h ep r e s s u r ea n dv i b r a t i o nw a s m a d eb yo u r s e l v e s d i f f e r e n tz i n c - a l u m i n u ma l l o yi n g o t sw e r eo b t a i n e du n d e rt h e p r o c e s so fv i b r a t i o n ，p r e s s u r ea n dt h ec o m b i n e dp r o c e s sr e s p e c t i v e l y 4 i no r d e rt oi n v e s t i g a t ee f f e c t so fv i b r a t i o na n dp r e s s u r eo nt h eq u a l i t yo f z i n c - a l u m i n u ma l l o y ，s a m p l e sw e r eg o tf r o mt h ei n g o t sf o ra n a l y s i s ，c o m p a r i n gw i t h t h es a m p l e sf r o mt h en o r m a lc a s t i n g , i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a tt h es t r u c t u r ew a s r e f i n e du n d e rc a s t i n g p r o c e s sw i t hv i b r a t i o na n dp r e s s u r ea n dt h em e c h a n i c a l n i 些! 咝 _ _ i _ _ _ _ _ _ _ - _ l _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ - _ l _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ - - _ _ _ _ _ - - - _ 一。一 p r o p e r t i e sw e r ea l s oi m p r o v e d ；t h et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e da st h ep r e s s u r ei n c r e a s e s ； 耽ep e r f o r m a n c eo ft h ea l l o yc a nb ef u r t h e ri m p r o v e db yt h cc o m b i n a t i o no f v i b r a t i o n a n dp r e s s u r e ，w h e nt h ep r e s s u r er e a c h e s1 m p a , t h ea v e r a g et e n s i l es t r e n g t ho f z i n c a l u m i n u ma l l o yr o s ef r o man o r m a l1 7 5 6 3 m p at o2 3 2 3 m p a , b u ta st h ep r e s s u r e i n c r e a s e d ，t h ee f f e c to fv i b r a t i o nd e c r e a s e d k e yw o r d s ：z i n c - a l u m i n u ma l l o y ；h e a tt r a n s f e ri ns o l i d i f i c a t i o n ；c a s t i n g ；v i b r a t i o n ； p r e s s u r e i v 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 铸造锌铝合金作为一种新型的有色金属材料，近年来越来越受到人们的关 注。它具有较好的承载能力和耐磨性，同时摩擦系数较低，适用于代替纯铜及 部分铜合金制作轴瓦等耐磨零件；压铸锌铝合金强度、硬度已高于铝合金，可 用于替代铝铸件，流动性好，更适合于薄壁件的生产；比重比铸铁稍小，但加 工性能比铸铁好，强度略低于铸铁但耐磨性比铸铁好；锌铝合金还被广泛用于 模具制作等i l j 。 与铜相比，该材料有着良好的经济性【2 1 ，市场上锌的材料成本不足铜的三分 之一；锌的熔点较低，约为4 2 0 1 2 ，所以由矿石提炼和铸造过程能耗少，生产每 吨锌铸件耗电1 3 0 度，铜铸件耗电3 2 0 度，而锌铝合金对金属模具的损耗几乎 可以忽略，所以锌铝铸造生产成本只为铜合金的三分之一。另外锌铝合金还具 有良好的机械加工性能，铸造成形性和耐腐蚀性，导电导热性等【3 l 。随着这些年 来锌铝合金铸造技术的发展，锌铝合金的种类越来越多，应用越来越广。 上世纪七十年代后，铸造锌铝合金被列入a s t m 标准，国际上出现了z a 和 z a m a k 两大系列，z a 系列包括z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 和z a 3 5 四个种类，主要 用于重力铸造；z a m a k 包括2 号、3 号、5 号和7 号四个种类，主要用于压 力铸造锌合金，铸造锌铝合金主要成份如表1 1 所示【4 】。 标准化系列化之后，世界范围内迅速掀起开发应用锌铝合金的热潮，锌的 年产量也由上世纪七十年代的1 7 万吨增长到2 0 0 9 年的1 1 7 1 9 万吨。中国拥有 丰富的锌矿资源，地质储量排名世界第一，锌被我国列为非铁金属工业中优先 发展的主要金属之一。锌产业的快速发展使中国成为全球锌产量增加的主要来 源，近几年我国锌产量增长如表1 2 所示。开发利用锌合金取代铜合金和铝合金， 在节约能源和降低原材料成本以及合理使用本国资源方面具有重要意义l 蜘。 1 第1 章绪论 中国精炼锌 产量 产量年增长 率 增量占全球 增量比重 中国精练锌 消费量 消费年增长 率 供需缺口 2 5 2 22 7 6 13 1 6 03 7 3 14 0 3 74 2 7 9 8 o 9 5 1 4 5 1 8 1 8 2 6 o 9 5 7 8 6 5 7 1 8 1 8 9 1 2 4 1 72 8 5 33 1 6 63 5 3 13 7 9 94 0 4 6 2 1 9 1 8 0 1 0 59 2 1 1 o _ 0 6 1 1 5 2 0 0 7 6 2 3 8 6 5 2 3 3 2 第1 章绪论 1 2 铸造锌铝合金加工工艺简介 1 ) 压力铸造 压力铸造示意图如1 1 所示，是通过高压将液态或半固态浆料瞬间充满铸型 并快速凝固成型的一种方法。压铸锌合金由于冷却凝固速度极快，所得铸件晶 粒细小，机械性能很好。生产效率，经济效益也大大得到了提高【6 j 。所得的锌合 金部件尺寸范围可达0 3 - 4 0 0 r a m ，被广泛应用于汽车制造，医辽器械零件和日 用品的生产中。但是高压铸造设备成本高，模具在高压环境下工作寿命偏低。 _，麟 l ，铸型 _ ， i o 一 ，支撑授 搬 蟋 i 一 一搭件 ： 0 ( 2 9 ) 2 ) 第二类边界条件，给定边界上的热流密度值，表达式为： 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 一a 、 a t ) ，一厂2 ) t 0 ( 2 1 0 ) o n 7 式中：n 边界的法方向。 3 ) 第三类边界条件，给定边界与周围流体的交换系数h 及周围流体的温度 ，表达式为： 一a ( o t ) w h ( t w - ，) ( 2 1 1 ) 2 1 2 结晶潜热的处理 在凝固过程伴随着潜热的释放，这与其它导热过程显著不同。潜热的释放 大大降低了合金液的凝固速度。因此必须于以考虑，在以上三维导热方程中， 可将潜热项驴作为内部热源考虑。 妒肛鲁一p ta 眦ld o ；t ( 2 1 2 ) d z毗d f 式中：l 潜热。 亟固相率随时间变化率； 以 疋固相百分数。 胪瓦o t 一面8 【a 磊o t ) + 专( a 矽o t + 石8 a 瓦o t ) + p lo 啦f d o ；t ( 2 1 3 ) 移项可得： p ( c 一厶o 秕f , ) ，a o ；t 一丢( a 磊o t ) + 专q 考) + 丢q 兰) 由上式可知，处理潜热的关键问题是在于求固相率与温度问的关系，处理方 法如下【3 刀。 参考合仓的相图如图2 2 所示，由杠杆定律可得： 1 4 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 t | t t 趟 啊 。生 q m - ! l 兰 c f c o ，! 。! 凸 ! = ! ! 。i c t c s ( 1 - k o ) ( m c o + t t a c s 散姜o ：l 图2 2 相图分析示意图 其中：k 溶质平衡分配系数； m 液相线的斜率； q 液相中溶质浓度； c ，- 固相中溶质浓度； c o - 凝固前合金浓度。 正对t 求导得： 盟。竺鱼 甜( 1 - 七o x m c o + f 一) 2 结合上式中潜热项，可令 小雨南 它的物理意义可看成是金属在固液相间单位温降产生的热量。 有范围内有效比热表达式可写为： 1 5 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 则金属在所 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 乞m e - - l o ( 2 1 7 ) 在实际计算中，为了简化计算量，可假设固相率与温度成线性关系，即 l o l 纯- t , ) ( 2 1 8 ) 2 1 3 缩孔缩松产生及机理分析 图2 3 缩孔缩松示意图 铸件在凝固过程中，体积会发生收缩。在最后凝固部位有时会出现孔洞， 一般分为两种，容积大且分布集中的孔洞称为缩孔。细小而分散的孔洞称为缩 松。如图2 3 所示。 缩孔又分为一次缩孔和二次缩孔，一次缩孔是由金属液面下降产生的管简 形孔洞，二次缩孔发生在一次缩孔之下。缩松分为宏观缩松和微观缩松，宏观 缩松在厚壁中心部位产生，而微观缩松产生于枝状晶之间。缩孔缩松产生原因 十分复杂，一般来说主要有下面两方面的原因1 。 1 ) 凝固时的收缩流动及压降 金属从液态冷至固态过程要经过液态收缩、固液收缩和固态收缩等几个阶 段，前两个阶段都会使金属液面下降，促使一次缩孔的产生，在最后凝固部位 是一个整体凝固的过程，会形成一个糊状区域，在这个区域内，液面的下降流 动符合达西流动定理，会促使其内部的压力下降，进而产生缩孔和缩松。 2 ) 金属液成份的变化和气体的析出 凝固过程中，随着温度下降，气体的溶解度也会下降，气体向溶解度高的 高温液相扩散，随着液相成份的减少，当液体金属的压力p 低于某一临界压力 时，气泡就会析出，金属压力p 和临界压力分别可以用下式表示： p 一+ p 曲一p f 91 q 、 1 6 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 一只+ 2 a f 口一 式中： 一金属液面所受压力； p 职一液态金属产生的压力； a p 一金属流动产生的压力损失； 1 暑一气体压力； 2 a r 一一气泡在金属液中受到的表面张力引起的压力。 2 1 4 缩孔缩松预测模拟 ( 2 2 0 ) 从上面的分析可知，为了对铸件的缩孔缩松的位置及程度进行预测，首先 要预测其可能产生的位置，再通过对凝固过程收缩的体积进行计算得出缩孔缩 松的程度。目前国内外学者根据其形成机理，在对铸件进行温度场计算的基础 上，提出了很多种简单易行的预测判据。 1 ) 直接模拟法 直接模拟法通过上节中讲到的缩孔产生机理，直接联立凝固过程中的流动 能量方程连续性方程和达西流动方程组求出压力场，并找出小于气泡压力临界 点的位置，之后再计算出收缩体积分数。但该方法需要求解方程量多，计算量 大，耗用时间长。 2 ) 等温曲线判据 当金属液的温度低于临界固相温度时就失去流动补缩能力，该方法通过求 解凝固过程温度场，找出某个临界固相率温度曲线随时间变化，如果该曲线形 成了闭合回路，则意味着在该闭合回路以外的液态金属无法对其进行补缩，在 回路内会产生缩孔。金属液成份及铸造条件方法的不同，临界固相率也取不同 值，一般在0 5 0 8 之间。该方法找出了铸件凝固中必然产生缩孔的位置，也 就是充分条件，但是对于不在此范围而产生的缩孔却不能很好的预测。 3 ) 温度梯度判据 g 一温度梯度； 写一相邻未凝固单元温度； g 一哆 1 7 ( 2 2 1 ) 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 ，一固相线温度； 缸一相临单元离凝固单元距离。 该方法认为凝固过程中，最后凝固部位产生的固液两相糊状区域流动阻力 加大，是缩孔产生的地方，当计算到某个单元到达固相线温度值时，求出与其 相临的所有未凝固单元的温度梯度值，若该值小于某临界值，就会产生缩孔。 该方法并没有直接计算凝固过程的流动阻力损失，而是通过温度梯度值来间接 反应流动阻力。 4 ) g z 判据删 mi g i 扛 ( 2 2 2 ) 式中：m 判据临界值； g 温度梯度； l 冷却速度。 其中温度梯度g 可由下式计算： g 。鹰2 + c 等2 + 营2他2 3 ) 冷却速度计算公式如下： l 。t m l - t i m + l( 2 2 4 ) z 。z 单元在历时刻的温度； t m + 1 i 单元在坍+ 时刻的温度； 缸时间步长。 与温度梯度法相比，该判据还考虑到了冷却速度对收缩情况的影响，比温 度梯度法的预测更准确，是对温度判据的改进。本文利用该判据进行铸锭中缩 孔缩松的预测。 2 2p r o c a s t 软件介绍 p r o c a s t 是由美国f _ 3 i 公司基于有限元方法开发的专用于铸造过程模拟求解 的软件，它适用于各种铸造，借助于强大的处理分析模块，它可对铸造中充型、 1 8 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 凝固和冷却过程中各种温度场、应力场、流场、等进行模拟分析。可以对铸造 过程中产生的绝大多数问题进行析，如缩孔缩松，热裂，冷隔，浇不足等等， 甚至还可进行工艺开发和模具寿命研究等，其模拟大致可分为六个步骤： 1 ) 几何模型的创建，所含的m e s h c a s t 模块除了自己具有建模能力外，还 可以接受利用很多大型几何建模软件输出的网格文件格式。 2 ) 通过m e s h c a s t 模块对输入的几何模型或接受的外来网格文件进行先 进行面网格分，再生成四面体网格。 3 ) 在p r e c a s t 模块中对要模拟对象条件进行设定，设定物性参数、边界条 件、初始条件和模拟参数等。 4 ) d a t a c a s t 模块对模型及前一步中模型的定义进行检测，输出错误及警 告信息。 5 ) p r o c a s t 根据所设问题需要调用各种求解模块，如传热分析模块，流体 分析模块等对设定的铸造过程进行分析计算。 6 ) v i c w c a s t 可以对计算所得的各种物理场和缩松等结果按用户需要进行 显示。 2 3 铸造锌铝合金凝固过程模拟 分析整个铸造过程凝固传热过程，做如下假设： 1 ) 辐射传热的影响对系统温度影响很小，可忽略不计； 2 ) 不考虑浇铸过程对金属液产生的影响，即模具中的液体初始时有均匀的 温度场； 3 ) 铸型内腔与铸锭完全接触； 4 ) 不考虑金属液凝固时的流动过程。 根据以上假设，可以将整个凝固传热过程分为铸型与周围环境的对流换热 和合金锭与铸型之间的导热过程。 2 3 1 几何模型建立及网格划分 利用m e s h c a s t 建立铸锭和铸型模型，如图2 4 所示，m e s h c a s t 首先对输入 几何体进行检查分析，再逐步进行面网格和四面体网格划分，网格划分大小要 1 9 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 综合考虑到计算精度和计算效率，之后对体网格划分质量进行检查，对坏网格 进行修复和优化，本文铸型及网格划分情况如图2 5 所示。 a 铸型几何模型 b 铸锭几何模型 图2 4 铸型及铸锭几何模型 a 网格划分图 b 网格划分情况 图2 5 铸型几何模型及网格划分情况 2 3 2 初始及边界条件 将生成的体网格文件导入p r e c a s t 模块，进行问题的设置，初始温度为浇 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 铸温度4 5 0 4 c ，铸型初始预热温度为2 2 0 。c ，周围环境温度2 0 。c 。本文铸造条件 下有两个界面，铸型外部与周围环境换热为典型空气自然对流冷却，取 l o w m 2 k 【4 l 】，由于不考虑铸件与铸型间的间隙，铸型内腔与铸件的界面由于 始终重合，设置为一致性界面( c o i n c ) ，取界面换热系数1 2 0 0 w m 2 k 。 2 3 3 材料及物性参数 模拟中采用的是宁波博威集团生产的锌铝合金，液相线4 2 3 1 2 ，固相线3 8 2 ，主要成分如表2 1 所示。 表2 1 试验材料成份表( 们) 在铸造过程随着合金温度的变化，各物性参数也在不断的变化当中，在模 拟中可以参考几个具体状态点的物性参数值来利用线性插值法近似得到整个温 度区间的参数值嘲，铸型采用低碳钢( s t e e l l o w _ c a r b o n ) 。铸型及试验材料物 性参数如图2 6 所示。 、 a 试验材料导热系数 2 1 b 试验材料比热 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 c 试验材料密度d 试验材料固相率 c 铸型材料热导率铸型材料密度 图2 6 铸型及铸锭材料物性参数 2 3 4 锌铝合金凝固温度场模拟 完成以上设置后，进行模拟运算，对所需结果按需要进行显示设置。 整个铸定各部位所需凝固时间如图2 7 所示。由于铸锭直径较大，在自然 冷却条件下，整个凝固进程所用时间较长，为6 0 4 3 s ，下部四周由于与铸型底部 以及侧面的冷却效果最先凝固，凝固向顶部中心逐步发展，呈现比较好的有序 性。 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 图2 7 铸锭各部位凝固时间图 如图2 8 所示为铸件在3 0 s 、9 0 s 、1 8 0 s 、4 0 0 s 、4 5 0 s 、时中部截面的 温度分布图，从图中可以看出铸件在凝固区间的温度大致变化过程，主要有以 下特征： 【0 24。l置蓁茎 甄二麓； ”“_ 1 删3 8 7 暑 3 2 e 4 3 1 0 9 瞄 霍粼 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 图2 8 不同时刻铸锭凝固温度场变化幽 1 前9 0 s 内等温线密度很高，表明这时铸件内的温度梯度大，这是因为开 始时的温度很高，内外温差大，导热剧烈使铸件迅速冷却。而随着凝固过程的 进行，冷却速度有所降低，这是因为一方面内外温差减少，另外一方面，铸件 达到凝固温度后开始释放潜热，潜热的释放进一步降低了冷却的速度，中心点 的温度变化图如图2 9 所示，从图中可以明显的看出凝固区间的曲线斜率很小。 t 帽。 j t o q 话6 划嘲。 蝈 狮j 衍 6 i j 赫；自 ￥qa 时1 吼 a b ，极差数大小反映的是因素对 试验结果影响的大小，因素极差大的，影响程度就越大，反之就越小。这表明 在本试验中，换热系数对锌铝合金铸锭缩松缩孔是主要的影响参数，它们的主 次顺序为： 换热系数_ 浇铸温度铸型预热温度。 图2 1 3 为利用正交分析软件得到的该试验的效应曲线图，可知浇铸温度为 4 8 0 。c 时，铸件产生的缩孔程度最小，5 0 0 。c 时程度最大，浇铸温度对铸造质量 的影响比较复杂，浇铸温度高时，金属液收缩量大，使缩孔倾向增大，甚至出 现热裂等。但铸造温度过低，又会使金属液流动性降低，造成浇不足，充型不 充分，铸件表面质量差等。 对于铸型预热温度，较高的预热温度能防止刚浇铸时金属液和铸型之间的 温差过大产生的金属液激冷，使铸件产生气孔，冷隔，缩孔，同时也会对铸型 造成热冲击，降低铸型的使用寿命。过高预热温度的提高会降低铸件刚浇铸时 的过冷度，形核速率冷却速度也会降低，对铸件质量不利。从图中可看出，2 0 0 。c 的预热温度缩松值最小。 表面换热系数从l o w m 2 k 上升到l o o w m 2 k 时，缩松值迅速减小。换 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 热系数的加大使冷却速度加大，过冷度也越大，使铸件质量得到提高。 图2 1 3 效应曲线图 综上所述，由正交试验所得到的最佳方案为浇铸温度4 8 0 。c ；铸型预热温 度2 0 0 。c ；铸型与周围环境换热系数2 0 0 w m 2 k ，该最佳案没有出现在试验 表里面，可以对最佳方案参数进行模拟。如图2 1 4 所示为最佳方案的铸锭各不 同部位凝固时间，铸锭完全凝固时间为1 7 1 2 s ，比在自然冷却条件下大大缩短。 图2 1 4 凝固时间图 图2 1 5 为最佳方案下铸锭凝固过程中不同时刻温度分布图，可以看出在最 后凝固时刻，在固相线附近等温线才形成了闭合回路，且所包含范围很窄。附 近的等温线密度比自然冷却时密度要大，这时该处及附近的温度梯度也比较大， 减少了缩松缩孔的产生时间。 3 0 盯伸伯馏伯的舱的明幅们。秣墨量轴 第2 章铸造锌铝合金凝同过程数值模拟 0 s 立 5 0 s 4 a o t 4 6 0 9 4 4 1 ，6 4 2 2 4 4 0 3 2 a 8 4 o a 6 4 8 3 4 6 。6 3 2 8 3 3 0 7 1 2 8 7 9 2 8 8 7 2 口5 2 a o 2 2 1 1 o 1 9 1 。e 4 日0 1 4 6 0 9 4 - 4 1 8 4 2 2 4 4 0 3 2 3 日4 o 3 6 4 8 3 6 8 a 2 0 3 3 0 7 1 2 a 7 日 2 6 8 7 2 4 9 5 2 3 0 2 2 1 1 o 1 9 1 。e 4 日o 1 4 6 0 9 4 - 4 1 b 2 2 4 4 0 3 2 3 日4 o 3 6 4 ，8 3 4 6 6 3 2 e a 3 0 7 1 2 8 7 e 2 6 8 。7 2 4 9 6 2 a o 2 2 1 1 o 1 9 1 。e 其缩松图如2 1 6 所示，缩松体积分数最大值为0 0 3 8 ，小于所有以上9 组 试验所得数值。 一 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 图2 1 6 最优方案缩松情况透视图 a 中心剖开图b a 部位局部放大图 图2 1 7 最优方案所得锌铝合金锭中心剖开图及中心局部放大图 图2 1 7 a 为浇铸温度4 8 0 。c ，铸型预热温度2 0 0 。c ，喷水冷却试验条件下得 到的锌铝合金锭中心剖开图，从图中可以看出整个剖面比较平整充实，没有出 现大范围明显的缩孔缩松现象，但是从a 部位中心局部放大图2 1 t o 中还可以看 出存在一些微观疏松的部位，这与正交试验模拟结果是吻合的。 2 5 本章小结 本章利用铸造p r o c a s t 软件对锌铝合金的凝固过程做了模拟，得到了铸造中 锌铝合金锭凝固过程内部的温度场分布及演变情况，并对铸锭内部缩松分布情 况进行了预测。与实际铸造试验条件下所得的铸锭的内部缩松情况对比，证明 3 2 第2 章铸造锌铝合金凝固过程数值模拟 了数值模拟结果的准确性。在此基础上，进一步利用正交试验法研究了浇铸温 度、铸型预热温度和铸型与周围环境换热系数等参数对合金锭内部缩松的影响， 正交结果得出在工艺参数为：浇铸温度4 8 0 。c ；铸型预热温度2 0 0 。c ；铸型与 周围环境换热系数2 0 0 w m 2 k 时，所得的铸锭缩松情况最轻，最大缩松体积 分数为0 0 3 8 。 3 3 第3 章锌铝合金压力及振动下结晶试验及设备 第3 章锌铝合金压力及振动下凝固试验及设备 3 1 试验流程 针对锌铝合金，尤其是大直径锌铝合金锭在铸造中容易出现的缩孔缩松现 象，本章中将振动和压力两种工艺利用到锌铝合金的铸造当中，研究这两个因 素对生产的锌铝合金锭的组织及力学性能的影响。具体试验过程如图3 1 所示： 薇动条件下锝 造实验 - 组织观察 i 一卜 i 压力与振动条1 1 铸锭取样卜净果分析对比1 件下铸造实验广 -协学性能测试l 振动条件下铸 - - 造实验 3 2 振动及压力装置 图3 1 试验流程图 如图3 2 所示为自制的能承受压力和振动的金属铸型。当金属熔液加热到 4 8 0 。c 时浇铸后，迅速将上盖闭上，高压气体通过降压阀从进气口通入，所用气 体为高压氮气，气压可通过气压调节阀来调节，整个过程可在5 - - - l o s 内完成。 压力保持时间为5 m i n 。 第3 章锌铝合金压力及振动下结晶试验及设备 密割盖 图3 2 压力及振动结晶铸型图 本文采用的是机械振动，加入振动工艺时，将铸型整体固定在振动台上， 振动装置示意图如图3 3 所示，振动电机通过振动台将振动传致固定于固定在其 上的铸型，振动电机频率可以通过变频器进行调节，调节范围在1 0 - - - 1 0 0 h z ，本 文振动频率设定为2 0 h z ，振动时间5 m i n 。 3 3 合金熔炼 图3 3 振动装置示意图 合金熔炼是铸造过程中的一个重要环节，熔炼装置如图3 4 所示，该过 程对熔融的金属有几个要求，一是加热温度得控制在一定范围内，太高或太低 的温度都会给铸造过程带来不利影响；二是要保证其化学成份在规定的范围内： 三是在铸造前尽量减少其中气体及夹杂物，以便铸造得到良好晶粒组织。 3 5 第3 章锌铝合金压力及振动下结晶试验及设备 浏澄日 妒盖 f 一，) 弋 目崎一一- - 4 i 拦呈 ， j k 洛_ i 。 r ，一 奉i ， 葚 i1 薹 e _ - e - ： 墓萋!、。 c p r1 t l lr1il 坩塌 像溢石棒 电鼹丝 图3 4 熔炼设备 对本实试采取的锌合金，要注意以下几点： 1 ) 合金料、坩埚和熔炼中使用的工具在使用前必须进行清洁，去除表面的 旧渣、油污、锈迹等。为防止其上的铁和其他杂质元素在操作过程中掺入合金 中影响成份，先将坩埚和工具预热到1 5 0 2 0 0 ，在工作表面上喷一层z n o 保 护涂料，之后重新加热至2 0 0 3 0 0 c ，以便能使工具中和涂料中水份彻底蒸发。 2 ) 熔炼温度的控制，本文使用的锌合金固相线为3 8 2 液相线为4 2 3 ， 加热的温度过高或过低都会对铸造效果产生不良的影响。温度过高不但是熔化 能量的损失，还会造成锌的氧化速度加快，使合金中的少量铝镁等元素烧损， 促使锌和坩锅反应加快，影响坩锅使用寿命等不良后果。温度过低时的合金流 动性差，不利于合金铸造成形。 根据试验的经验，通过刮渣时的观察可以初步估计加热温度的情况，若刮 渣后觉得熔液不太粘稠，也较清亮，起渣不是很快，说明温度合适；熔液过于 粘稠，则说明温度偏低：刮渣后液面很快泛出一层白霜，起渣过快，说明温度 偏高，应及时调整。 3 ) 在熔炼过程中易吸气及氧化产生夹杂，因此需要进行脱气及除渣精炼， 在加热至4 2 0 时，先后加入锌料重量0 2 , - - , 0 5 的脱气剂h s c 8 0 和除渣剂 h s 0 8 ，用钟罩压入熔液内部，缓慢进行搅拌，待其反应完毕，将熔液中的氧化 夹杂及气体排出。 4 ) 扒渣，将合金液上面的浮渣用扒渣勺轻轻搅动，以便使其与锌合金分 第3 章锌铝合金压力及振动下结晶试验及设备 离，在扒渣过程中尽可能避免搅动锌锅中合金液，以免使更多的合金液与空气 接触形成新的浮渣。熔融的合金暴露于空气中都会发生氧化，保留炉面一层薄 的浮渣可以阻止内部液体的进一步氧化，所以不需要过于频繁的扒渣。 3 4 压力及振动下的铸造试验 铸造前将铸型预热至1 5 0 0 c ，在型腔中用z n o 涂料进行涂刷以保护型腔， 之后再将铸型预热至2 5 0 ，铸型的预热可以除去涂料和铸型中的水份，还可以 通过预热温度来控制金属液的凝固速度，避免金属液冷却过快而造成冷隔、浇 不足、气孔等缺陷，另外还能减少因热冲击带来的模具寿命的减少。 试验按表3 1 中所示进行，采取压力和振动两个参数进行研究，浇铸温度和 铸型预热温度等其他参数不变，在研究振动和压力参数时，振动频率不变，对 于压力则选取几个不同值，以便于对比研究不同压力对组织和性能的影响情况。 表3 1 压力及振动试验安排 3 5 组织及性能检测 对制得的锌铝合金锭不同部位进行取样并做拉伸试验，试验在万能拉伸机 第3 章锌铝合金压力及振动下结晶试验及设备 上( 如图3 5 所示) 进行，拉伸试样尺寸如图3 6 所示。标距直径5 m m ，标距长 度2 5 m m 。 图3 5 万能拉伸试验 金相试样从浇铸试样的各个部位截取，粗磨、细磨、抛光，再用1 0 0 m l 水 + 2 0 9c r 2 0 3 + 1 5 9 硫酸钠溶液腐蚀3 0 s 后，在w h - 3 0 0 金相显微镜上对组织进 行观测采集。 3 6 本章小节 图3 6 拉伸试样尺寸图 为了获取组织和性能良好的锌铝合金锭，在前文对锌铝合金铸造过程易出 现的缩松等情况进行讨论的基础上，本章在铸造中引入的压力及振动两种工艺， 自行制造了能承受压力和振动的铸型，分别在压力、振动以及压力与振动的组 合的工艺下安排试验。压力选取0 2 、0 4 、0 7 、1 0 m p a 四个数值，振动频率为 2 0 h z ，振动及保压时间为5 m i n 。在此工艺参数基础上设计安排了在压力及振动 条件下的锌铝合金试验方案。 3 8 盏玉 第4 章压力及振动对锌铝合金影响 第4 章压力及振动对锌铝合金影响 4 1 振动对锌铝合金的影响 4 1 1 振动对宏观及缩松影响 图4 1 振动工艺下所得合金锭及中心剖面图 如图4 1 所示为在振动工艺下所得合金剖面图，从图中可以看出，在振动工 艺下，缩孔缩松基本消失，对截面顶部的凹坑深度进行测量，在常态下的凹坑 深度为1 1 5 m m ，振动下深度减少到5 2 m m ，可知振动能使凹坑明显减少，这是 因为振动促使贴紧铸型内腔的金属液发生游离，强制和中部对流运动，使中部 凹坑得到有效的填补】。 4 1 2 振动对凝固微观组织的影响结果及分析 由锌铝合金金相图4 2 可知，锌铝合金组织主要由初生卢富铝相和富锌的叩 相组成。其中黑色的粗大枝晶为卢相。富锌相，7 成亮色，晶界四周为共析体a + r 相，有指纹状形貌的为共晶组织h 5 1 。 3 9 第4 章压力及振动对锌铝合金影响 图4 2 锌铝合金二元相图 图4 3 a 、b 为常压下合金边部和中部的光学显微组织形貌。常压下其多为 层片状、树枝晶状。a 图可知，在紧贴铸锭金属合金表层( 细晶区) 的为柱状晶 区，它是一层粗大的、垂直于模壁的柱状晶粒。b 图中部为铸锭中心的较粗大且 随机取向的等轴晶区。加入振动的条件后，枝晶形态由粗大的树枝晶向细小的 树枝晶转变，并逐步呈现粒状、椭球状，晶粒得到了细化。 图4 3 在常压和非振动条件下锌铝合金凝固微观组织金相图 ( a ) 常压不施加振动边部；( b ) 常压不施加振动中部； ( c ) 常压施加振动边部；( d ) 常压施加振动中部 第4 章压力及振动对锌铝合金影响 1 ) 常压不振动时，边部呈柱状晶，内部呈等轴晶。 锌铝合金在常压下凝固，铸型温度为形成合金微观组织类型的主要外界因 素。铸锭金属合金表层为很薄的细小的等轴细晶区。附着其上的就是柱状晶区， 即图4 3 a 所示，铸件形成细晶区的过程中，铸型温度的升高使得过冷度降低， 形核速度n 在一定范围内随之减小，但是对晶粒长大的速度g 影响不大，晶粒 总是优先长大于散热最快方向的反方向，即通常是向外垂直于模壁的方向，由 内而外地形成柱状晶。随后结晶进入铸锭的中心部分，这时的过冷度已经大大 减小，剩余的合金液体的形核数量较少；同时溶液的温度逐渐趋于均匀化，散 热也失去方向性，在柱状晶上被冲下很多的多次晶轴的碎块和一些固体杂质颗 粒。故由以上两种作为形核中心，在晶区的各方向均匀长大成等轴晶，图4 3 b 。 2 ) 振动条件下，微观组织晶粒细化，组织均匀。 。 一零7 施加振动的外部条件所得合金组织，如图4 3 c 、d ，组织变得细化而均匀。 金属液体在凝固的过程中，由晶体形核特点决定了其树枝状态的晶体形态，在 机械振动外力条件下，枝晶自身生长粗大化的同时还有晶缩折断，当晶缩到一 定程度，由于剪切力的作用而折断，形成球状粒子。随着固相率的增加，晶粒 的相互碰撞逐渐起作用，碰撞可以促使晶缩的晶臂折断，同时使其钝化和球状 化。另外，由于外部的机械振动，使铸型内部形成一个剪切应力场m 1 。内部的 半固态合金组织在机械剪切力作用下，一部分的初生晶状组织的生长受到破坏， 从而使合金组织的晶粒趋于细小和圆整。此外，铸型内部气体的受迫振动对合 金溶液有微观搅拌作用，使新形成的晶核均匀分散，使组织均匀化。 4 1 3 振动对锌铝合金力学性能的影响 如图4 4 所示，分别从a 、b 、c 三个部位取出试样加工进行拉伸试验。 4 1 第4 章压力及振动对锌铝合金影响 图4 4 试样截取位置图 拉伸曲线图如图4 5 、4 6 所示，可以看出中部试样的抗拉性能明显低于外 部，这是因为中部区域为组织缩松较易出现的地方，力学性能降低。对比两图， 常态下铸造的最低抗拉力为3 0 1 2 k n ，而振动条件下有所提高，达到3 2 1 4 k n ， 外部试样最高抗拉力分别为3 8 4 9 和3 8 9 9 k n 。通过对所取的三个部位试样的抗 拉力取平均值计算，常态下和振动下试样的抗拉强度平均值分别为1 7 5 6 3 m p a 和1 8 7 6 9 m p a ，延伸率由1 2 提伸至1 6 。 、| j i 一。 ：一i ，j ，。“j ， a b c 。! 。厂一 。 一 一。 ： ，r 7 卜厂一“卜二 i ，j 一 * labc ， ，二” | f 够 。 |i 图4 5 常态下试样拉伸试验曲线图4 6 振动条件下试样拉伸试验曲线 对于金属的常温力学性能来说，一般是晶粒越细小，则强度和硬度越高， 同时塑性和韧性也越好。这是因为晶粒越细，塑性变形也越可分散在更多的晶 粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越细，