（材料学专业论文）基于magma的镁合金轮毂挤压铸造工艺数值模拟及优化.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文根据挤压铸造的工艺方法，使用德国m a g m a s o f t 公司的数值模拟软件 m a g m a ，对镁合金轮毂的成型情况进行了数值模拟，并对其进行了生产工艺的 优化。 挤压铸造设备采用国产普通挤压铸造机、镁合金熔炼炉以及相关的镁合金保 护气体在线发生装置，采用间接冲头挤压方式，对镁合金轮毂由中心进行浇注充 型。 本文在数值模拟过程中，首先，预测镁合金熔液的流动充型情况，进行浇注 系统的初步设计，然后在合理的挤压铸造工艺参数范围内，对其进行充型模拟， 得到镁合金熔液的实际流动充型情况，根据此模拟结果，改进浇注系统。得到合 理的浇注系统后，设定不同的充型速度，浇注温度，模具预热温度，保压压力等 具体参数，对镁合金轮毂生产过程进行模拟，根据充型速度场，充型温度场，凝 固温度场，以及缺陷预测等模拟结果比较分析，获得最佳工艺参数值，实现了生 产工艺的优化。 结果表明，对镁合金轮毂的生产过程进行数值模拟，根据最佳参数方案下的 铸件温度场，速度场，压力场等技术参数，可以准确的了解铸件的充型凝固过程， 同时预测出生产中可能出现的缺陷，为生产工艺的改进和优化提供了可靠的技术 保障。而且，根据模拟结果可以看出，采用挤压铸造的工艺方法生产的镁合金轮 毂，铸件质量优良，充分发挥出了挤压铸造的技术优势。 关键词：m a g m a s o f t 挤压铸造，数值模拟，镁合金，轮毂 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a - b s t r a c t t h i sp a p e rc a r r i e st h en u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o na b o u tt h ef o r m a t i o no fw h e e lh u b o nm o t o r c y c l eu s i n gm a g m a s o f t , a n di ta l s oo p t i m i z e st h ee r a f t w o r ka c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n t h eu s u a lh o m e - m a d es q u e e z ec a s t i n gm a c h i n e ，m e l t i n gf u r n a c ef o rm a g n e s i u m a l l o ya n do n l i n eg e n e r a t i n ge q u i p m e n to fp r o t e c t e dg a sa r eu s e di nt h ep r o c e s so f s q u e e z ec a s t i n g t h em e t h o do f v e r t i c a li n d i r e c tp i e r c e rs q u e e z ec a s t i n gi sa l s oa d o p t e d d u r i n gt h es i m u l a t i o n , f o r e c a s t i n gt h ef l o w i n gs i t u a t i o no fm e l ta n dd e s i g n i n gt h e p o u r i n gs y s t e mp r e l i m i n a r i l yi sc a r r i e df i r s t l y a f t e rm a k i n gt h ef i l l i n gs i m u l a t i o nw i t h i n t h er e a s o n a b l ec r a f t w o r kp a r a m e t e r s ，t h er e a lf l o w i n gs i t u a t i o na b o u tm a g n e s i u ma l l o y m e l ti so b t a i n e d a n dt h ep o u r i n gs y s t e mc a nb ei m p r o v e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n r e s u l t s a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n t s p e c i f i c p a r a m e t e r s ，s u c ha sf i l l i n gv e l o c i t y , p o u r i n gt e m p e r a t u r e ，p r e h e a tt e m p e r a t u r eo fm o u l d ， a n dp r e s s u r ee t c ，t h eo p t i m i z a t i o nc a l lb eo b t a i n e d i t i ss h o wt h a tt h ef i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fc a s t i n gc a l lb eu n d e r s t a n d p r e c i s e l yt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nu n d e ro p t i m i z e dp a r a m e t e r s a tt h es a m e t i m e ，t h ed e f e c t sf o r e c a s t i n go f f e r st h et e c h n o l o g yr e f e r e n c eo no p t i m i z a t i o no f c r a f t w o r k t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h eq u a l i t yo fc a s t i n gm a d eb ys q u e e z e c a s t i n gi ss u p e r i o r ，a n dt h ea d v a n t a g eo fs q u e e z ec a s t i n gi se x e r t e df u l l y k e y w o r d s ：m a g m a s o f t , s q u e e z i n gc a s t i n g ，w h e e lh u b ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重迭太堂 可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“，) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：勿够年厂月场日 o 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l绪论 1 1 引言 随着工业科技的持续高速发展，资源和环境的问题日益显现，可持续发展成 为了当今社会最为关注的问题。第一次工业革命以来，人类文明的发展便伴随着 各种资源的消耗。从某种意义上说，社会的进步是以资源的巨大耗费为代价的。 由于某些不可再生资源( 比如许多金属材料) 的过度使用，很多金属矿产资源随 着时间的延续而逐渐趋于枯竭。因此，在这种情况下，如何平衡资源的消耗和社 会的发展成了世界关注的焦点，社会的可持续发展问题紧迫的摆在了人类面前。 因此，如何利用本国优势资源替代日益耗尽的资源，发展本国经济成了世界各国 的重要研究方向。 我国在很多传统矿产资源上，与其他国家相比具有很大的劣势，铜矿贫乏， 铁的储藏量也不丰富，铝土矿的品质不高，因此，随着工业的持续发展，可持续 发展问题在我国显得尤其突出。但我国也有其他国家无法比拟的优势资源一镁， 据勘测，我国的镁资源特别丰富，菱镁矿储量居世界首位，约2 7 亿吨，占全球储 量的2 2 5 ；此外，在青海盐湖还有储量巨大、为我国所独有的廉价高品质镁资源。 镁作为一种轻质工程材料，具有比重轻、高比强度、高比刚度，以及良好的电磁 屏蔽能力、良好的铸造性能、易于再生利用以及优越的阻尼吸震降噪特性等一系 列独特的优点，是一种极具利用价值的资源。但由于多种因素，其潜力尚未充分 挖掘出来，开发利用远不如钢铁、铜、铝等成熟。在很多传统金属矿产趋于枯竭 的今天，镁金属材料的大量开发是解决社会可持续发展的一个有效途径，因此， 如何充分利用该材料，使之大规模替代那些贫乏资源便成了当今的一项紧迫任务。 2 0 0 0 年我国原镁产量已居世界首位，占全球产量的4 0 。但是由于国内还没 有形成镁加工产业体系，对镁应用领域的开拓非常滞后，2 0 0 0 年全国原镁产量的 8 0 以上作为初级原料低价出口。在国内消费的2 0 原料中，只有很少一部分以镁 合金压铸件形式用于桑塔纳轿车变速箱壳体，其余均作为合金制各等普通用途， 产业结构极不合理，使镁产业成为了典型的以牺牲资源和环境为代价的原料出口 型产业。因此，如何利用镁合金的诸多优良特性，推动镁合金在我国交通工具上 的应用及产业化，是将我国的镁合金资源优势转化为产品和技术优势的必然途径。 随着全球经济一体化进程的加速，如何降低能源消耗、提高能源利用率、减 少环境污染以及节约地球有限资源是当今人类所面临的个十分重要而紧迫的任 务。而产品的轻量化为该问题的解决提供了一个有效途径，特别是在制造加工业 中，产品的设计成为了实现轻量化的一个重要途径。将镁合金用于汽车、摩托车 重庆大学硕士学位论文l 绪论 的结构件上，能降低车辆的重量及燃油消耗，降低车辆的振动和噪声，提高车辆 加减速的动力学特性，能较大幅度的改善车辆的驾乘舒适度和安全性。因此，我 国汽车、摩托车等交通行业的骨干企业，已经结合自身的产品和部件制订出了具 体的镁合金新产品研究开发计划。 2 0 世纪9 0 年代以来，可持续发展的要求使镁合金的应用领域得到了的快速扩 展，已经引起了世界各国政府的普遍重视。加强了镁及镁合金在资源、加工、应 用等方面的研究开发，并着力扩大应用数量和范围。这些计划的共同点都是以产 业化为目标，以技术集成为特征，以汽车工业和电子信息工业为主要用户，由政 府组织协调，以研究单位与生产厂家联合开发为主要形式。因此，在世界范围内， 镁合金作为一种迅速崛起的新兴汽车结构材料，每年以1 5 的速率连续保持快速 增长，远远高于铝、铜、锌、镍以及钢铁的应用增长速度。 由于我国的镁资源的天然优势，世界发达国家和地区的镁合金产品生产已逐 渐向我国转移，现在应是形成镁合金产品生产应用能力、提升镁合金产品出口附 加值的最好时机。国家应从镁合金在交通上应用及产业化急需的关键共性技术入 手，实施科技攻关，尽快形成具有独立知识产权的镁合金应用技术，促进传统制 造业的改造，形成一批新兴的高新技术镁合金加工产业，加快在交通领域的应用， 提高我国镁产品的国际竞争力。 1 2 镁合金的应用优势及其成型工艺的现状 1 2 1 镁合金在交通工具上的应用优判1 。7 j 世界交通运输工具的总趋势是向轻量化发展，以此达到节能降耗、改善动力 性能的目的。其中最有效方法就是选用轻质材料代替钢铁，以此减轻交通工具自 身重量。目前，用于汽车减重的结构材料有高性能比的铝合金，工程塑料，镁合 金，复合材料等，但复合材料工艺较复杂，制备成本很高，因此，只有在特殊要 求的场合才使用复合材料的零部件。 镁是最轻的商用金属结构材料，在地球上的储量极为丰富，在金属中仅次于铝 和铁居第三位。菱镁矿石、白云石矿、海洋及盐湖中都含有丰富的镁资源。镁合 金具有密度小、比强度及比刚度高、阻尼性高及及减振性好、电磁屏蔽能力强、 成型加工性好及易于回收等优点，被誉为“2 l 世纪的绿色结构材料”。它作为替代 工程塑料，铝和钢铁的新型材料，已经引起了广泛关注。它能较好地满足了国防 军工、航空航天、交通工具、3 c 产品及手动工具等对轻量化、节能、减震吸噪的 要求，具有广阔的应用前景。 2 0 世纪7 0 年代以来，很多国家对汽车的油耗和尾气排放提出了越来越严格的 限制。不但要求油耗尽可能的降低，而且还要求整车部件尽可能的回收利用，这 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 就迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新 一代汽车。据测算，汽车自重减轻l o ，其燃油效率可提高5 5 。如果每辆汽车 能使用7 0 公斤镁，c 0 2 的年排放量就能减少3 0 以上。镁合金在汽车、摩托车等 交通工具上的应用除了能明显降低汽车重量、改善车辆动力性能和降低能耗外， 还能显著改善车辆结构和减少车辆行驶振动和噪声。因此，镁作为实际应用中最 轻的金属结构材料，在车辆的减重和性能改善以及环境保护等方面均得到了迅速 的发展。 1 2 2 镁合金应用现状 近年来，世界各国越来越重视镁合金的研究开发和应用，将镁资源作为2 l 世 纪的重要战略物资，加强了镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天领域的应用 开发研究，镁合金己成为令人瞩目的优质绿色环保工程材料。 目前，普通镁合金压铸件已在很多汽车公司的产品上获得规模应用( 如图1 1 ) ， 有的新车型单车用镁合金量已高达2 0 一4 0 公斤。研究表明，用镁合金替代铝合金生 产的轮毂不仅能大大提高其疲劳性能，而且还节约重量2 5 以上。除了航空航天 工业和汽车摩托车工业外，镁合金也广泛应用于电子产品、移动电话、电动工具、 医疗和运动器械等领域。随着镁合金加工技术与设备的改进与完善，镁合金的应 用领域将不断扩展，需求量稳步增长 8 】【1 0 】。 图1 1 镁合金件在汽车上的应用示意图哺1 f i g 1 1t h eu s e dm a g n e s i u mp a r t so fa u t o m o b i l e 我国是一个摩托车生产、消费和出口大国，也是一个在汽车的生产和消费上 有着巨大潜力的大国。改革开放短短的二十年中，我国已经在重庆、十堰、长春、 上海等地形成了以汽车、摩托车为龙头的制造业基地。随着我国加入w t o ，我国 汽车、摩托车等制造行业参与全球经济体化的进程越来越迅速。以汽车摩托车 3 重庆大学硕士学位论文l 绪论 为代表的制造型企业迫切需要提高自主开发能力，充分发挥我国的各种资源优势， 尤其要加强和扩大对镁合金、复合材料等新型材料的研究和应用，在进行产业结 构调整、新产品开发的同时，顺应产品轻量化、环保、提高驾乘舒适度的国际发 展趋势，通过提高产品技术含量来增强企业创新能力，这样才能在日益激烈的国 际竞争中获得更好的发展。因此，在我国交通领域推动镁合金的应用及产业化具 有坚实的产业结构基础和国内市场。而且，我国制造业基础雄厚，具有大量的廉 价劳动力，把我国的镁资源优势转化为镁产品和镁技术优势，利用汽车等零部件 全球采购的渠道，将为我国制造业进入国际市场创造了得天独厚的机遇，为我国的 镁合金应用及产业化事业提供了巨大的发展空间。 近年来，面对国外镁合金应用技术的飞速发展，我国的镁合金应用和产业化 技术的发展得到了相关政府部门的高度重视和支持，镁合金研究领域也越来越活 跃，我国镁合金零部件在汽车上的应用量以年增长1 5 的速度增长。在政府的支 持下，北京有色金属研究总院、上海交大、东南大学、重庆大学等单位在“九五 期间已开展了“镁合金材料在轿车上的应用研究 、“阻燃镁合金的研制”、“耐热 阻燃镁合金研究”、“高品质牺牲镁阳极的研制”、“镁合金半固态铸造 、“镁合金 铸造复合材料”、“镁合金第二相的研究”等项目的研究开发；清华大学与力劲公 司合作创立了“清华一力劲压铸高新技术研究中心”，同时，国内许多大学也与科 研部门进行了新型镁合金的开发研究，取得了一系列卓有成效的科研成果，为我 国造就了一大批镁合金研究开发及生产应用的优秀人才，为我国镁合金产业化的 发展积累了一定的经验，为我国镁合金研究开发的持续发展打下了良好的基础 【l l h l4 1 。 1 2 3 当前铸造镁合金的成型状况 对于镁合金铸造成形而言，摩托车、汽车零部件的生产可采用砂型铸造、金 属型铸造及压力铸造等生产工艺。砂型铸造工艺成品率低、易产生显微缩松而降 低其使用性能；金属型铸造工艺虽然克服了砂型铸造工艺的一些缺点，但其生产 效率低，不适合大批量生产，因此摩托车、汽车零件大部分采用压力铸造工艺进 行生产。 压力铸造是液态或半液态金属在高压作用下，高速充填铸模型腔，并在压力 下快速凝固成型而获得铸件的一种铸造方法，它可以成型薄壁、形状复杂、轮廓 清晰的铸件。该工艺生产效率高( 每小时最高可压铸2 0 0 次，可进行连续的大量 生产) ，产品质量好( 尺寸精度高，表面光洁度高，机械性能号好) ，经济效益高 ( 金属利用率高，节省加工成本) 。压力铸造工艺目前已广泛的用于移动电话、笔 记本电脑、c d 、摄像机等家电产品的外壳；摩托车汽缸体、曲轴箱体、曲轴箱盖、 发动机缸体、缸盖等摩托车零件；以及轿车方向盘，仪表面板，变速箱壳体等汽 4 重庆火学硕士学位论文1 绪论 车零件。 但由于压力铸造使镁合金液高速充填铸模型腔，弥散状态的金属流与型腔内 的空气高度混合，最终在压铸件内形成弥散分布的气孔。因此，压铸件一般不能 进行热处理强化。为了消除这种缺陷，提高压铸件的内在质量，近年来美、日等 国相继研究开发出了金属半固态成形【1 5 1 ，真空压铸和充氧压铸等新工艺。 金属半固态成形工艺可分为半固态铸造成形和半固态压射成形两种工艺技 术。它具有充型平稳、无金属喷溅、金属氧化损失少、铸件组织致密、节能、操 作安全等优点，但目前该工艺尚不完全成熟，仅有国外少数厂家采用该工艺进行 生产。使用真空压铸和充氧压链卫艺生产的镁合金产品，虽然产品质量好，但所 需的生产设备复杂，生产成本高，效率低。 而逐渐发展起来的挤压铸造技术，为镁合金的成型提供了一种更为简单有效 的方法。该技术工艺性能好，设备简单，产品成型性能好，因此获得了广泛的关 注。它是对浇入铸型型腔内的液态金属施加较高的机械压力，并使其成形和凝固， 从而获得铸件的一种工艺方法。目前主要用于生产汽车、摩托车、空调、阀、泵 等产品的配套零部件。 1 3 计算机数值模拟概述 随着科学技术的发展，计算机数值模拟技术越来越广泛深入的应用到了企业 的实际生产中。它是在实际铸造生产前，通过实际参数下的数值模拟，获得金属 液在型腔中的实际流动充型和凝固情况，通过对各种模拟结果的分析，对铸件可 能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生时间予以有效的预测，以便在浇注前采 取对策，确保铸件质量、缩短试制周期，降低生产成本。它为产品的开发生产提 供了可靠的技术保障，大大简化了劳动，提高了效率。 数值模拟是用控制方程来描述过程基本参数的变化关系，利用数值方法求解 来获得该过程的定量结果。随着计算机技术的发展，其运算速度越来越快，容量 越来越大，很多难以用分析方法求解的非线形问题都可以在计算机上用数值方法 求解。 通常数值模拟主要包括以下几个步骤【l 6 】： 建立能表达问题本质的数学模型，同时也建立起反应问题各量之间的微分方程 及相应的定解条件。 数学模型建立后，寻求准确高效的计算方法。该过程不仅包括微分方程的离散 及求解，还包括坐标的建立和边界条件的处理等方面。 根据实际情况，设定具体的工艺参数，用计算机进行模拟分析，根据模拟结果， 经比较得出最佳工艺方案。 5 重庆大学硕士学位论文l 绪论 铸造过程计算机数值模拟的主要内容包括充型速度场、温度场，凝固温度场， 应力场，组织分析以及缺陷预测等方面。温度场模拟是根据传热学原理建立数学 模型，其结果可以用于分析铸件的传热过程，凝固过程，预测缩孔缩松等缺陷； 流场模拟是根据流题力学原理建立数学模型，以此来分析铸件的充型过程。根据 其充型结果，可以优化浇注系统，预测卷气，夹杂，冲砂等缺陷。而且，由于流 动和传热是同时进行，在充型的同时计算传热，根据二者的耦合计算结果，可以 预测浇不足，冷隔等缺陷。而根据应力场的模拟结果，可以分析铸件的应力分布， 预测热裂，冷裂，变形等缺陷；组织模拟可分为宏观，微观模拟，它可以计算金 属的形核量，以及初晶类型，枝晶生长速度，组织转变和石墨形状大小等，以此 来预测铸件质量和性能。随着数值模拟技术的快速发展，其应用领域已从最初的 重力砂型铸造扩展到压铸，低压铸造，熔模铸造，电磁铸造等多种生产领域。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题以材料为a m 6 0 b 的挤压铸造摩托车轮毂为研究对象，在合理的参数范 围内，对该轮毂的挤压铸造生产过程进行数值模拟，根据模拟结果的分析比较， 得出最佳生产工艺方案，并根据缺陷预测，优化设计工艺。主要完成以下内容： 根据镁合金的挤压铸造特点，选择恰当的传热、传质以及液相流动的统一数学 模型。 根据相应的数值模拟运算模型，设定相关边界条件的数值处理方法。 运用m a g m a 模拟软件，在合理的挤压铸造参数范围内，设定不同的参数条 件，对轮毂进行充型和凝固模拟，根据模拟结果的比较分析，确定出最佳工艺 参数，得出最佳生产工艺方案，实现工艺参数的优化。 在最佳工艺参数下进行生产过程的数值模拟，根据模拟得到的铸件速度场，温 度场和缺陷预测等结果，改进设计方案，实现设计工艺的优化。 6 重庆大学硕士学位论文 2 挤压铸造理论 2 挤压铸造理论 2 1 挤压铸造工艺方法及特点 挤压铸造，也称“液态模锻”，是对进入挤压铸型型腔内的液态金属施加较高 的机械压力，使其成形和凝固，从而获得铸件( 或铸锭) 的一种工艺方法。其典 型工艺程序可分为铸型准备，浇注，合型加压和开型取件四个步骤f 17 1 。该过程一 般是在压力机或专用挤压铸造机上进行工作的。与其他几种加压铸造工艺不同， 在压力铸造中，压力的主要作用是推动液态金属以很高的速度流过浇道来填充型 腔。由于浇道长且有窄口，此处液态金属要比铸件本身先凝固，故铸件凝固时所 受的机械压力是不大的。而在挤压铸造中，加压冲头直接压在铸件金属上，没有 浇冒口系统，能使液态金属平缓充型并使其直接在机械压力下结晶。因而金属组 织致密均匀，不会卷入气体，铸件可进行固溶热处理。 挤压铸造的工艺方法很象模锻和热挤压工艺。但挤压铸造是液态金属在压力 下充型和凝固，只有少量的塑性变形是在凝固过程中发生的，因此所获铸件为铸 态组织。而模锻和热挤压工艺是使固态金属坯料通过塑性变形而成，因而所需变 形功比挤压铸造要高得多，所获铸件为变形组织。 挤压铸造具有如下特点f 1 8 1 ： 可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，使铸件组织致密。而且金属液 在压力作用下结晶，它能明显细化晶粒、加快液体的凝固，使铸件组织均匀。因 而，挤压铸件的机械性能一般要高于其它普通铸件，而接近甚至达到同种合金的 锻件水平。但它没有锻件中通常存在的各向异性，所以挤压铸造是目前用以提供 高质量、高机械性能铸件的一种重要工艺方法。 力学性能显著提高。与传统铸造合金相比，挤压铸造件的屈服强度提高 1 0 一1 5 延长率以及疲劳强度提高5 0 1 5 0 ；力学性能与变形合金相近。 成形件缺陷少。由于挤压铸造充型速度缓慢并且是在高压下进行保压凝固，从 而压力使晶核数目大大增加，得到的是细小和高致密度的组织。挤压铸件在凝固 过程中，由于各部位处于压应力状态，因而有效的对铸件进行了排气和补缩，减 少了气孔、缩孔的形成，防止了铸造裂纹的产生。压力下的成形凝固，使铸件和 型腔壁帖合紧密，因而铸件具有了较高的表面光洁度和尺寸精度。 挤压铸造是在压力机或挤压铸造机上进行的，易于实现生产条件的机械化和自 动化，可大大减轻工人的劳动强度。铸件通常没有浇冒口，毛坯精化，铸件尺寸 精度高，因而金属材料利用率高，减少了铸件的切削加工量，降低了生产成本， 提高了生产效率。 7 重庆大学硕士学位论文2 挤压铸造理论 合金范围广。因采用加压措施，可削弱对材料高流动性的要求，可淡化合金固有 的可铸性。它不仅适用于常规铸造合金，还适于变形铝合金。 2 2 挤压铸造工艺的分类 挤压铸造的工艺形式有多种，按成形时液体金属充填的特性和受力情况，可 分为柱塞挤压，直接冲头挤压，间接冲头挤压和型板挤压等四种类型【1 7 】- 【2 0 】： 柱塞挤压铸造 柱塞挤压铸造是用柱塞作为加压冲头，施压于凹型里的成型液体金属，保压 至铸件完全凝固。加压时，液体金属不产生充型运动。该工艺方法主要适合于形 状简单的厚壁铸件及铸锭。它可以生产出接近1 0 0 致密的铸件。其工艺特点是无 浇注系统，充型压力直接施加在型腔内的金属熔体上，充型金属液凝固速度快， 所获得的铸件组织致密、晶粒细小，但浇注金属液需精确定量( 图2 1 ) 。 图2 1 柱塞式挤压铸造过程 f i g 2 1t h ep r o c e s so fs q u e e z ec a s t i n gw i t hp l u n g e r 直接冲头挤压铸造 直接冲头挤压是利用成形压头，在合型时，把它插入液体金属中，使部分液 体金属上流填充全部型腔，继续升压到预定值，然后保压至铸件全部凝固。加压 时，液体金属进行充填运动。该工艺方法没有浇注系统，浇入的液体金属全部成 为铸件，铸件高度取决于浇入的金属。可用于壁较薄，形状较复杂的铸件( 图2 2 ) 。 8 南蝴口唧 重庆大学硕士学位论文2 挤压铸造理论 图2 2 直接冲头式挤压铸造过程 f i g 2 2t h ep r o c e s so fs q u e e z ec a s t i n g 、析t hd i r e c t o rp i e r c c r 间接式冲头挤压铸造 在间接挤压铸造过程中，冲头将液态金属挤入型腔，压力通过由冲头和凹型 组成的内浇道传到铸件上。由于铸件是在合型封闭的型腔中形成，它不受金属浇 注量的影响，因而铸件尺寸精度高。 根据挤压冲头的位置，间接挤压铸造分为水平式和垂直式两大类( 图2 3 图2 4 ) 。 兽图图 l 尊ll ? ji卜，| 鸳bd d 图2 3 水平式间接冲头挤压 f i g 2 3t h es q u e e z ec a s t i n gw i t h h o r i z o n t a li n d i r e c tp i e r c e r 图2 4 垂直式间接冲头挤压 j ：i g 2 4 t h e s q u e e z ec a s t i n g w i t hv e r t i c a li n d i r e c tp i e r c e r 在间接挤压过程中，液态金属是通过浇注系统进人型腔。通过控制挤压冲头的 移动速度，来控制液态金属的充型速度。该挤压方式能使铸件在凝固过程中保持 高达i o o m p a 的压力，能够生产内部无缺陷的复杂形状铸件，大大拓展了挤压铸造 的应用范围。在充型过程结束后，挤压冲头通过浇道对型腔中的金属施加高压，通 过控制模具的热梯度以实现顺序凝固。冲头对凝固过程中的铸件施加高压以强化 补缩，有助于获得无收缩缺陷和气孔的致密性铸件。 9 嘲叮喇 冈掣彗圈叠 j兹，。 网到翊圈翊 重庆大学硕士学位论文2 挤压铸造理论 与直接挤压铸件相比，间接挤压铸件在封闭型腔中成形，十分容易控制铸件尺 寸，因此不必对液态金属进行精确定量，但它采用了浇注系统，因此材料利用率低于 前者。间接挤压铸件内部质量低于直接挤压件而高于压铸件。该工艺适合产量较 大，形状较复杂的铸件。 型板挤压铸造 型板挤压铸造是一种特殊的挤压铸造形式。其工艺过程是：向半开的契形型 腔中浇注液态金属后，使动型向静型合拢，液体金属被挤压上升并充填型腔，多 余的液体金属外溢，在压力作用下结晶凝固。该工艺特点是：合型时，上升的液 体金属与型壁接触后结晶成一层很薄的硬壳，随着液态金属的上升，结晶层沿型 壁不断生长，结晶硬壳中间多余的液态金属被挤出型外，最后两硬壳层被挤压成 为整体铸件。该工艺方法适合于大型整体薄壁铸件。 2 3 挤压铸造原理 2 3 1 挤压铸造的物理过程 挤压铸造的三种热力学模型【2 l , 2 2 1 挤压铸造是在高压下凝固成型，通过压力使金属内部组织和成型性得到改善。 这主要是高压使金属的热力学状态发生了变化。其力学模型为： 1 ) 绝热压缩型 t ：ir 。a - - e v l a e 削， 化1 ) 式中，t o 为高压下的凝固温度。 k t = k k p ( 2 2 ) k 为比例常数。式( 2 2 ) 表明，凝固温度的变化与压强的变化为一固定的比率。 2 ) 等温压缩型 等温压缩下高压自由能变化： g ( 丁，p ) = g ( 丁，p = 1 ) + j 户斧啪 ( 2 3 ) 式中， g 一凝固温度为t k 时，凝固前后的摩尔自由能差； v _ 金属凝固前后的摩尔体积差。 3 ) 混合压缩型 挤压铸造中，由于硬壳的存在，封闭在硬壳中的待凝固的等静压是变化的； 铸件与模具界面热阻随着硬壳的增厚而上升，因此，温度也不是恒定的。 故自由能应是温度和压力的函数，即： 1 0 重庆大学硕士学位论文2 挤压铸造理论 胁( 筹) r 卯+ ( 豺丁 亿4 ， 热( 飘圯( 飘叫 餐：一 亿5 ， 卯凶一( 孰) | 一 重庆大学硕士学位论文 2 挤压铸造理论 + 3 虽睁c ) 一2 如c ) - o 仁6 ， 鼽肛孚【鑫) 小警肛q ( 1 k t i p ) 式中t 厂r m 为相对过冷度，o 为固液界面能，k 为玻尔兹曼常数，p 。为固相 密度，h 为熔化潜热，p 为外压力，v 为固液转变时的摩尔体积的变化。q 为 常压下的扩散激活能，1 5 为压力对扩散激活能的影响系数。 2 3 2 挤压铸造的凝固 在挤压铸造中，在一定的压力范围内加压，使结晶硬壳紧贴型壁，大大的减 少甚至消除了铸件与型壁之间的气体间隙，减低了热阻，增加了合金溶液和模具 间的热传导。随着压力的增加，结晶硬壳紧贴型壁时间越长，铸件的凝固时间就 越短。因此，提高压力能显著加速铸件的凝固过程。当压力增加到一定值以后， 气隙基本被消除，再增加压力的作用就不大了 2 0 2 。 挤压铸造铸型及铸件温度场 挤压铸造过程中，铸件和铸型之间的传热分为四个阶段： 第一阶段是从开始浇注到铸件最外层单元开始凝固时为止，其传热系数为一 常数； 第二阶段是从最外单元开始凝固，到其凝固速率达到某一定值时为止；由于 凝固收缩，铸件与铸型间产生气隙，使传热系数下降； 第三阶段是从最外单元凝固速率达到某一定值时为止，界面间的气隙趋向稳 定，传热系数趋向常数； 第四阶段从开始加压一直到凝固完毕，界面处的气隙消除，由于接触面上的 接触应力不同，传热系数从上到下呈线性下降。 轴对称传热问题的铸型温度场可由下式表示2 5 】： 1 n 二l i l 二 q ( f ，) ：q ( ，f ) + ( r ) 拿+ 妒( f ) 上 1 i l 量l n 鱼 呢名 ( 2 7 ) 式中，q ( r ，f ) = z q t c ( r ，) a k = l 从浇注到开始加压前，由于凝固收缩，铸型与凝固层界面产生气隙，铸件内 部热量不易散失，铸件内部的温度剃度较小；加压后间隙消除，铸件温度场发生 了较大的变化。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 挤压铸造理论 热交换加剧，温度剃度加大，整个凝固层迅速发展成近似等厚的封闭壳体。 对铸件温度场的测量一般使用计算机进行试验计算。 动态凝固过程 动态凝固过程是指金属液受到某种物理性干扰，使正在长大的树枝晶熔断、 脱离和游弋于金属液中的现象。挤压铸造动态凝固过程包括： 1 ) 浇注时的机械冲刷使凝固层游离于金属液中。使细等轴层生长成柱状晶带的趋 势受到很大的限制。 2 ) 金属液内由于温度和密度的差异而引起自然对流。 3 ) 冲头式挤压铸造在压力作用下金属液反向流动，过热的金属液反向于加压方向 产生剧烈运动，加剧了对凝固前沿的反向冲刷。 4 ) 枝晶间金属液流动。枝晶间流动速度与压力梯呈直线关系，其关系为： y = 一兰v ( 尸+ p t g ) 式中，pt 为液体密度，g 为重力加速度，r l 为动力粘度系数，p 为压力，k 为 渗透系数。此时的金属液流动主要用于补缩，填充枝晶间隙。 5 ) 选择性结晶产生的低熔点物质的流动。此流动阻止了树枝晶的粗化，细化了枝 晶组织 2 1 2 4 1 。 凝固时间方程 从耗散结构建立起来的结晶模型，经过简化，可得到凝固时间t 的计算方程 2 1 2 6 1 ： a ( t ) = k t ( 2 8 ) 式中6 ( t ) 为凝固层厚度，k 为凝固系数， k ：垒丝q 堡 ( 2 9 ) q k t ： 其中，d l 为液相中原子扩散系数，礞为晶体生长平均动力学过冷度。当铸型与 铸件界面热阻起决定性作用时，推导出凝固时间方程为2 7 1 ： 净器c 扣2 1 式中v 为铸件体积，a 为散热面积，t m 为金属熔化温度，h f 为金属结晶潜热， ps 为金属密度，h 为传热系数，b 为金属热导率。 2 3 3 挤压铸造的压力分布 2 0 】 挤压铸造时，即使是施加恒定的机械压力，在铸件各处的压力分布也是不均 匀的，且随着凝固过程的进行是不断变化的。这主要是铸件中固相与液相传递压 1 3 重庆大学硕士学位论文 2 挤压铸造理论 力的特点不同，因而在凝固过程中，固相与液相体积比和固相形状不断的发生变 化。铸件与型壁间的摩擦也是一个重要的因素。 挤压铸造中，在浇注后至加压前的时间内，液态金属与凹型壁接触处已形成 结晶壳层。当冲头加压时，在相配合的冲头与凹型之间，在铸件结晶壳层与型壁 之间，均存在摩擦力。它阻碍着冲头的移动、铸件的凝固收缩和压力的传递。因 此，加在铸件上部的外界压力与铸件各部位的实际受力之间形成差值，使压力受 到损失。 结晶壳层上的压力分布 在研究压力分布时，先对问题进行简化，做如下假设：侧向压力与正向压力 成正比，内摩擦系数显著大于外摩擦系数。这样，对水平方向截取的微小单元， 可按示意图( 图2 5 ) 进行受力分析，并实施近似计算。 图2 5 作用于铸锭横截面 微小单元上的力 f i g 2 5t h ef o r c eo nt h eu n i t o fc a s t i n 2 sc r o s s s e c t i o n 图2 6 沿铸锭的压力分布 f i g 2 6t h ed i s t r i b u t i o no f p r e s s u r ea l o n gc a s t i n g 为了简化问题，假设摩擦力沿铸件高度( h ) 方向分布的不均匀性可以忽略； 铸件中实际所受到的压缩应力在体积的各处分布均匀，则作用于铸件上的力可以 用下式描述： p s + z p l h + 2 p o s ( 2 1 1 ) 式中 r 铸件体积内所受到的平均压力5 il 铸件结晶壳层与型腔壁之间的摩擦系数； p r 冲头施加的压力； s 铸件在垂直于压力方向的截面积； i 铸件在垂直于压力方向的剖面外周长； f o 冲头与凹型相配合部位的摩擦力。 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 挤压铸造理论 ( 2 1 1 ) 式经变换可得： p 2 砸p o 一6 s ( 2 1 2 ) 式中，6 = s + 二# 旦_ l h 一是描述冲头与铸型之间的摩擦而造成的压力损失值。 对于直径为d 的圆柱形铸件，上式可以变换为： ，2 鬲p 疆o 一6 ( 2 1 3 ) d 对于通孔的筒形铸件为： p 2 疆p 0 6( 2 1 4 ) d d 式中d 铸件内径； 卜铸件外径。 从上述三式可以看出，施加于铸件上的压力有相当一部分用于克服摩擦力， 这样就出现了压力损失。它与铸造合金成分，铸型温度和铸件高度有关。适当升 高铸型的温度，有利于减少压力损失。 在研究结晶硬壳上的压力分布时，先做如下假设：侧向压力与正向压力成正 比；内摩擦系数显著的大于外摩擦系数。这样，对水平方向截取的微小单元，可 按示意图( 图2 6 ) 进行受力分析，并实施近似的计算。 假设半径为r 的圆铸锭上，距上端面z 处横向截取厚度为z 的薄层体积单 元，此单元中结晶壳层的横截面积等于： s = r t r 2 b 一( ，) 2 j ( 2 1 5 ) 式中，铸锭未凝固部位半径与铸锭半径之比( 相对半径) 此单元结晶壳层上作用力在z 轴方向上的平衡条件是： p ( ：) s ；( p ( ：) + a p ) s + l u p 侧2 z r z ( 2 1 6 ) 式中， u 摩擦系数； p ( ：厂作用于体积单元上的正向压力； p 舅作用于体积单元上的侧向压力，它可表示为：p 舅= kp ( z ) ，k 为比例系数。 1 5 重庆大学硕士学位论文2 挤压铸造理论 将s 和p 侧的表达式带入( 2 1 6 ) 式，变换后可得： 生：一一兰坐：d 记z l = ：一 p ( ：) 尺【l p ) 2 f 2 1 7 ) 对方程式( 2 1 1 ) 进行积分运算，可以得到： 凡) = p 。e 之肚孙，) 2 1 ( 2 1 8 ) 方程式( 2 1 8 ) 说明了由于摩擦力的存在，结晶壳层上正向压力沿铸锭高度方 向的分布是不均匀的，距加压冲头越远，即随z 的增加，压力p ( ：) 越低。 作用于液态金属上的有效压力 在凝固初期，冲头作用于铸件上的压力，除一部分用于结晶壳层塑性变形外， 大部分仍留在液态金属上，随着结晶壳层的增厚，其塑性变形所需的力迅速增加， 再加上凝固时合金的体积收缩，因而，只有使壳层不断压缩变形，才能使未凝固 的液相受压。此时，正在结晶的液态金属上所受的有效压力，应是冲头所加总挤 压力与结晶壳层所受的挤压力之差。 模拟结晶壳层上的受力条件，假设壳层是内径r 、外径r 的管子，在没有摩擦 力的条件下镦粗。管子内表面所受到的压力为p ，而其外表面无径向变形。这样， 根据塑性力学，可得出如下关系式： 。一景卜i n 1 4 以瓜两地黯l 式中 r 作用于铸件心部正在凝固液态金属上的有效压力： p 广冲头作用于铸锭上的压力； 万结晶壳层厚度与铸锭半径之比，它可以表示为( r t - r ) 瓜； os _ 一在变形温度下材料的屈服强度。 公式( 2 1 9 ) 中，第项为常数，第二项是随结晶壳层的屈服强度( o 。) 和相对 厚度( 万) 的增加而增加的。所以，在结晶过程中，作用于液态金属上的有效压力p 是不断减小的。若p o 过小，则当6 达到某个数值时，p 就有可能降至为零。此时， 剩余液态金属是在缺乏压力的条件下结晶，这显然对铸件的内部质量不利。 由此可见，在挤压铸造生产时候，铸件上的压力分布合理与否，直接影响到 铸件的质量，因此，必须从工艺的各个方面进行考虑，尽量减少铸件上的压力损 失，提高作用在最后凝固的液态金属上的有效压力。 2 3 4 挤压铸造的收缩与补缩 铸件的补缩特点 挤压铸造不需要冒口，它是用机械加压的方式，将液态金属挤入要形成的缩 1 6 重庆大学硕士学位论文2 挤压铸造理论 孔和缩松中，以此进行铸件的补缩。在结晶初期，壳层薄，且强度低，因而作用 于液态金属上的有效压力较高。随壳层厚度的不断增加，塑性变形所消耗的力就 会越来越大。铸件中后凝固的金属所受的有效压力总比先凝固的金属所受压力低。 如果冲头压力不足，当壳层长到一定厚度时，不能再使其，塑性变形，此时，尚 未凝固的液态金属就会在没有附加压力的条件下结晶。这样，在铸件的最后凝固 部位就可能形成缩孔、内裂纹和缩松等缺陷。 因此，为了获得致密的铸件，必须保证最后凝固的液态金属在足够的压力下 结晶。对任何铸件，均需在大于某一个临界压力下加压。此临界压力是与合金成 分、挤压方式、毛坯形状和铸造工艺条件等有关。 影响铸件临界压力的因素 2 0 娜】 1 ) 合金凝固方式对铸件临界压力的影响 根据合金的结晶温度间隔和铸件凝固时的温度场分布的不同，凝固方式可分 为逐层凝固、糊状凝固和中间凝固三种形式。 a 逐层凝固合金 合金的结晶温度间隔很窄，又在温度梯度很陡的冷却条件下，铸件呈逐层凝 固方式。其特点是固相区逐层的向液相区推移，固液相共存的凝固区厚度几乎等 于零，所获铸件呈穿晶组织并易形成集中的缩孔。由于结晶壳层完全固化，挤压 变形阻力大，因此，该凝固方式的临界压力较高。倾向于这种凝固方式的有铜、 铝、锌、锡等纯金属，铝一硅、灰铸铁等共晶合金，低碳钢、铝青铜等结晶温度 间隔窄的合金。 b 糊状凝固合金 若合金的结晶温度间隔很宽，又在温度梯度很平的冷却条件下，铸件就呈糊 状凝固方式。其特点是固一液相共存的凝固区很宽，甚至贯穿整个铸件断面时， 表层还未完全固化。所获铸件呈粗大的树枝发达的等轴晶，并易形成分散的缩松。 由于未完全固化的结晶硬壳变形阻力小，其中的液态金属在压力下可通过枝晶间 隙进行补缩。故所需临界压力较低。倾向于这种凝固方式的合金有铝一铜合金、 铝一镁合金、镁合金和某些结晶温度间隔大的黄铜、高碳钢和球墨铸铁等。 c 中间凝固合金 它介于上述两者之间，它的特点是铸件外层形成柱状晶，中心为等轴晶，固 液两相共存的凝固区也较宽。固化程度比糊状凝固要高。因此，挤压时所需的临 界压力也处于逐层凝固和糊状凝固之间。 由此可见，趋于逐层凝固