消失模鑄造壓力凝固az91d鎂合金的數(shù)值模擬

消失模鑄造壓力凝固az91d鎂合金的數(shù)值模擬

消失模制造技術(shù)比傳統(tǒng)砂型鑄造技術(shù)具有更高的鑄造精度、三維控制、重復(fù)性和靈活性。目前,消失模鑄造技術(shù)已被廣泛用于鑄鐵和鑄鋼件的工業(yè)生產(chǎn)中。文獻(xiàn)顯示,鎂合金非常適合消失模鑄造,然而現(xiàn)在,鎂合金消失模鑄造技術(shù)仍處在研究和試驗階段。原因之一是消失模鑄造鎂合金的顯微疏松較嚴(yán)重,尤其對于凝固區(qū)間很大的AZ91D鎂合金來說,消失模鑄件呈糊狀凝固,形成顯微疏松的傾向性大,鑄件氣密性較差,致使鑄件力學(xué)性能偏低。工藝上,減少縮孔或顯微疏松的方法主要有:采用補(bǔ)縮冒口、順序凝固或壓力凝固工藝等,其中壓力凝固降低疏松效果比較明顯。國內(nèi)外針對鋁合金的消失模鑄造采用壓力凝固增加補(bǔ)縮,降低孔隙率的研究較多,但對鎂合金進(jìn)行消失模鑄造壓力凝固還未見報道。本試驗采用自制的消失模壓力凝固試驗裝置,對AZ91D鎂合金進(jìn)行消失模鑄造壓力凝固,研究分析零件表面凹陷與補(bǔ)縮能力的關(guān)系,并應(yīng)用到復(fù)雜缸蓋零件的成形。1u2004工藝參數(shù)對az9d金屬液澆注的影響試樣尺寸為100mm×100mm×25mm,試樣1的澆注系統(tǒng)為底注式無冒口,見圖1a;試樣2采用頂注式澆注系統(tǒng),其兼冒口補(bǔ)縮作用,見圖1b。據(jù)Metz和Flemings試驗得出,合金的固相率低于20%時,強(qiáng)度可忽略不計,此時AZ91D金屬液溫度約590℃。而文獻(xiàn)顯示,固相率超過80%后,強(qiáng)度會急劇上升,這時金屬液溫度約514℃。因此,開始加壓時金屬液溫度應(yīng)高于590℃,結(jié)束時應(yīng)高于514℃。在750℃澆注溫度下,消失模鑄造AZ91D鎂合金試樣1和試樣2中心部位的溫度變化曲線如圖2所示。可以看出,澆注結(jié)束后40~50s,試樣中心溫度高于590℃,當(dāng)溫度降至514℃,大約需要250s。而外殼部分的實際溫度比中心部位要低20~50℃,所以,試驗中工藝參數(shù)選擇澆注結(jié)束20s內(nèi)開始加壓,此時熔體溫度高于590℃,充壓速率0.005MPa/s,目標(biāo)壓力0.8MPa,可保證在250s內(nèi)建壓。充壓越早,外加壓力越大,補(bǔ)縮效果越好。將5kgAZ91D鎂合金錠置于7.5kW坩堝電阻爐中熔化,用SF6+CO2混合氣體保護(hù),740℃加入精煉劑精煉,精煉后靜置15min,750℃澆注。試驗用消失模鑄造壓力凝固裝置如圖3所示。EPS模樣密度0.020g/cm3,涂掛涂料,烘干后放入砂箱中,之后填入干燥的30~50目石英砂緊實,覆蓋塑料薄膜,開真空閥抽真空(-0.03MPa),合砂箱蓋密封。將AZ91D金屬液從導(dǎo)入杯澆注,澆注結(jié)束后,迅速關(guān)閉密封閥及真空閥,以一定的加壓速率從加壓口加氮?dú)?待壓力達(dá)0.8MPa時開始保壓,10min后開真空閥泄壓。之后取出鑄件,測量試樣凹陷尺寸及密度。2澆注壓表分析圖4為消失模壓力凝固成形的AZ91D鎂合金試樣1和試樣2,可以看出,試樣1大表面出現(xiàn)凹陷,這是因為中心部位凝固時間長,而且得不到補(bǔ)縮;而試樣2得到充分的補(bǔ)縮,表面沒有出現(xiàn)凹陷,凹陷集中在直澆道和橫澆道連接熱節(jié)處和最后凝固的澆注口處。不同消失模鑄造工藝下試樣凹陷量及密度見表1。表中顯示,無冒口補(bǔ)縮的設(shè)計,消失模壓力凝固比普通消失模鑄件的密度有明顯提高,但凹陷量也增加;而采用順序凝固的頂注兼冒口的消失模壓力凝固成形的試樣,得到了很好的補(bǔ)縮,密度最高且表面無凹陷。在消失模鑄造壓力凝固工藝中,凹陷與補(bǔ)縮有一定的關(guān)系。分析凹陷產(chǎn)生部位及尺寸,并合理設(shè)計冒口及澆注系統(tǒng),能達(dá)到最佳補(bǔ)縮效果,并防止零件凹陷變形。圖5a為試樣斷面示意圖。當(dāng)澆注結(jié)束,試樣表面凝固一層很薄的硬殼,而內(nèi)澆口被凝固凍結(jié),液態(tài)金屬被封閉的凝固殼包在內(nèi)部。內(nèi)部液態(tài)收縮如果大于外殼的固態(tài)收縮,鑄件中心最后凝固部位會產(chǎn)生集中縮孔或嚴(yán)重疏松。如果在凝固過程中,給試樣表面施加外力,則試樣表面向集中縮孔的方向凹進(jìn),推動金屬液補(bǔ)縮(圖5b),從而使合金凝固組織致密,消除疏松。為使問題簡化,假設(shè):(1)金屬液在恒溫下凝固,在固態(tài)下無相變;(2)鑄件各方向為均勻冷卻;(3)澆注充型迅速,溫度一定;(4)凹面為球面,凹陷體積近似等于疏松容積。試樣左右兩面的面積遠(yuǎn)大于其他四個面,因此這里只考慮左右兩面。根據(jù)假設(shè),凹陷表面近似為球冠,則凹陷體積為:式中:Vq為凹陷體積,m3;r為凹陷曲率半徑,m;λ為中心凹陷深度,m。式中:L為試樣寬度一半,m。由式(1)、(2)得,兩面總凹陷體積即為縮孔體積Vk:根據(jù)凝固收縮率計算,縮孔體積Vk等于形成凝固外殼冷卻到室溫tr的體積Vc,減去內(nèi)部液體冷卻到室溫tr的致密固體的體積Vs,即:由凝固溫度ts降至室溫tr時固態(tài)收縮后,薄殼的體積:式中:B為試樣厚度,m;αs為固態(tài)體收縮系數(shù),1/℃。將式(3)、(5)、(6)代入式(4)得:試驗中:L=50mm,λ<1mm,因此,3L2>>λ2,則式(7)中λ2+3L2≈3L2,此時,令φ=[αl(tl-ts)+εf-αs(ts-tr)/2],則:式(8)說明凹陷深度與鑄件的厚度成正比,所以,對于無冒口較大平面,鑄件越厚,越易產(chǎn)生縮孔或疏松,凹陷越深。而合金的液態(tài)收縮率與凝固收縮率越大,則φ值越大,鑄件表面凹陷量也越大。3澆注系統(tǒng)設(shè)計金屬凝固殼的強(qiáng)度與溫度場呈近似線性的關(guān)系。圖6為試樣1溫度場模擬圖,可以看出,試樣1中心部位的溫度高于四周,是最后凝固部位,也是縮孔或疏松形成的位置,由于中心部位相對強(qiáng)度低,在外壓作用下易產(chǎn)生凹陷。因此,消失模壓力凝固工藝,選擇這種無冒口補(bǔ)縮的澆注系統(tǒng),雖然能使試樣組織致密,但同時試樣表面易產(chǎn)生凹陷,形狀尺寸發(fā)生改變,這種無補(bǔ)縮設(shè)計的工藝不可取。圖7為試樣2的溫度場模擬,頂注式澆注系統(tǒng)、大截面橫澆道和內(nèi)澆道,起冒口補(bǔ)縮作用,使試樣2實現(xiàn)從下到上的順序凝固,由圖可見,頂部澆注系統(tǒng)內(nèi)金屬液溫度較高,是最后凝固部位,外加壓力作用該部位,使其凹陷,起冒口補(bǔ)縮作用。因此,試樣2表面無凹陷,凹陷轉(zhuǎn)移至后凝固的澆注系統(tǒng)表面,保證了試樣2形狀尺寸的準(zhǔn)確。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合,應(yīng)用消失模鑄造壓力凝固技術(shù)增加補(bǔ)縮能力,同時為了避免鑄件表面產(chǎn)生凹陷,工藝設(shè)計時,要求鑄件實現(xiàn)順序凝固,合理設(shè)計冒口及澆注系統(tǒng)。單缸缸蓋外形尺寸為200mm×130mm×75mm,零件內(nèi)腔形狀彎曲復(fù)雜。殼體內(nèi)部多孔,Φ8mm×75mm的孔有5個。殼體上薄壁多,且最薄處<3mm。零件尺寸和力學(xué)性能要求高,要求成形件無縮孔、無凹陷變形;顯微疏松輕微,表面質(zhì)量好。上兩遍涂料后的模樣如圖8所示,零件水平放置,容易填砂和充型,但上表面及厚壁過渡的熱節(jié)處,最容易產(chǎn)生凹陷。因此,在零件上表面兩側(cè)設(shè)冒口,增強(qiáng)金屬液補(bǔ)縮量,冒口計算式為:式中:X為冒口與鑄件折算厚度比;Y為冒口與鑄件體積比;a為合金常數(shù);b為合金體收縮率;C為常數(shù)。澆注系統(tǒng)設(shè)計為頂注兼冒口式,充分保證補(bǔ)縮通道并實現(xiàn)順序凝固,而使凹陷集中在冒口和澆注系統(tǒng)部位,保證充分補(bǔ)縮的同時零件不發(fā)生變形。圖9為采用消失模鑄造壓力凝固工藝成形的AZ91D鎂合金單缸缸蓋零件及零件的EPS模樣。4鑄件凝固數(shù)值模擬(1)對AZ91D鎂合金消失模鑄造壓力凝固,開始加壓時的金屬液溫度應(yīng)高于590℃,加壓結(jié)束溫度高于514℃。加壓越早越好,加壓時間應(yīng)小于250s。(2)消失模鑄造壓力凝固的鑄件表面凹陷尺寸的近似計算公式:λ=4Bφ/π,表明凹陷深度λ與鑄件的厚度B成正比,鑄件越厚,凹陷越深。而合金的液態(tài)收縮率與凝固收縮率