铝合金半固态压铸成形过程的模拟讲解

A380铝合金压铸温度场模拟如图所示汽车传动轴,用A380铝合金半固态触变压铸成型工艺可获得重量轻、强度高、综合力学性能优越的零件，能够满足未来汽车工业轻量化、节能环保的要求。

查相关资料，A380铝合金半固态触变压铸成型工艺的浆料温度为570℃，模具预热温度为200℃，冷却水对流换热系数为450W/（m2·℃）, A380铝合金密度为2730㎏/m3, 模具材料密度为7800㎏/m3,导热系数为21W/（m·℃），比热为110J/（㎏·℃）。

A380铝合金热性能参数相关尺寸在建模时提及，不赘述。

为简化建模，只取冷却水包络面以内的模具和铸件建模。

操作步骤1.定义工作标题和文件名（1）指定工作文件名：执行Utinity Menu/File/Change Jobname命令，在【Enter new Name】文本框中输入“WBA.file”,单击OK按钮。

（2）指定工作标题：执行Utinity Menu/File/Change Title命令，输入“Casting Solidification”, 单击OK按钮。

2.定义单元类型和材料属性（1）定义单元类型：执行Main Menu/Preprocessor/Element Type/Add、Edit、Delete命令，单击Add按钮，选择如下图选项，单击OK按钮。

（2）定义材料特性：执行Main Menu/Preprocessor/Material Props/ Material Models命令，双击【Material Models Available】列表框中的“Thermal/Conductivity/Isotropic”选项，定义模具导热系数（KXX）为“21”，接着双击“Thermal/Specific heat”选项, 定义模具比热（C）为“110”，单击OK按钮。

接着双击“Thermal/Density”选项, 定义模具密度（DENS）为“7800”，单击OK按钮。

ZL201合金半固态压铸成形过程数值模拟李涛;张博彧;王鹏;王冠州;卢仕琦;王平【摘要】为了解半固态压铸过程中浆料充型规律及其流动特点,本文采用AnyCasting铸造仿真软件特有的半固态触变功能模块(Bingham粘度模型)对半固态ZL201铝合金的触变充型过程进行数值模拟,研究慢、快压射速度及切换时间对半固态触变压铸充型过程的影响,对最优充型条件下的铸件微观组织及力学性能进行模拟研究,并进行试验对比.数值模拟结果显示,ZL201合金半固态触变压铸成形在浆料温度600℃、模具温度240℃时、低速压射速度0.1m/s、且在1.5s后进行速度切换、高速压射速度为l m/s时,所得铸件维氏硬度最大可达72HV,平均抗拉强度为208 MPa.按照该工艺条件成型的成形件显微组织致密,测得其平均抗拉强度为212.5 MPa、平均硬度值为70.8HV,性能较高,与模拟结果符合较好.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2018(026)005【总页数】5页(P54-58)【关键词】Anycasting;半固态触变压铸;压射速度;晶粒尺寸;维氏硬度;抗拉强度【作者】李涛;张博彧;王鹏;王冠州;卢仕琦;王平【作者单位】材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004【正文语种】中文【中图分类】TG249铝合金的触变压铸是目前研究和应用最多的触变压铸工艺，早在20世纪70年代初期，就进行了半固态铝合金触变压铸实验[1-3].经过半固态触变压铸成形，成型件中的缩孔、气孔等显微孔洞很少，零件可进行热处理强化[4]；零件的成分、组织和性能很均匀，可实现近终化成形和大幅度减少机加工量.因此，铝合金触变压铸在汽车及其他工业得到较大规模的实际应用[4-5].目前，人们对半固态成型技术已进行了大量研究[6-8]，并取得了许多卓有成效的成果[9-12]，但对于半固态压铸过程中浆料充型规律、流动特点等尚缺乏系统深入的了解.为此，本文采用AnyCasting铸造仿真软件特有的半固态触变功能模块(Bingham粘度模型)对半固态ZL201铝合金的触变充型过程进行数值模拟[13-14]，研究慢、快压射速度及切换时间对半固态触变压铸充型过程的影响，对最优充型条件下的铸件微观组织及力学性能进行模拟研究，并进行试验对比，以期为半固态成型技术的深入研究奠定实验基础.1 模拟研究模拟研究采用AnyCasting软件，在半固态金属浆料充型过程中，由于充型几乎在瞬间完成，可以忽略时间对半固态浆料粘度的影响，并假设半固态金属浆料所受剪切力超过屈服应力时开始流动，且表观粘度为常值，因此，在模拟过程中流体模型采用Bingham模型.半固态金属浆料的表观粘度是与温度、固相分数、剪切速率等有关的多元函数，比纯液态金属约高2～3个数量级，本模拟过程取表观粘度10 Pa·s[15].若铸件的内浇口直径为4.5 mm，半固态坯料充型速度为4 m/s，两相区的平均密度为2 780 kg/m3,则其雷诺数远小于临界雷诺数2 300,是层流流动.式中：v为流体的流速；ρ为流体密度；η为流体的黏性系数；d为内浇口直径.利用三维绘图软件Pro/E进行实体造型，如图1所示.造型结束后将实体模型导入AnyCasting中，而后进行网格划分、初始条件设置，最后进行流场数值模拟.半固态触变压铸实验材料为ZL201合金，其液相线温度为650 ℃，固相线温度为547 ℃.模拟过程中半固态浆料温度设定为600 ℃，模具温度为240 ℃.压铸过程中速度主要有以下两种阶段.1)慢速阶段.当半固态浆料注入压室的充满度在70%以下时，压室内的空气含量仍很多，此时需要慢速压射，使金属液流动平稳，空气能顺利排出.通常慢速射出速度为0.1～0.5 m/s.本文设定慢速阶段压射速度分别为0.35、0.25、0.15、0.1m/s，确定最优慢速阶段压射速度.2)快速阶段.金属液到达内浇口时，可进行高速切换，使金属液在高压高速下填充.通常高速压射速度在0.2～4.5 m/s以上.本文在确定最优低速阶段压射速度后，选择不同时间进行高速切换，高速压射速度分别设定为1、2、3、4 m/s.图1 模拟模型Fig.1 Simulation model2 分析与讨论2.1 慢速阶段不同压射速度对充型过程的影响不同慢速阶段压射速度过程如图2所示.图2 不同慢速阶段压射速度过程图Fig.2 Rate plan of filling process of different low shot speed: (a) 0.35 m/s;(b) 0.25 m/s;(c) 0.15 m/s;(d) 0.1 m/s 由图2看见，当压射速度分别为0.35、0.25、0.15 m/s时，金属浆料通过狭窄的内浇口后流动速度变快，此时随着浆料注入，填充型腔，流动特征发生了改变，由层流流动变成了紊流流动，如图2(a)、(b)、(c)所示，这种紊流的添充形式容易使大量气体被裹挟进型腔，使得成型件内部包裹大量气体，造成成型件内部组织疏松，力学性能严重下降.当慢速阶段压射速度较小时，如为0.1 m/s时，此时由于压射速度不高，半固态浆料通过内浇口后并没有快速射入型腔，而是在内浇口附近堆积，逐渐向型腔里流动，流动平稳，呈层流特征，这种压射形式非常利于气体的逐渐溢出，成型件裹气的可能性大幅降低，成型件内部组织致密，具有较高的力学性能，如图2(d)所示，因此，慢速阶段最优的压射速度为0.1 m/s.2.2 快速阶段压射速度与慢快速切换时间点对充型的影响快速压射速度分别设定为1、2、3、4 m/s，金属浆料的填充过程将如图3所示.图3(a)为高速压射速度为1 m/s时的填充图，可以看到，浆料平稳的填充到型腔内，并无卷气现象，浆料呈现层流流动；而随着切换速度的增大，出现卷气现象并愈加明显，如图3(b)、(c)、(d)所示，由于充填速度很快，金属浆料获得很高的动能，充型过程会产生明显的卷气现象，严重影响铸件的质量.因此，高速阶段最优压射速度为1 m/s.压铸的基本特点之一是快速充型，在整个快速压射阶段，即从快速点开始一直到浆料充型结束，金属浆料以30～60 m/s的速度，以射流的形式进入型腔，金属液会包卷气体，因此，第2阶段快速压射点的时间转换节点至关重要.转换太慢影响效率，转换太快浆料容易容易发生喷溅.根据前期的工作[9]，本文选取4个时间点进行高速切换，分别为低速阶段压射时间0.6、1.1、1.3、1.5 s后,从低速到高速的切换时间为0.01 s，高速压射速度选取较优的1.0 m/s.图3 不同快速压射阶段速度填充图Fig.3 Rate plan of filling process of different high shot speed: (a) 1 m/s;(b) 2 m/s;(c) 3 m/s;(d) 4 m/s图4为不同高速切换点的压铸过程图.当低速阶段充型时间较短时进行速度切换，即在内浇口附近进行高速切换，由于内浇口的限制，浆料充型速度很快，在充型刚开始时，在内浇口附近直接产生气囊，在浆料充型过程中，气囊中的气体逐渐被浆料包裹带到型腔的各个位置，如果气体不能排出，将在铸件内部形成气孔缺陷，严重影响铸件的质量，如图4(a)、(b)、(c)所示.随着低速阶段充型时间的延长，过了内浇口后再进行速度切换，这是因为型腔的下部在高速切换前已经填充了部分金属，因此，在高速切换后并无裹气现象，也没有发生回流，浆料平稳的充满整个型腔.铸件内部不会有气孔产生，使得组织致密，性能高，如图4(d)所示.因此，最优的压射速度是慢速阶段压射速度为0.1 m/s，在1.5 s时进行快速压射，快速阶段压射速度为1 m/s.图4 不同快速切换点充型过程图Fig.4 Rate plan of filling process of different high speed switch图5是压铸件的凝固过程，可以看出，压铸件的凝固是先从零件周围开始，向中心处延伸，最后凝固部位为浇口中心处和零件尺寸较大的部位.图5 压铸件的凝固过程Fig.5 Solidification process of die-casting workpiece图6是模拟的铸件硬度分布图，可以看出，ZL201合金半固态触变压铸件上不同部位维氏硬度分布，其最小维氏硬度为68HV，最大维氏硬度为72HV，整个铸件平均硬度为70HV，分布均匀.图6 维氏硬度Fig.6 Vickers hardness由图7的模拟抗拉强度分布图可见，在内浇口附近抗拉强度最高可达238 MPa，而在其内部平均值约为208 MPa.这是由于金属液流动时对周围的不断冲刷和搅拌作用，在这一区域形成一细晶区，晶粒尺寸较小，密度较大的原因.图7 抗拉强度Fig.7 Tensile strength图8为联合缺陷系数分布图.由图8可知，由于宏观补缩容易形成管筒形的一次缩孔，因此，在铸件浇口处由于补缩的原因造成联合缺陷系数较大.另外，由于冷却强度较大浆料来不及补缩，在零件曲率较大的地方也会造成缺陷系数较大.图8 联合缺陷系数分布Fig.8 Distribution of combined defect parameter图9是按照低速阶段压射速度是0.1 m/s，在1.5 s时进行快速压射，快速阶段压射速度是1 m/s工艺条件下的成型件显微组织照片.表1为其力学性能,可以看出，成型件内部组织致密，性能较高，与模拟结果符合较好.图9 压铸件的显微组织Fig.9 Microstructures of die casting parts表1 ZL201合金压铸件性能Table 1 The rigidity values of ZL201 alloy平均抗拉强度/MPa平均硬度值(HV)212.570.83 结论1)通过Anycasting模拟，压射速度为慢速阶段压射速度0.1 m/s，在1.5 s时进行快速压射，快速阶段压射速度1 m/s,此时压铸效果最好且浆料以层流方式填充.2)模拟成型件的平均硬度为70HV，平均抗拉强度为208 MPa,与实际符合较好. 参考文献：【相关文献】[1] 朱鸣芳，苏华钦. 半固态铸造技术的研究现状[J].特种铸造及有色合金，1996(2)：29-32. ZHU Mingfang,SU Huaqin. The present study status of semi-solid castingtechniques[J].Special Casting & Nonferrous Alloy，1996(2)：29-32.DOI: 10.15980/j.tzzz.1996.02.009[2] 苏华钦，朱鸣芳，高志强. 半固态铸造的现状及发展前景[J].特种铸造及有色合金，1998(5)：1-6.SU Huaqin,ZHU Mingfang,GAO Zhiqiang. Overview and prospect of semi-solid casting[J]. Special Casting & Nonferrous Alloy，1998(5)：1-6.DOI: 10.15980/j.tzzz.2002.s1.099[3] FLEMINGS M C. Behavior of metal alloys in the semi-solid state[J]. Metallurgical Transactions , 1991, 21A(5): 975-981.[4] 杜平,李双寿,唐靖林,等.半固态铝合金触变压铸技术中关键问题的讨论[J].铸造技术,2006(6):545-549.DU Ping,LI Shuangshou,TANG Jinglin,et al. Discussion of key problems on thixotropic die casting in semi-solid aluminum alloys[J].Foundry Technology,2006(6):545-549.[5] 张志峰,田战峰,杨必成,等.汽车用铝合金半固态零件触变压铸工艺研究[J].铸造技术,2005(9):770-773.ZHANG Zhifeng,TIAN Zhanfeng,YANG Bicheng,et al. Investigation on semi-solid thixo diecasting processing of automobile aluminum alloy part[J]. FoundryTechnology,2005(9):770-773.[6] 田战峰,杨必成,张志峰,等.铝合金半固态触变压铸试验研究[J].轻金属,2005(9):42-46.TIAN Zhanfeng, YANG Bicheng, ZHANG Zhifeng,et al.Study on semi-solid thixo-diecasting processing of aluminium alloys[J].Light Metals,2005(9):42-46.DOI:10.13662/ki.qjs.2005.09.013.[7] 杨明波,代兵,伍光凤,等.铝合金半固态压铸触变成形技术的研究进展[J].铸造,2003(8):533-537. YANG Mingbo, DAI Bing, WU Guangfeng, et al. Research and development of semi-solid dieing casting thixo forming technology about aluminum alloys[J]. Foundry,2003(8):533-537.[8] CHEN Song, LI Daquan, ZHANG Fan,et al. Development of semi-solid die casting process technology for aluminium alloy clamp[J]. Materials Science Forum,2016,4328(850).[9] 熊守美等.铸造过程模拟仿真技术[M].北京：机械工业出版社，2004.[10] 柳百成，荆涛主编. 铸造工程的模拟仿真与质量控制[M].北京：机械工业出版社，2001.[11] YOUNG K P, RIEK R G, BOYLAN J E, et al. Machine casting of copper base alloys by thixocasting[J]. AFS Transaction, 1973(84): 169-174.[12] 张恒华. 铝合金半固态触变成形技术及其仿真研究[D].上海：上海大学，2003.[13] 王平，康浩，史立峰，等. ZL201合金半固态成形的AnyCasting模拟与验证[J].稀有金属材料与工程,2003(3):44-46.WANG Ping,KANG Hao,SHI Lifeng.The anycasting simulation and verification of ZL201 alloy semisolid forming[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2003(3):44-46.[14] 崔成林,毛卫民,赵爱民,等.半固态触变压射成形过程模拟及验证[J]. 北京科技大学学报,2001,23(3)：237-239.CUI Chenglin,MAO Weimin,ZHAO Aimin,et al. Verification and numerical simulation for semi-sold modeling the thixoforming process[J].The Journal of University of Science and Technology Beijing[J]. 2001,23(3)：237-239.[15] MEHRABIAN R, FLEMINGS M C. Die casting of partially solidified alloys [J]. AFS Trans，1972, 80: 173-182.。

··目前，铝合金采用传统压铸容易产生缩孔、夹杂等缺陷，且成形温度高，充型不平稳，大大降低了产品质量与模具寿命。

随着半固态成形技术和理论的不断成熟与发展，为铝合金压铸成形提供了新的途径。

与液态金属相比，半固态金属的温度处于固液相之间，在充型过程中，呈层流状态，减轻了金属的氧化、裹气和凝固收缩，提高了铸件的致密性和力学性能。

半固态金属充型过程的描述及充型工艺条件比较复杂，采用数值模拟技术可以对充型凝固过程进行动态显示，还可以预测铸件的缩孔缩松等缺陷的位置及严重程度，这对提高铸件质量、缩短生产周期、降低生产成本、指导工程技术人员采取合理措施优化工艺设计具有重要的意义[1-2]。

基于牛顿流体流变成形过程的数值模拟已经非常成熟[3-5]，但对于铝合金流变压铸成形的数值模拟研究工作报道较少[6-7]。

因此，本文针对某厂转向泵支架，采用商用铸造模拟软件，对传统压铸条件下和半固态流变压铸条件下铝合金的充型过程和铸件内部凝固分数进行了模拟和对比分析，并对可能出现的铸造缺陷进行预测，为铝合金流变压铸成形工艺提供了参考依据。

1基本假设与模拟计算基本方程1.1基本假设根据半固态铝合金的流变特性，半固态触变成形过程数值模拟的一般假设为[8]：（1）半固态流体为连续且不可压缩的金属流体，其流动特性由表观粘度来表征；（2）半固态浆料为均匀单相介质；（3）半固态坯料为等温介质，其成形过程中的传热可以被忽略；（4）半固态浆料在充填过程中的流动为单相等温层流流动。

------------------计算机应用胡志1，明北方1，闫洪1，周国华1，2（1.南昌大学先进成形研究所，江西南昌330031；2.宜春学院物理科学与工程技术学院，江西宜春336000）摘要：采用有限元数值分析软件对铝合金转向泵支架的牛顿流体和半固态流体压铸成形过程以及凝固分数变化过程进行数值模拟与分析，基于模拟结果和新山判据，对可能出现的铸造缺陷进行预测。

高硅铝合金的半固态压铸成形技术摘要：本文的主要目的为分析如何进一步利用超声振动制备半固态浆料以及流变压铸成形方法，以提高高硅铝合金制作质量。

使用半固态压铸成形技术能提高高硅铝合金的产品质量，同时确保其使用性能：得到的抗拉强度相比于传统方法的高硅铝合金而言增强了30%左右，使得零件的整体性能得到改善。

关键词：高硅铝合金；半固态压铸；成形技术引言：近几年，随着我国社会发展速度的加快，工业行业的发展也同样十分迅速，其中高硅铝合金成为了工业发展中最常见且使用频率较高的合金之一。

高硅铝合金具有质量相对较轻、硬度高且耐磨性好、导热性能好等一系列的优点。

目前该合金被广泛应用于各种不同的领域，例如电子封装、汽车以及航空航天等。

由于在高硅铝合金中含有大量的初晶Si，并且随着Si含量的增加，会导致初晶中的Si元素颗粒变得更加的粗大，结合针状的共晶Si会直接降低其基体的性能。

为此，在当前条件下如何进一步利用半固态压铸成形技术提高高硅铝合金的制作质量，增强其实用性和经济性成为了我国目前工业发展中的重点内容。

一、高硅铝合金的成分所谓高硅铝合金是指在制造过程中，金属中含有共晶Al-Si合金，其中Si的质量分数在17%～70%的范围内，并且被大多数人认为属于金属基复合材料。

在高硅铝合金中是由Si相作为硬质均匀地分布在较软的α-Al基体中。

当前分析高硅铝合金时可以按照成分进行分析，将其分成两种不同的类别，第一种是Al-Si的二元合金，第二种则是以铝、硅为主要元素，并且在其中加入一定量的合金元素，进而形成了多元高硅的铝合金品相。

在高硅铝合金中含有大量的元素成分，这些成分自身的特性具有一定差异，同时具备不同的用途。

二、传统铸造方法生产高硅铝合金时存在的问题在利用传统的方式生产高硅铝合金过程中，存在以下几点问题：第一，在进行初晶硅的细化过程时其难度较高：尝试增加高硅铝合金中含有的Si含量，会导致合金中含有的初晶硅体积率增大，致使高硅铝合金的抗拉强度、屈服强度以及塑性都会在这一阶段明显的降低。