稀土镁合金压铸工艺数值模拟及正交试验研究_彭湃.pdf

Vol.71 No.12 20221548压力铸造稀土镁合金压铸工艺数值模拟及正交试验研究彭湃1,2,吴广新1,2,马征1,2,王波1,2,张捷宇1,2（1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444；2.上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444）摘要：采用数值模拟的方法，研究了镁合金压铸件充型凝固过程。基于正交试验设计，分析了浇注温度、模具温度、压射速度和保压时间等工艺参数对缩松、缩孔、热裂倾向指数的影响。结合模拟结果，获得了最佳的压铸工艺参数：浇注温度为690，压射速度为8 m/s，模具温度为240，保压时间为7 s。优化后的工艺参数减少了铸件的缩松、缩孔和热裂倾向指数，用该工艺参数进行压铸生产，获得了质量良好的镁合金压铸件，并对缺陷位置及微观组织进行了验证。关键词：正交试验；镁合金；压铸；数值模拟作者简介：彭 湃（1997-），男，硕士研究生，主要研究方向为压铸工艺数值模拟。电话：[phone]，E-mail： 通讯作者：王波，男，教授，博士，博 士 生 导 师。电 话：13611871355，E-mail：中图分类号：TG249.2；TP311文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2022）12-1548-07基金项目：上大新材料（泰州）研究院和包头稀土院资助课题。收稿日期：2022-04-09 收到初稿，2022-05-18 收到修订稿。镁及其合金是最轻的金属结构材料，具有高比强度、比刚度、高可回收性和商业可用性；镁合金有望部分替代铝合金和钢，因此，它在电子、汽车和航空航天工业中的应用引起了极大的关注1-2。高压压铸（HPDC）是一种高效、经济的精密制造方法，可用于不同行业镁合金零件的大规模生产3。目前，大约90%的铸造镁合金由HPDC制造，HPDC工艺的显著特点是在凝固过程中有着高冷却速率4。但在铸造过程中，产生的缺陷会对铸件的力学性能产生不利影响，通过试验来优化力学性能和控制其可变性是非常耗时的5。因此，提出了一种试验和仿真相结合的方法来解决这一问题。Visput等6使用Magmasoft对汽车铝合金零件进行数值模拟，研究了压射速度、浇注温度对铸件品质的影响，并对工艺参数进行了优化。王洪波等7使用ProCAST对齿轮箱箱体的铸造过程进行了数值模拟，分析了不同的加压压力对铸件的影响，获得了最佳压力参数。朱洪军8研究了不同工艺参数对缩孔含量的影响。潘成刚等9研究了影响压铸模寿命的因素，发现模具温度对压铸模具寿命影响最大。Wang等10利用有限元分析软件ProCAST对镁合金雷达壳体进行了数值模拟，采用正交试验设计对压射速度、浇注温度、模具温度进行了优化，得到了最佳工艺参数。本研究利用有限元分析软件ProCAST中HPDC模块进行数值模拟，预测可能出现的缺陷位置及容易产生热裂的区域，优化工艺方案，为实际生产提供参考，使铸件缩松、缩孔和热裂倾向指数降低，综合性能提高。1零件结构分析该镁合金材料为Mg-Zn-La-Ce-Zr，表1是其化学成分。铸件高度为537.2 mm，宽度为476.4 mm，厚度为63.6 mm，如图1所示。铸件的形状较为复杂，壁厚相差较大，对工艺设计和参数设置要求较高。该铸件主要由热裂倾向试样、拉伸试样、冲击试样、压缩试样、扭转试样、盐雾腐蚀试样、台阶试样、薄片试样和蛇形试样构成，可以评估材料的流动性能、充型性能、物理性能和化学性能。其中，热裂倾向试样的设计参考了Cao等11的设计方案，以圆球和五根不同长度的长杆组成，凝固时圆球与长杆之间形成热节，用来评估其连接开裂情况。圆球直径18.5 mm，长杆直径9.8 mm，长度L分别为85 mm、120 mm、195 mm、230 mm、270 mm。压力铸造2022年第12期/第71卷1549 （a）正面 （b）反面图1压铸件三维模型图Fig.1 The three dimensional model of the die casting表1镁合金的化学成分Table 1 Chemical composition of the magnesium alloy wB/%Zn0.5Ce0.5La0.5Mg余量Zr0.52数学模型的建立对于铸件充型过程的数值模拟，通常将高温金属液近似为稳态、湍流、不可压缩的流体，流动过程遵从能量守恒、动量守恒和质量守恒，可以用以下控制方程来描述12，湍流模型选取标准k-湍流两方程模型，参见13文献。质量守恒方程：（1）动量守恒方程：（2）能量守恒方程：（3）（4）体积函数方程：=0，0F1 （5）式中：t为时间，s；x为位移，m；为密度，kg/m3；P为流体压强，N/m2；为运动粘度，m/s2；g为重力加速度，m/s2；Cp为热容，J/（kgk-1）；为热导率，W/（m2K）；U为速度，m/s；T为温度，K；Q为热源，K；L为结晶潜热，J/g；fs为固相率；F为相体积分数。3热物性参数及边界条件对铸件模型采用六面体单元进行网格划分，面网格总数为157 330，体网格总数为676 988。模具材质选用H13钢，铸件和模具之间的换热系数设定为1 000，冷却方式为空冷。型壳的应力参数定义为刚性，合金的应力参数定义为弹塑性，设置铸件X、Y、Z方向上的位移为0，保压压力设定为70 MPa。热物性参数中热导率、密度、固相率、粘度由ProCAST内置软件计算直接得出，热容、结晶潜热由Pandat基于热力学数据库计算得出，导入ProCAST进行计算，其中L为334.96 J/g。具体热物性参数如图2所示。（a）热导率 （b）粘度 （c）热容（d）密度 （e）固相分数图2热物性参数Fig.2 Thermophysical parametersVol.71 No.12 20221550压力铸造图3缩松缩孔的均值Fig.3 The mean value of the shrinkage porosity表2四因素三水平表Table 2 Table of the four factors and three levels因素浇注温度（A）/模具温度（B）/压射速度（C）/（ms-1）保压时间（D）/s水平169020043水平271022065水平373024087表4极差分析表Table 4 Range analysis table因素缩松缩孔热裂倾向指数水平K1K2K3R1K1K2K3R2A0.744 90.799 80.825 50.080 60.170 20.189 80.205 70.035 6C0.768 60.802 80.798 70.034 10.186 90.186 60.192 20.005 6B0.816 40.790 50.763 20.053 20.194 30.191 40.180 00.014 4D0.784 20.782 60.803 30.020 70.186 90.190 40.188 40.003 6表3L9（34）正交试验结果Table 3 The results of the L9（34）orthogonal experiment试验序号123456789A/690690690710710710730730730B/200220240200220240200220240D/s357735573Y1/cm3（缩松缩孔）0.744 00.750 60.740 00.852 20.803 00.744 10.853 10.817 80.805 5Y2（热裂倾向）0.172 60.172 90.165 00.193 40.194 50.181 40.217 00.206 70.193 5C/（ms-1）4686848464正交试验设计诸多因素可以对铸件的品质产生影响，如模具预热温度、浇注温度、压射速度、保压时间等。本文试验目标是为了获得缩松、缩孔和热裂倾向指数较小的高质量铸件，且要尽量减少压铸时间。正交试验是一种高效的多因素分析方法，通过正交表设计试验，可以得出每个因素对试验指标的影响趋势，从而获得最优工艺参数。因此采用正交试验的方法，以浇注温度（A）、模具温度（B）、压射速度（C）、保压时间（D）为因素，缩松、缩孔、热裂倾向指数为指标建立四因素三水平正交试验。表2为因素水平表，表3为正交试验结果。缩松、缩孔仅统计中间部分的零件，浇注系统和溢流槽中缺陷体积排除在外；热裂倾向指数HTI（Hot Tearing Indicator）通过选取铸件中各个部位具有代表性的节点，比如模型中的薄壁区、厚壁区、远端以及薄厚连接过渡区等，如图7所示。将这些节点的热裂倾向指数进行相加，作为每组工艺参数下热裂倾向的评价指标。HTI热裂纹预测模型通过计算固相分数在50%和99%之间的网格中节点的塑性总应变的积累值，来衡量铸件在不同节点处的热裂纹敏感性14。值得注意的是，该模型只能给出热裂纹预测的敏感可能性，并不能判断是否一定会出现热裂纹。HTI=eht=dt，tctts （6）式中：ts为温度达到固相线温度时的时间，s；tc为温度达到晶粒相互接触时的时间，s；为等效应变速率。5模拟结果分析根据正交试验的结果，分析铸件缩松、缩孔、铸件热裂倾向指数，结果见表4。5.1缩松、缩孔的极差分析针对缩松、缩孔的统计结果进行极差分析，结果如图3所示。可知，浇注温度对缩松、缩孔的影响尤为显著，浇注温度越高，铸件整体温度分布越不均匀，不利于凝固，故铸件的缩松、缩孔呈增加的趋势；模具温度越高，铸件的缩松、缩孔呈逐渐减小的趋势；压射速度越大，充型过程中金属液的流动状态越紊乱，缩松、缩孔呈先增加后减小的趋势；保压时间越长，缩松、缩孔呈先减小后增加的趋势。压铸工艺参数对缩松、缩孔的影响程度由大到小依次为：浇注温度、模具温度、压射速度、保压时间。5.2热裂倾向指数的极差分析针对热裂倾向指数的统计结果进行极差分析，结果如图4所示。可知，浇注温度越高，镁合金氧化越压力铸造2022年第12期/第71卷1551图4热裂倾向的均值Fig.4 The mean value of the hot tearing tendency图6缩孔、缩松分布及统计区域Fig.6 Distribution and statistical area of the shrinkage porosity图7热裂预测结果及节点选取位置Fig.7 The prediction result of the HTI and node selection location （a）t=0.007 4 s （b）t=0.012 0 s （c）t=0.015 3 s （d）t=0.016 6 s图5镁合金压铸件充型模拟过程图Fig.5 Mold filling simulation process of the magnesium alloy die casting严重，且容易产生黏膜，在凝固过程中增大了铸件的收缩力，铸件的热裂倾向指数呈现增加的趋势；模具温度越高，铸件凝固时的冷却速率越低，温度梯度越小，铸件凝固得越均匀，铸件的热裂倾向指数呈现减小的趋势；压射速度越大，铸件的热裂倾向指数呈现先减小后增加的趋势；保压时间越长，铸件的热裂倾向指数先增加后减少。压铸工艺参数对热裂倾向指数的影响程度由大到小依次为：浇注温度、模具温度、压射速度、保压时间。6优化方案数值模拟据优化出的工艺参数对镁合金压铸件进行数值模拟，铸件充型过程、缺陷分布、热裂结果预测分别见图5-图7。由图5可知，金属液经过浇注系统进入型腔内，先填充左右两部分，然后向中间蛇形区域填充，直到铸件被填满，充型过程完毕。在充型过程中，速度较快，耗时较短，铸件金属液温度均在液相线温度以上，避免了产生冷隔缺陷。由图6可知，随着铸件凝固的进行，体积小的区域率先凝固，使得凝固后期体积大的区域无法获得足够的金属液进行补缩，因此这些区域容易出现缩孔、缩松缺陷。由图7可知，铸件的薄厚过渡区域和圆角较大区域的热裂倾向性较大，如圆球与长杆的连接处、不同厚度台阶的过渡区等，这些部位是应力集中区域，其他区域热裂倾向性较低。以缩松、缩孔及热裂倾向指数为主要参考因素，依据极差分析结果可得，第3组缩松、缩孔最少，为0.740 0 cm3；热裂倾向指数最小，为0.165 0，故实际生产中按照缺陷数量和热裂倾向指数最优工艺参数进行试验，即第3组工艺参数：浇注温度690、模具温度240、压射速度8 m/s、保压时间7 s。7生产验证选用FRECH QC830冷室压铸系统，利用优化的Vol.71 No.12 20221552压力铸造图9选点示意图Fig.9 The schematic drawing of the choose points （a）最佳工艺参数 （b）热裂试样细节照片 （c）最差工艺参数 （d）热裂试样细节照片图8镁合金压铸件照片Fig.8 Images of the magnesium alloy die castings工艺参数进行压铸生产。图8a为生产出来的铸件，图8b为热裂倾向试样的细节照片，图中试样热裂倾向较小，无热裂纹的产生。此铸件尺寸较小，为了验证模拟的指导意义，使用模拟结果最差的工艺参数浇注铸件，即正交表中第7组参数：浇注温度为730、模具温度为200、压射速度为8 m/s、保压时间为5 s，如 （a）截面1 （b）截面2 （c）截面3 （d）截面4图10试样3不同位置模拟与试验结果Fig.10 Simulation and experimental results of the sample 3 at different positions图9c、d所示。图中合金热裂倾向试样充型完好，无热裂纹的产生，但薄片试样和台阶试样厚度较小区域无法完全充型。对于此铸件，热裂倾向试样数量最多，以长杆的长度由短到长分别记为试样1、2、3、4、5。以试样3为例，选取一些点进行缺陷位置验证，如图9所示。按照图的取点部位，对最优工艺参数组合中的热裂倾向试样3横截面进行切割，结果如图10所示。可见在点4截面处存在缩松、缩孔缺陷，中心部位尤为明显，其他部位无缺陷产生，这和数值模拟的结果相一致。采用ProCAST中CAF模块对以上四个截面进行微观组织模拟，采用的形核和生长参数为：面形核Ts.max=36、Ts.=1.0、ns.max=4.110 9 m-2，体形核Tv.max=8、Tv.=2.5、nv.max=7.810 14 m-3，生长参数为2=1.010-7 ms-1-2、3=3.510-8 ms-1-3。四个截面表面和中心的微观结构分析结果和模拟结果如图11所示。结果表明，模拟得到的晶粒形貌与试验结果基本一致。压力铸造2022年第12期/第71卷1553参考文献：1陈月凤，陈玉师.镁合金轮毂的铸造工艺与组织性能 J.铸造，2020，69（7）：737-742.2樊振中，陈军洲，陆政，等.镁合金的研究现状与发展趋势 J.铸造，2020，69（10）：1016-1029.3魏言标，陈少旭，王俊有，等.管理六因素（5M1E）的压铸工艺维稳策略 J.铸造，2021，70（3）：327-333.4WEI J，WANG Q D，ZHANG L，et al.Effects of Gd addition on the microstructure and tensile 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Study on Die Casting Process of Rare Earth Magnesium AlloyPENG Pai1,2,WU Guang-xin1,2,MA Zheng1,2,WANG Bo1,2,ZHANG Jie-yu1,2(1.School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China;2.State Key Laboratory of Advanced Special Steel,Shanghai University,Shanghai 200444,China)Abstract:In this paper,the filling and solidification process of magnesium alloy die casting was numerically simulated.Based on orthogonal experimental design,the effects of pouring temperature,mold temperature,injection speed and holding time on shrinkage porosity,hot tearing tendency were studied.Combined with the simulation results,the best die casting process parameters was obtained:690 pouring temperature,8m/s injection speed,240 mold temperature and 7 s holding time.The optimized die casting process parameters reduced the shrinkage porosity and hot tearing tendency on the die casting.Good quality magnesium alloy die casting was obtained by using process parameters,and the defect location and microstructure were verified.Key words:orthogonal test;magnesium alloy;die casting;numerical simulation（编辑：张允华，）8朱洪军.基于正交试验及数值模拟的下缸体压铸工艺优化 J.铸造，2021，70（6）：670-674.9潘成刚，雷志斌，周家林，等.基于ProCAST和正交试验法优化压铸模具寿命 J.特种铸造及有色合金，2017，37（6）：611-614.10 WANG D，SU Y，BAI M，et al.Design and optimization of die casting process for magnesium alloy radar shell based on numerical simulation A.2017 International Conference on Mechanical and Mechatronics Engineering C.Lancaster：DEStech Publications，2017：234-239.11 CAO G，KOU S.Hot hearing of ternary Mg-Al-Ca alloy castings J.Metallurgical and Materials Transactions A，2006，37（12）：3647-3663.12 KWON H J，KWON H K.Computer aided engineering（CAE）simulation for the design optimization of gate system on high pressure die casting（HPDC）process J.Robotics and Computer Integrated Manufacturing，2018，55：147-153.13 李二龙，冯孔方，郭海荣，等.多流式连铸过渡包的结构优化 J.钢铁研究学报，2021，33（9）：943-951.14 LIU S S，BAI L，WANG B，et al.Numerical simulations of solidification and hot tearing for 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