徐 琴，王 星，何石磊，張?zhí)m權(quán)

1.河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001；2.中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽710109

ZL205A合金是典型的Al-Cu系高強度鑄造鋁合金，其強度高、綜合性能好，已在航空、航天、兵器、核工業(yè)、汽車等領(lǐng)域中大量使用，取得了較大的經(jīng)濟效益和社會效益[1-2]．然而Al-Cu合金的結(jié)晶溫度區(qū)間較寬，液態(tài)下粘度較大，所以ZL205A的鑄造性能較差[3-4]．在傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)中，往往采用重力鑄造的方法成型ZL205A合金鑄件，由于其結(jié)晶溫度范圍寬，在鑄造凝固時呈粥狀凝固，鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生疏松、熱裂、縮孔等鑄造缺陷[3,5]．立式離心鑄造技術(shù)，澆注過程中高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力可以增強合金熔體的充型能力，減少充填鑄型的時間及金屬液溫度降低的程度，從而提高液態(tài)金屬的流動性能，適合鑄造那些粘度高、流動性差的合金熔體[6-7]；另一方面，立式離心鑄造生產(chǎn)工藝簡單、加工余量少、生產(chǎn)效率高，而且還能有效地改善鑄件的補縮條件，節(jié)省鑄型澆注系統(tǒng)及冒口的金屬液消耗[8-9]．所以，立式離心鑄造工藝技術(shù)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中．然而，立式離心鑄造過程中，由于離心壓力在不同半徑處有梯度性，鑄件的凝固組織與重力鑄造下的凝固組織也不相同[10]．因此，將對立式離心鑄造ZL205A合金鑄件的凝固進(jìn)行數(shù)值模擬，從而探討離心轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對其凝固組織的影響規(guī)律．

1 模型及參數(shù)設(shè)置

1.1 模型的建立

用于數(shù)值模擬鑄件的尺寸為135 mm×25 mm×10 mm的矩形鑄件，利用Pro/E5.0軟件進(jìn)行三維建模(圖1)．鑄件及其澆注系統(tǒng)如圖1(a)所示；網(wǎng)格剖分時把鑄件分劃成細(xì)小的網(wǎng)格，而澆注系統(tǒng)則用粗大網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖1(b)所示；用Mesh CAST網(wǎng)格處理模塊選擇澆口位置，使鑄件生成熔模型殼，型殼的厚度設(shè)值為3 mm，如圖1(c)所示．

1.2 參數(shù)設(shè)置

對ZL205A合金立式離心鑄件的凝固組織進(jìn)行計算，首先對鑄件的充型與凝固過程進(jìn)行計算．鑄型材料選用Pro CAST軟件砂型參數(shù)中的SAND Zircon，鑄件材料選用ZL205A合金．充填及凝固過程進(jìn)行模擬的主要參數(shù)設(shè)置如下：鑄型和鑄件之間的界面為COINC，界面換熱系數(shù)h=100 J/m2·s·K，砂型外表面為空冷(Air Cooling)；在Run Parameters設(shè)置時在Preferences的面板中點擊選擇Centrifugal(離心鑄造)，POROS(縮松模型)改成模型8，把FLOW設(shè)置為1．為了研究鑄型轉(zhuǎn)速、熔體的澆注溫度及鑄型的預(yù)熱溫度對鑄件凝固組織的影響，分別設(shè)定熔體的澆注溫度為700，730和750 ℃，鑄型的預(yù)熱溫度為25，100和300 ℃，鑄型的離心轉(zhuǎn)速為150，300和450 r/min．采用ProCAST軟件的CAFE模塊進(jìn)行凝固組織模擬時，在鑄件上設(shè)置兩個區(qū)域進(jìn)行凝固組織模擬(圖2)．兩個區(qū)域的表面形核參數(shù)設(shè)置：第一個區(qū)域賦值為DTm(最大過冷度)為4 ℃，DTs(最適過冷度)為1 ℃，Nmax(最大體積形核系數(shù))為1×107m-3；第二個區(qū)域賦值為DTm為5 ℃，DTs為1 ℃，Nmax為1×107m-3．兩區(qū)域的體積形核參數(shù)均為DTm為6 ℃，DTs為1 ℃，Nmax=1×106m-3．Physical Data(物理參數(shù))設(shè)置要給Liquidus Temp(液相線溫度)賦值為618 ℃，生長動力模型Data(參數(shù))中賦值為a1為1.05e-006，a2=8.768e-007，高斯分布模型中各參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置不變．

圖1 鑄件及其鑄型(a)鑄件模型；(b)鑄件網(wǎng)格；(c)鑄型及網(wǎng)格Fig.1 The casting and its mould(a) the casting model; (b) the grid of the casting; (c) the assembly of the casting and its grid

圖2 模擬區(qū)域位置選擇Fig.2 Area selection for the solidified structure simulation

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 ZL205A合金的立式離心凝固組織

在鑄型轉(zhuǎn)速n=300 r/min、鑄型溫度t=25 ℃及澆注溫度為t=700 ℃條件下，對鑄件凝固組織進(jìn)行模擬．圖3為ZL205A鋁合金的立式離心鑄造凝固組織．圖3(a)和圖3(b)為區(qū)域1和區(qū)域2的在距離底面4.8 mm處截面的凝固組織，圖3(c)為當(dāng)鑄型轉(zhuǎn)速300 r/min時壁厚為10 mm的ZL205A合金立式離心鑄件的金相組織．從圖3可以看出：無論是鑄件的表面還是鑄件的芯部，ZL205A合金立式離心鑄件的凝固組織均為尺寸均勻而細(xì)小的等軸晶組織，幾乎沒有柱狀晶存在；對比鑄件凝固組織的模擬結(jié)果和實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，立式離心鑄造ZL205A合金鑄件凝固組織的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致．

圖3 離心鑄造ZL205A合金的凝固組織，200×(a)區(qū)域1的模擬組織；(b)區(qū)域2的模擬組織；(c)實驗件的金相組織Fig.3 Simulated microstructure of the centrifugal casting ZL205A alloy(a) simulated microstructure of area 1；(b) simulated microstructure of area 2；(c) the microstructure of experimental casting

利用ProCAST軟件的CAFé模塊中的analysis分析功能，對凝固組織演化規(guī)律進(jìn)行更深一步分析，可以獲得鑄件晶粒尺寸大小及相應(yīng)尺寸晶粒所占的百分比情況，其結(jié)果如圖4所示．從圖4可以看出：ZL205A鋁合金的立式離心鑄造凝固組織大多數(shù)是尺寸均勻而細(xì)小的晶粒，只有極少量粗大晶粒的存在；其凝固組織晶粒尺寸為400 μm左右的細(xì)小等軸晶，且該尺寸范圍的鑄件晶粒占鑄件晶?？偭康?0.955%．這也從另一方面說明，ZL205A合金的立式離心鑄造組織幾乎全是以細(xì)小等軸晶存在，只存在極少量的柱狀晶．

圖4 鑄件晶粒尺寸及所占的百分比Fig.4 Grain size distribution and its percentages

2.2 工藝參數(shù)對凝固組織的影響

2.2.1 鑄型轉(zhuǎn)速對凝固組織的影響

在鑄型的預(yù)熱溫度為t=25 ℃和充填熔液的澆注溫度為t=700 ℃條件下，當(dāng)鑄型轉(zhuǎn)速分別為150，300和450 r/min時，對ZL205A合金的立式離心鑄造組織進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法獲得晶粒尺寸的分布情況(圖5)．從圖5可以看出，當(dāng)鑄件的澆注溫度和鑄型的預(yù)熱溫度相同時，鑄件的晶粒尺寸隨著鑄型離心轉(zhuǎn)速的增加而明顯減?。?/p>

圖5 不同鑄型轉(zhuǎn)速下鑄件的晶粒尺寸分布Fig.5 Grain size distribution of mould rotational speed

眾所周知，在鋁合金立式離心鑄造充型凝固的過程中，合金熔液同時受到重力、離心力和科氏力的作用，受力情況比較復(fù)雜．當(dāng)金屬熔液受到這些慣性力的作用時，其流動速度變大，隨之的換熱能力也相應(yīng)的得到加強，致使冷卻速度變大，這就給熔體中的晶核生成提供了一個良好的條件，促進(jìn)了形核的生成，進(jìn)而細(xì)化了鋁合金離心鑄件的凝固組織．在離心力的影響之下，由于鑄件的離心轉(zhuǎn)速提高，離心力的作用也相應(yīng)變大，使得鋁合金熔液中的晶核數(shù)量也跟著變多．另一方面，由于鋁合金離心鑄件轉(zhuǎn)速的增大，鋁合金熔液的冷卻速度變得更大，這促使了鋁合金熔液中晶核的大量生成．所以，隨著鋁合金立式離心鑄型轉(zhuǎn)速的提高，凝固組織晶粒大小也隨之減小．

2.2.2 鑄型預(yù)熱溫度對凝固組織的影響

圖6 不同鑄型預(yù)熱溫度時鑄件的晶粒尺寸分布Fig.6 Grain size distribution of different mould preheat temperature

在鑄型的離心轉(zhuǎn)速n=300 r/min、熔體的澆注溫度t=700 ℃條件下，當(dāng)鑄型預(yù)熱溫度t分別為25，100，300 ℃時，研究ZL205A合金的立式離心鑄造凝固組織的晶粒尺寸分布情況，圖6為不同鑄型預(yù)熱溫度下鑄件的晶粒尺寸分布．從圖6可以看出，隨著鑄型預(yù)熱溫度的提高，ZL205A合金離心鑄件的凝固組織有變粗的傾向，但是晶粒尺寸的變動范圍很小，僅從400 μm增加至約401.5 μm，這說明提高鑄型的預(yù)熱溫度對于薄壁鑄件凝固組織的影響不大．

由于研究的鋁合金離心鑄件形狀結(jié)構(gòu)相對比較簡單，且鑄件的壁厚較薄，散熱較快，即使采用較大的鑄型溫度，也不易形成偏大的溫度梯度，造成冷卻速度較低而使鋁合金熔液中的晶核不易生長的情況發(fā)生．所以，即使在一定程度上給鑄型預(yù)熱，甚至溫度調(diào)大，也不會對所研究鑄件的凝固組織晶粒大小造成影響．

2.2.3 熔體澆注溫度對凝固組織的影響

在鑄型的離心轉(zhuǎn)速n=300 r/min、鑄型的預(yù)熱溫度t=25 ℃的條件下，當(dāng)鋁合金熔體的澆注溫度t分別為700，720和750 ℃時，研究ZL205A合金的立式離心鑄造凝固組織的晶粒尺寸分布情況，圖7為不同澆注溫度下鑄件的晶粒尺寸分布．從圖7可以看出，隨著鋁合金熔體澆注溫度的增大，鑄件凝固組織的晶粒大小變化不是很明顯．這說明等軸晶粒分布均勻，熔體澆注溫度的改變對凝固組織的影響不是很大．

圖7 不同澆注溫度下鑄件的晶粒尺寸分布Fig.7 Grain size distribution of different melt pouring temperature

3 結(jié) 論

(1)在鑄型轉(zhuǎn)速n=300 r/min、鑄型溫度t=25 ℃及澆注溫度為t=700 ℃條件下，立式離心鑄造ZL205A鋁合金薄壁鑄件的大部分凝固組織為尺寸均勻而細(xì)小的等軸晶晶粒，只存在極少量的粗大的柱狀晶晶粒．

(2)鑄型的離心轉(zhuǎn)速越高，鋁合金立式離心鑄件的凝固組織越細(xì)；提高熔體澆注溫度可使鑄件的晶粒尺寸有些許增加，但變化不大；而提高鑄型預(yù)熱溫度，對凝固組織晶粒尺寸的影響不大．