朱德瓏 張海陽(yáng) 楊國(guó)慶 李華斌 張 梅,3,4 楊弋濤,3,4

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072;2.上汽集團(tuán)技術(shù)中心，上海 201804；3.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072;4.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072)

近年來(lái)，輕量化是汽車行業(yè)的大勢(shì)所趨。雖然輕量化的材料多種多樣，但迄今為止還沒(méi)有出現(xiàn)能夠完全滿足所有要求的理想材料[1]。鋁合金是汽車上應(yīng)用得最早和最廣的輕金屬，由于鋁材幾乎可以全部回收，現(xiàn)代轎車廣泛使用鋁材已經(jīng)成為一種趨勢(shì)[2]。

汽車用鋁合金有鑄造鋁合金和變形鋁合金，鑄造鋁合金在汽車上的使用量占80%左右[3]。通常，鑄件凝固過(guò)程是受到各方面因素影響的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程。其中最為關(guān)鍵的是鑄造熱應(yīng)力的影響，它會(huì)使鑄件產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變甚至誘發(fā)裂紋。例如殘余拉應(yīng)力在工件服役過(guò)程中會(huì)與外加載荷疊加，當(dāng)局部應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限時(shí)就會(huì)引起變形和開(kāi)裂[4]。因而，對(duì)鑄件殘余應(yīng)力進(jìn)行控制是十分必要的。

國(guó)外在這方面的研究相對(duì)較早，Li等[5]首次將熱、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)三者耦合在一起分析研究了連鑄工藝過(guò)程；Choi等[6]開(kāi)發(fā)了FDM/FEM熱應(yīng)力模擬程序，對(duì)框形灰鑄鐵試件進(jìn)行了模擬與試驗(yàn)研究，得出框形試件的截面寬度對(duì)殘余應(yīng)力的影響要大于其長(zhǎng)度的影響。Hattel和Hansen等[7]研究了基于控制體積有限差分法求解以位移表示的平衡方程的方法，并運(yùn)用到德國(guó)的MAGAM鑄造模擬軟件的應(yīng)力場(chǎng)分析中。李世蕓等[8]、孫麗文等[9]通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)實(shí)際工件鑄造過(guò)程中的熱應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，推動(dòng)了數(shù)值分析過(guò)程在鑄造工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。

本文以A356鋁合金為研究對(duì)象，通過(guò)采用商用ADSTEFAN鑄造模擬軟件，對(duì)鋁合金副車架鑄造過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)鑄造缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，同時(shí)采用X射線無(wú)損探傷和X射線應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)實(shí)際副車架鑄件進(jìn)行測(cè)定，以驗(yàn)證模擬結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)提高鑄件質(zhì)量，降低成本，提高安全性的目的。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用A356鋁合金，鑄造工藝為金屬型旋轉(zhuǎn)鑄造，旋轉(zhuǎn)角度為0°～90°，從水平至垂直的旋轉(zhuǎn)時(shí)間為10 s。

在CATIA軟件中完成鑄件模型與澆注系統(tǒng)的建模，將制作好的三維立體模型存儲(chǔ)為STL格式。然后將STL文件導(dǎo)入ADSTEFAN鑄造模擬軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，之后進(jìn)行鑄造模擬工藝參數(shù)的設(shè)定，其中澆注方式為金屬型旋轉(zhuǎn)鑄造。經(jīng)不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，確定澆注溫度為720 ℃，澆注速度為60 cm/s，模具溫度為350 ℃。鋁合金副車架的部分?jǐn)?shù)值模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 副車架三維數(shù)值模型圖Fig.1 3D numerical model diagram of the subframe

為了更直觀地觀察缺陷程度和應(yīng)力分布，選定圖1中3個(gè)位置，選取點(diǎn)均在同一平面且較易保證擺放處于水平位置以避免測(cè)應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生誤差。采用X射線應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)實(shí)際鑄鋁件的這3個(gè)位置進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定，然后將實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，其目的在于比較經(jīng)ADSTEFAN軟件模擬的應(yīng)力場(chǎng)能否與實(shí)際鑄鋁件應(yīng)力分布相吻合。實(shí)測(cè)前，對(duì)X射線應(yīng)力測(cè)定儀進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)鑄件表面進(jìn)行電解拋光以提高表面光潔度。每個(gè)位置測(cè)量3次取平均值。最后對(duì)實(shí)際鑄件進(jìn)行X射線無(wú)損探傷。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

副車架鑄鋁件的ADSTEFAN軟件鑄造缺陷模擬結(jié)果如圖2(a)所示，其結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)圖1中的副車架三維數(shù)值模型。而圖2(b,c)則對(duì)應(yīng)了圖1中的1、2、3位置，分別為該3處的X射線無(wú)損探傷結(jié)果。

探傷結(jié)果表明，鑄造縮松縮孔產(chǎn)生的數(shù)量及位置與模擬結(jié)果基本相符，即位置1處存在大范圍縮松縮孔，位置2處基本無(wú)缺陷，位置3處存在較小縮孔。結(jié)合模擬結(jié)果中的填充率可知，位置1、3處缺陷的填充率為60%左右，說(shuō)明該處的鑄鋁不夠致密，在冷卻過(guò)程中由于冷卻不均勻使得該處產(chǎn)生熱節(jié)，因冷卻收縮得不到周圍金屬液的補(bǔ)充從而導(dǎo)致縮松縮孔的產(chǎn)生。位置2處則充型致密、內(nèi)部無(wú)缺陷。因此，位置1、3處的缺陷是鑄件橫截面突變導(dǎo)致冷速不均的結(jié)果，實(shí)質(zhì)是鑄件設(shè)計(jì)不合理所致。

為了進(jìn)一步觀察鑄件內(nèi)部缺陷的大小和形態(tài)，從鑄件位置1、3處剖開(kāi)，水磨去除線切割痕跡，采用體式顯微鏡(刻度1 mm)觀察其整體缺陷。圖3表明鑄件位置1、3處存在嚴(yán)重的縮孔和少量縮松，與圖2的探傷結(jié)果相對(duì)應(yīng)。金相分析發(fā)現(xiàn)，位置1處的缺陷呈長(zhǎng)條狀，偏向鑄件的一側(cè)，說(shuō)明與旋轉(zhuǎn)鑄造的澆注方法相應(yīng)，在澆注過(guò)程中傾斜的一側(cè)先接觸金屬液因而冷速大凝固快，易形成較高的致密度，后充滿的一側(cè)則易出現(xiàn)缺陷。此外，扁長(zhǎng)狀的縮孔呈連續(xù)分布與該位置處的凝固順序有關(guān)，表明上下兩側(cè)為最后凝固的區(qū)域，因而金屬液補(bǔ)縮時(shí)形成了該凝固方向的縮孔。位置1處大面積缺陷和位置3處單個(gè)縮孔均與模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)良好，其縮孔長(zhǎng)度均達(dá)到了1 mm以上。通過(guò)對(duì)缺陷形貌的觀察，能了解到實(shí)際鑄件的質(zhì)量，從而制定出更優(yōu)的方案，減少缺陷。例如，加快缺陷處下方的冷速，便能將缺陷位置上移至冒口中，這可在軟件中進(jìn)一步模擬驗(yàn)證。

采用Image-Pro Plus軟件對(duì)鑄件中的缺陷進(jìn)行定量分析，表1中對(duì)比了模擬及無(wú)損探傷結(jié)果中的缺陷面積比。從表1中可以看出，鑄件探傷測(cè)得的缺陷數(shù)量與模擬值較為接近，位置1處的缺陷數(shù)量達(dá)到了7%左右，結(jié)合金相觀察，縮孔呈條狀不均勻分布，同時(shí)周圍存在一些縮松，位置1是鑄件上下部分的聯(lián)接處，需要足夠的強(qiáng)度。但由于缺陷數(shù)量較多，在外力作用下，條狀縮孔尖端會(huì)萌生裂紋，分布其周圍的縮孔還會(huì)加速裂紋的擴(kuò)展，因此需要對(duì)該處進(jìn)行優(yōu)化以減少其缺陷數(shù)量。而位置3處的缺陷數(shù)量少于位置1處，為單個(gè)縮孔，數(shù)量大大減少，但缺陷尺寸仍達(dá)到了 1 mm。此外，考慮到兩處缺陷產(chǎn)生的原因均是鑄件冷速不均導(dǎo)致的熱節(jié)，同時(shí)都是上下部分的聯(lián)接部位，中間部分優(yōu)先凝固打斷了自下而上的凝固順序，因此缺陷形成的位置都位于鑄件的下部。解決的方法應(yīng)是在下端布置冷卻水管加速冷卻或是增加中間聯(lián)接部位的厚度降低其冷速。

表1 副車架鑄鋁件中缺陷的定量分析Table 1 Quantitative analysis of defects in the cast aluminum subframe

副車架鑄鋁件的ADSTEFAN軟件應(yīng)力模擬結(jié)果如圖4所示，其應(yīng)力分析對(duì)應(yīng)圖1中的副車架三維數(shù)值模型。

由圖4可以看出，3個(gè)位置均存在一定的應(yīng)力集中且均為拉應(yīng)力，低應(yīng)力狀態(tài)時(shí)顏色表現(xiàn)為藍(lán)色，隨著應(yīng)力的逐漸增加，其顏色會(huì)逐漸變?yōu)榫G色和黃色，應(yīng)力最大時(shí)為深紅色。觀察發(fā)現(xiàn)，位置1、2處的應(yīng)力模擬結(jié)果均呈現(xiàn)應(yīng)力較小的藍(lán)色，而位置3處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中。產(chǎn)生較大應(yīng)力的原因有：(1)由于工件壁厚不同導(dǎo)致鑄件在冷卻過(guò)程中不同部位的冷卻速度不同，收縮也就不均勻，鑄件要保持整體的連續(xù)性就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，且冷速差別越大，鑄造應(yīng)力也越大；(2)在砂型鑄造或金屬型鑄造中，靠近鑄型邊緣的部位，鑄件在收縮時(shí)受到外部因素如鑄型或砂芯的阻礙而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。存在較大應(yīng)力的部位，則是鑄鋁件在使用過(guò)程中可能萌生裂紋的地方。因?yàn)殍T件本身的應(yīng)力與外加載荷疊加時(shí)便很容易達(dá)到屈服強(qiáng)度導(dǎo)致變形開(kāi)裂，因而需要采取一定的措施消除應(yīng)力集中，例如去應(yīng)力退火。

圖4 副車架鑄鋁件的應(yīng)力模擬結(jié)果Fig.4 Simulated stress in the cast aluminum subframe

表2對(duì)比了副車架鑄鋁件3個(gè)位置的應(yīng)力模擬值與實(shí)測(cè)值。

表2 副車架鑄鋁件不同位置的應(yīng)力模擬值與實(shí)測(cè)值Table 2 Simulated and measured stress values in different positions of cast aluminum subframe

從表2中不難看出，3個(gè)位置的模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近。這說(shuō)明ADSTEFAN軟件的模擬結(jié)果能夠較好地反應(yīng)鑄件應(yīng)力情況，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出應(yīng)力集中區(qū)域，從而針對(duì)局部的不足改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，大大降低生產(chǎn)成本。例如，T6處理的鑄造鋁合金的屈服強(qiáng)度為300 MPa左右，當(dāng)存在100 MPa以上的殘余應(yīng)力時(shí)，在鑄件服役的情況下，鑄件內(nèi)應(yīng)力與外加載荷疊加，從而成為裂紋萌生的位置，使得副車架的使用壽命大大縮短，同時(shí)也會(huì)降低其安全性，因而建議再對(duì)其進(jìn)行去應(yīng)力退火。數(shù)值模擬能夠直觀地了解鑄件整體的應(yīng)力分布，在檢測(cè)時(shí)模擬結(jié)果也能提供應(yīng)力較大的位置，從而節(jié)省人力物力，又能提高效率。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)ADSTEFAN鑄造模擬軟件對(duì)副車架鑄鋁件鑄造過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)，鑄件內(nèi)部存在較為嚴(yán)重的縮松縮孔，但鑄件表面殘余應(yīng)力較小。

(2)通過(guò)X射線無(wú)損探傷和應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)實(shí)際鑄件的測(cè)定，以及體視顯微鏡對(duì)缺陷形貌的觀察，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬結(jié)果中縮松縮孔的大小、位置以及殘余應(yīng)力值。

(3)該數(shù)值模擬方法能在一定程度上指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，了解鑄件整體鑄造的質(zhì)量進(jìn)而優(yōu)化副車架鑄鋁件的工藝設(shè)計(jì)，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。