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摘要：某零件材質(zhì)為ZM5鎂合金，砂型鑄造工藝和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在不允許浸滲的前提下要增加氣壓試驗(yàn)，利用ProCAST有限元軟件的數(shù)值理論模擬，預(yù)判出可能存在的缺陷，在澆注工藝參數(shù)不變的前提下，通過(guò)優(yōu)化澆注系統(tǒng)從理論上消除鑄造缺陷，為后續(xù)設(shè)計(jì)ZM5鎂合金砂型鑄造工藝提供了成型依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ZM5鎂合金;砂型鑄造;低壓鑄造;澆注系統(tǒng);ProCAST

0 引言

鎂合金憑借其低密度、較高的比剛度被公認(rèn)為輕型環(huán)保金屬材料，但由于鎂合金凝固區(qū)間較寬，在鑄造過(guò)程中容易形成縮松、縮孔、熱裂等缺陷，限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。本文介紹的鑄件形狀如圖1所示，材料為ZMgAl8Zn，代號(hào)ZM5;零件結(jié)構(gòu)厚薄變化落差近38 mm，中間為一帶孔圓臺(tái)，帶孔圓臺(tái)與圓弧面部分交接處呈“T”形，存在熱節(jié)，屬于鑄造多熱節(jié)零件;射線探傷在厚薄過(guò)渡處不易查看缺陷，故最終零件要求進(jìn)行1.0 MPa氣壓試驗(yàn)，且不允許采用浸滲工藝。以上技術(shù)要求對(duì)于鎂合金鑄件來(lái)說(shuō)較為苛刻。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，本文擬采用砂型低壓鑄造工藝生產(chǎn)該鑄件。由于澆注工藝參數(shù)已經(jīng)較為成熟，本文主要針對(duì)鎂合金砂型低壓鑄造的澆注系統(tǒng)進(jìn)行研究，確保鑄件符合各項(xiàng)技術(shù)要求。

1 澆注系統(tǒng)理論分析

從理論上分析鑄件圖可知，由于尺寸問(wèn)題，澆注系統(tǒng)無(wú)法布置在中間部位，本文擬采用豎澆道與外縫隙澆道的形式將澆注系統(tǒng)布置在鑄件外圍，同時(shí)考慮到生產(chǎn)效率等，采用串澆方式，ProCAST有限元軟件模擬情況如下：

1.1? ? 理論四澆道澆注系統(tǒng)模擬

根據(jù)理論分析，預(yù)先布置四澆道，冷鐵根據(jù)計(jì)算如圖2（a）所示，模擬模型及結(jié)果如圖2所示：

（1）輸入材料成分，計(jì)算出的ZM5鎂合金材料的固相線溫度為421 ℃，液相線溫度為602 ℃，相差181 ℃，屬寬結(jié)晶溫度范圍合金，鑄件易產(chǎn)生縮松、縮孔、熱裂等缺陷。

（2）Niyama總?cè)毕蒿@示：鑄件邊緣厚薄交接處、兩根縫隙澆道中間、中間盲孔上部容易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷。

（3）從圖2（b）缺陷可以看出，缺陷已經(jīng)貫穿整個(gè)產(chǎn)品，可能導(dǎo)致打壓泄漏。

對(duì)四澆道的凝固過(guò)程進(jìn)行分析，四澆道澆注系統(tǒng)凝固示意圖如圖3所示。圖3（a）為金屬液充型完畢，隨著凝固繼續(xù)，接觸模具的表面冷卻較快，在外邊緣地方開(kāi)始凝固，如圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）所示，外圈由于僅有四根澆道，無(wú)補(bǔ)縮部位，導(dǎo)致在外緣中間部位形成孤立的熱點(diǎn)，從圖3（e）橫向解剖可以看出，澆道中間部位仍在橫向補(bǔ)縮，但補(bǔ)縮距離較遠(yuǎn)，較大概率會(huì)產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，故補(bǔ)縮距離較遠(yuǎn)是導(dǎo)致圖2所示缺陷產(chǎn)生的原因。

1.2? ? 理論六澆道澆注系統(tǒng)模擬

根據(jù)1.1節(jié)的分析，重點(diǎn)要解決補(bǔ)縮距離較遠(yuǎn)以及中間冷鐵放置不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，結(jié)合鑄件形狀尺寸，外圍能夠布置的澆道最多是六澆道（否則砂型強(qiáng)度不足以支撐），故將澆注系統(tǒng)更改為六澆道，理論模擬模型及缺陷示意圖如圖4所示。

六澆道模擬結(jié)果顯示，在泄漏部位的缺陷與圖2對(duì)比有了明顯減小，未發(fā)生缺陷貫穿產(chǎn)品的情況，但缺陷面積仍較大，機(jī)械加工無(wú)法將其去除。六澆道澆注系統(tǒng)凝固示意圖如圖5所示，六根澆道中間的區(qū)域仍然出現(xiàn)了孤立的區(qū)域，僅能通過(guò)橫向進(jìn)行補(bǔ)縮，縱向無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)縮。由于鎂合金凝固區(qū)間寬，較大概率會(huì)發(fā)生補(bǔ)縮不及時(shí)現(xiàn)象而導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。

1.3? ? 理論六澆道加“花瓣”狀縫隙澆道澆注系統(tǒng)模擬

通過(guò)1.1、1.2節(jié)的分析可知，澆注系統(tǒng)的更改可以有效縮短補(bǔ)縮距離，若要將鑄件內(nèi)部缺陷引至澆道中，仍需增加澆道，但鑄件尺寸受限，故理論上在六澆道基礎(chǔ)上將縫隙澆道連通，形成“花瓣”狀縫隙澆道，可以有效縮短補(bǔ)縮距離，同時(shí)將缺陷留至縫隙澆道。六澆道加“花瓣”狀縫隙澆道模型及缺陷示意圖如圖6所示，從圖6（b）、圖6（c）可以看出，該缺陷相比原來(lái)的四澆道和單純六澆道鑄造都有了明顯的減小，雖仍未完全消除，但缺陷距離鑄件外緣3 mm，后續(xù)可通過(guò)機(jī)械加工去除該缺陷，由此可知，六澆道加“花瓣”狀縫隙澆道的澆注系統(tǒng)理論上可以去除原縮松、縮孔、熱裂缺陷。

六澆道及“花瓣”狀縫隙澆道凝固示意圖如圖7所示，從圖7（a）至圖7（e）可以看出，隨著凝固的進(jìn)行，未出現(xiàn)孤立的熱節(jié)，這是由于“花瓣”狀縫隙澆道使得縱向的補(bǔ)縮永遠(yuǎn)存在，補(bǔ)縮距離也得到了縮短，縱向、橫向均可以得到補(bǔ)縮，使得出現(xiàn)缺陷的概率得以減小甚至消除。

因此，在六澆道基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)“花瓣”狀縫隙澆道，理論上可以有效避免縮松、縮孔、熱裂缺陷的產(chǎn)生。

2 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，本文設(shè)計(jì)了兩套工裝，不同澆注系統(tǒng)模具示意圖如圖8所示，分別利用四澆道澆注系統(tǒng)模具和六澆道加“花瓣”狀縫隙澆道澆注系統(tǒng)模具批量生產(chǎn)產(chǎn)品，并對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品按照引言中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

（1）利用四澆道澆注系統(tǒng)生產(chǎn)的若干件鑄件，經(jīng)過(guò)探傷合格后打壓，打壓合格率約為47%，泄漏部位示意圖如圖9所示，由此可以證明ProCAST模擬的結(jié)果與實(shí)際相符。

（2）利用六澆道加“花瓣”狀縫隙澆道澆注系統(tǒng)所生產(chǎn)的若干件鑄件，經(jīng)過(guò)探傷合格后打壓，打壓合格率為100%，再次可以證明ProCAST模擬的結(jié)果與實(shí)際相符。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）ProCAST有限元模擬軟件可以有效預(yù)判ZM5鎂合金鑄造工藝的合理性，縮短設(shè)計(jì)、研發(fā)周期。

（2）ZM5鎂合金凝固區(qū)間溫度約為181 ℃，凝固區(qū)間過(guò)寬不利于鑄造補(bǔ)縮以及順序凝固，尤其是對(duì)于砂型低壓鑄造且產(chǎn)品不允許浸滲的前提下，最終導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)縮松、縮孔、熱裂等缺陷，進(jìn)而產(chǎn)生打壓泄漏問(wèn)題。

（3）在ZM5鎂合金澆注工藝參數(shù)一定的前提下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)可以有效避免產(chǎn)品最終產(chǎn)生縮松、縮孔、熱裂等缺陷。本文介紹的鑄件通過(guò)六澆道及“花瓣”狀縫隙澆道的澆注，可以有效縮短鑄件凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮距離，避免產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，通過(guò)砂型低壓鑄造使產(chǎn)品打壓合格率大幅提升，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)、使用要求。

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