李 飛，李高宏，黃 亮，余申衛(wèi)，許 崗

(1.西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院,西安 710021;2.中國船舶集團(tuán)有限公司第十二研究所,興平 713102)

拉伸試棒是反映鑄造鋁合金力學(xué)性能最直接的樣品,其澆鑄系統(tǒng)多依據(jù)GB/T1173-2013來設(shè)計(jì)[1]。在拉伸試棒的模具設(shè)計(jì)中,為減少模具重量以及操作便利,其直澆道均為豎直設(shè)置[2-5]。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),液態(tài)金屬流入豎直澆道后,模具內(nèi)部分氣體排出與流入液態(tài)金屬處于同一通道,兩者會(huì)發(fā)生沖撞,氣體排出不及時(shí),易形成卷氣和夾雜現(xiàn)象[6-7];嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成液態(tài)金屬返涌飛濺等現(xiàn)象,影響拉伸試棒的成型與質(zhì)量[8-10]。蛇形豎直澆道的設(shè)計(jì)優(yōu)化了GB/T1173-2013模具結(jié)構(gòu),具有降低液態(tài)金屬流速,除渣除氣的功效,但該設(shè)計(jì)并未深入討論涉及的科學(xué)機(jī)理[11]。同時(shí),金屬液體從集渣腔經(jīng)過內(nèi)澆道流入成型區(qū)時(shí),內(nèi)澆道與集渣腔連接的位置(高度)多來自于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)或未說明設(shè)計(jì)理由[12]。該位置(高度)的不同會(huì)導(dǎo)致集渣腔內(nèi)金屬液進(jìn)入內(nèi)澆道的液體壓力存在差異,導(dǎo)致試棒成型后期的補(bǔ)縮效果不同。特別是對(duì)于寬結(jié)晶溫度范圍的合金[13-18],隨著澆注過程的進(jìn)行,合金液糊狀凝固的特征更加明顯,液體流動(dòng)性顯著下降,導(dǎo)致液體充型不完整,試棒凝固過程中無法得到有效的液體補(bǔ)縮,造成成型試棒存在縮孔、縮松或形成冷隔等缺陷[19-20]。

為了有效獲得結(jié)晶質(zhì)量良好的鋁合金,真實(shí)反映合金力學(xué)性能,本文使用ANSYS軟件,利用流體靜力學(xué)和傳熱學(xué)基本原理模擬了直澆道的傾斜角度對(duì)流體流動(dòng)以及內(nèi)澆道與集渣腔連接位置對(duì)流體壓強(qiáng)傳遞與流體傳熱的影響,設(shè)計(jì)了一種鋁合金拉伸試棒的鑄造模具(下稱新型模具);利用模擬結(jié)果開發(fā)了一種鋁合金試棒澆注模具;采用ZL205和ZL101進(jìn)行了澆注實(shí)驗(yàn),并采用GB/T1173-2013模具進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1 新型模具設(shè)計(jì)

1.1 模具結(jié)構(gòu)

圖1為拉伸試棒模具結(jié)構(gòu)示意圖。拉伸試棒模具由兩片分離的模具本體相互扣合組成,內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)特征為:澆注口設(shè)置于模具內(nèi)部的右頂端,與澆注口下端連接的直澆道傾斜設(shè)置;在直澆道的下部中間位置連通設(shè)置有傾斜向上的止速道,止速道的左端連通于垂直設(shè)置的集渣腔的中部,集渣腔左側(cè)壁上連通有傾斜向上的內(nèi)澆道,內(nèi)澆道左端連通有試棒內(nèi)腔,試棒內(nèi)腔的正上方設(shè)置有薄片狀的補(bǔ)縮腔,補(bǔ)縮腔的下部兩側(cè)與試棒內(nèi)腔的上部兩側(cè)連通;補(bǔ)縮腔上部連通有數(shù)條排氣通孔。試棒尺寸標(biāo)準(zhǔn)參考GB6397-86。

1—澆注口;2—直澆道;3—止速道;4—集渣腔;5—內(nèi)澆道;6—試棒內(nèi)腔;7—補(bǔ)縮腔;8—卡位座;9—定位座;10—排氣通孔

1.2 模具材質(zhì)與相關(guān)參數(shù)

1.2.1 模具材料及適合澆注的合金材料

模具由鑄鐵材料制備而成,該材料導(dǎo)熱系數(shù)高[21],可實(shí)現(xiàn)澆注合金的迅速冷卻,獲得高品質(zhì)的拉伸鑄棒。本澆注模具適合于澆注鋁合金拉伸鑄棒,特別適合于凝固溫度范圍較寬的鋁合金拉伸試棒的澆注。

1.2.2 模具的其它特點(diǎn)

止速道與集渣腔連接處位于集渣腔形心以下;補(bǔ)縮腔的厚度5～8 mm,其內(nèi)壁均布直徑2～4 mm的盲孔,盲孔內(nèi)填充有保溫泥;排氣通孔的孔徑小于2 mm。

1.2.3 流體靜力學(xué)和傳熱學(xué)模擬與參數(shù)設(shè)定

模擬用軟件ANSYS Fluent是一種廣泛使用的工程模擬軟件,用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、電磁場(chǎng)、聲學(xué)等多領(lǐng)域的物理仿真分析[22-25]。金屬液在鑄造模具的充型和凝固過程涉及流體的動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)問題。具體參數(shù)設(shè)定:金屬液進(jìn)入模具的壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;流速為0.3 Kg·s-1,采用層流模型;溫度變化為740～0 ℃;填充時(shí)間為2 min;金屬液動(dòng)力粘度系數(shù)選擇鋁銅合金動(dòng)力粘度系數(shù)[26],設(shè)置完畢開始進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 模擬與實(shí)驗(yàn)

2.1 直澆道傾斜角度

充型中液態(tài)金屬流速的變化影響到充型的順序,充型的穩(wěn)定性和充型時(shí)間,這些都可能造成鑄件缺陷。速度越小,越容易造成冷隔或澆不足現(xiàn)象;速度越大,會(huì)產(chǎn)生噴射現(xiàn)象并形成夾雜或者鋁球。在標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒澆注中,在壓頭確定的前提下,液態(tài)金屬流速主要受到主澆道傾斜度θ的制約。圖2為傾斜管路中勻速流動(dòng)流體動(dòng)力學(xué)平衡方程圖解。

圖2 傾斜管路中勻速流動(dòng)流體動(dòng)力學(xué)平衡方程圖解

假設(shè)在傾斜管中流體(密度ρ)勻速流動(dòng),速度為u在直澆道充滿流體的前提下,θ為直澆道的傾斜角,即

(1)

式中:z1和z2為壓力P1和P2在流體作用點(diǎn)到水平線的垂直距離,l為流體的長度。

由勻速流動(dòng)流體動(dòng)力學(xué)平衡方程[27],即

(P1-P2)πr2+ρgπr2lsinθ—τ2πrl=0,

(2)

式中:P1和P2為不同作用點(diǎn)的壓力,r為管中流體的半徑,ρ為流體密度,l為流體的長度,τ為流體受到的摩擦阻力。

由式(2)可知,在0-90°,θ越大,重力(動(dòng)力)對(duì)流動(dòng)/流速的影響越大。在實(shí)際的澆注過程中,θ越大,流體流速越大,澆注時(shí)間越短。但θ過大,高溫金屬液體進(jìn)入澆道易于卷入過量空氣并不利于腔體內(nèi)部氣體排除,易造成液態(tài)金屬飛濺;θ越小,澆注時(shí)間越長,雖不易發(fā)生卷氣且易于腔體排氣,但流體流速降低。伴隨著對(duì)澆道的傳熱,流體溫度下降顯著,粘度增加,可能會(huì)在澆道或者其后流入的過渡腔和型腔中凝固,堵塞腔體,造成澆不足現(xiàn)象?？梢钥闯?θ對(duì)液態(tài)澆注成型過程是一個(gè)矛盾的影響因素。直澆道的最佳傾斜角度的確定至關(guān)重要。

圖3為直澆道傾斜角度為60°、70°和80°時(shí)澆注模具液態(tài)金屬流速變化圖。

圖3 直澆道傾斜角度為60°、70°和80°時(shí)澆注模具液態(tài)金屬流速變化圖

由圖3可知,三種傾斜角θ下,液態(tài)金屬在止速道和內(nèi)澆道具有較大的流速變化,這符合管徑變小,流速增大的一般規(guī)律。液態(tài)金屬進(jìn)入試棒內(nèi)腔時(shí),直澆道傾斜角為70°時(shí)流速變化空間最小,故對(duì)試棒成型質(zhì)量影響也最小;而直澆道傾斜角為60°和80°時(shí),液態(tài)金屬進(jìn)入試棒內(nèi)腔時(shí)流速變化空間顯著增大,試樣區(qū)充型界面不穩(wěn)定。結(jié)果表明:直澆道傾斜角為70°時(shí),進(jìn)入試棒內(nèi)腔的液態(tài)金屬流速變化空間最小,對(duì)試棒質(zhì)量影響最小。

2.2 集渣腔與內(nèi)澆道連接位置的流體壓力

圖4為豎直集渣腔剖面靜壓力點(diǎn)ZD計(jì)算示意圖。

圖4 豎直集渣腔剖面靜壓力點(diǎn)ZD計(jì)算示意圖

假設(shè)豎直集渣腔剖面為矩形,則由靜壓力作用點(diǎn)計(jì)算公式,即

F=ρghcA,

(3)

其中hc為幾何中心高度。而壓力作用點(diǎn)為:

(4)

其中:IC= 1/12ba3,為形心對(duì)稱坐標(biāo)軸的慣性矩,A為矩形的面積。ZD是圖形幾何中心之下的某一位置,為相對(duì)靜壓中心(壓心)。從圖4可知,ZC=a/2,ZD=ZC+(a/b)。ZD位置/高度所受流體靜壓為該面最大受力點(diǎn)。這表明內(nèi)澆道在豎直集渣腔的高度位置應(yīng)為豎直集渣腔豎直剖面幾何中心下某一位置。

根據(jù)模具設(shè)計(jì)圖紙,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的集渣腔與內(nèi)澆道連接點(diǎn)ZD。為對(duì)比說明,另取ZD-10 mm和ZD-20 mm兩點(diǎn)模擬靜壓傳遞效果。

圖5為直澆道傾斜角度為70°,不同靜壓力作用點(diǎn)ZD位置的型腔液態(tài)金屬壓力分布圖。

圖5 直澆道傾斜角度為70°,不同靜壓力作用點(diǎn)ZD位置的型腔液態(tài)金屬壓力分布

從圖5可以看出,內(nèi)澆道水平高度為ZD時(shí)(圖5(a)),豎直集渣腔頂部出現(xiàn)了壓力降低的特征。其顯示的壓力在-3.04×106～-9.16×106Pa,呈負(fù)壓特征,表明此處并未充滿液態(tài)金屬,這達(dá)到了凈化液態(tài)金屬,存儲(chǔ)雜質(zhì)的效果;相反,在ZD-10 mm(圖5(b))和ZD-20 mm(圖5(c))時(shí),液態(tài)金屬充滿豎直集渣腔,其顯示壓力超過1.08×106Pa和1.22×106Pa,呈正壓分布且與主澆道靜壓力相當(dāng),因而沒有反映出存儲(chǔ)雜質(zhì)的功效。同時(shí),由圖5(a)可知,內(nèi)澆道水平高度為ZD時(shí),直澆道流體靜壓與試棒成型區(qū)流體靜壓相當(dāng),基本實(shí)現(xiàn)了靜壓傳遞的最大效果,有效保證試棒的致密。而圖5(b)和圖5(c)中,直澆道靜壓與試棒成型區(qū)流體靜壓差別交大,表明流體靜壓未能有效傳遞到模具內(nèi)部,這將對(duì)拉伸試棒成型質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

2.3 熱量分布模擬

圖6為直澆道在傾斜角θ為70°時(shí),模具內(nèi)熱量分布模擬圖。由圖6可知,型腔傳熱過程是典型的順序凝固過程。試棒內(nèi)腔處于模具內(nèi)腔較低溫區(qū)且溫度分布一致,表明試棒散熱均勻,可以獲得組織均勻的試棒;同時(shí),豎直集渣腔內(nèi)溫度出現(xiàn)不均一現(xiàn)象,這與圖5中該區(qū)壓力分布現(xiàn)象相符。結(jié)果表明,豎直集渣腔實(shí)現(xiàn)了過濾除渣集氣和流體靜壓有效傳遞的功能,有利于獲取材質(zhì)純凈均勻的試棒。

圖6 直澆道在傾斜角θ為70°時(shí),模具內(nèi)熱量分布模擬圖

2.4 試棒組織分析

將GB/T1173-2013金屬型單鑄澆注系統(tǒng)模具和本設(shè)計(jì)模具(新型模具)分別清理潔凈,預(yù)熱150 ℃;在模具內(nèi)壁涂覆涂料2-3次至涂層均勻,并預(yù)熱250 ℃以上保溫10 min,準(zhǔn)備澆鑄;取ZL205A和 ZL101A鑄錠若干,在780 ℃熔化后,在750 ℃保溫10 min除氣,除渣,靜置15 min分別澆注低速澆入上述兩種模具內(nèi); 3 min后開模,取出鑄件,制備金相試樣,其中ZL205A澆注實(shí)物如圖7所示。

圖7 新型模具澆注實(shí)物(ZL205A)

由圖7可看出:豎直集渣腔頂部未完全充滿金屬液體。這表明渣腔頂部起到了集渣和集氣的功效,這與圖5(a)模擬結(jié)果一致。

圖8和圖9分別為ZL205A和 ZL101A合金拉伸試棒組織金相。采用截線法,選取同一試樣3個(gè)不同區(qū)域計(jì)算了合金平均晶粒度和平均晶粒尺寸。

圖8 ZL205A合金拉伸試棒鑄態(tài)組織金相

圖9 ZL101A的合金拉伸試棒鑄態(tài)組織金相

由圖8可知,用新型模具澆注的ZL205A平均晶粒大小為37.55 μm,金屬型單鑄澆注系統(tǒng)獲得的ZL205A平均晶粒大小為76.74 μm。統(tǒng)計(jì)試樣金相組織中,采用50個(gè)枝晶間距作為合金的平均枝晶間距。由圖9可知,用新型模具澆注的ZL101A平均枝晶間距為15.3 μm,金屬型單鑄澆注系統(tǒng)獲得的ZL101A合金平均枝晶間距為22.29 μm。

從拉伸試棒組織金相分析可知,用新型模具澆注的ZL101A有更短的枝晶間距,ZL205A有更小的晶粒尺寸,新型模具比金屬型單鑄澆注系統(tǒng)(GB/T1173-2013)可以獲得更好的金相組織。分析認(rèn)為,新型模具中流速變化空間最小,對(duì)試棒成型質(zhì)量影響也最小;成型區(qū)靜壓最大,實(shí)現(xiàn)了靜壓傳遞的最大效果,有效保證試棒的致密;試棒內(nèi)腔溫度分布一致,表明試棒散熱均勻,有利于組織均勻的試棒。

3 結(jié) 論

1) 設(shè)計(jì)的新型模具中,當(dāng)直澆道傾斜角為70°時(shí),液態(tài)金屬流動(dòng)界面前沿最穩(wěn)定,保障了拉伸試棒的質(zhì)量。當(dāng)鑄造模具的內(nèi)澆道水平高度為ZD時(shí),集渣腔頂部未充滿液態(tài)金屬,達(dá)到了凈化液態(tài)金屬,存儲(chǔ)雜質(zhì)的效果;同時(shí)集渣腔內(nèi)流體靜壓與直澆道和試棒成型區(qū)靜壓相當(dāng),實(shí)現(xiàn)了流體壓力傳輸?shù)淖畲笮Ч?/p>

2) 對(duì)比新型模具和金屬型單鑄澆注系統(tǒng)(GB/T1173-2013)澆注鋁合金試樣可知,ZL101A的枝晶間距分別為15.3和 22.29 μm;ZL205A平均晶粒大小分別為37.55和76.74 μm,新型模具獲得的金相組織更佳。