原标题：稀土镁合金压铸工艺数值模拟及正交试验研究。

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。

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。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。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。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。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。朱洪军研究了不同工艺参数对缩孔含量的影响。潘成刚等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。

表1 镁合金的化学成分 wB/%

图1 压铸件三维模型图

2.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，湍流模型选取标准k-ε湍流两方程模型，参见文献。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

体积函数方程：

式中：t为时间，s；x为位移，m；ρ为密度，kg/m³；P为流体压强，N/㎡ ；μ为运动粘度，m/s²；g为重力加速度，m/s² ；Cp 为热容，J/（kg·k-² ）；λ为热导率，W/（㎡·K）；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。

图2 热物性参数

4.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。

表2 四因素三水平表

表3 L9（3 4 ）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（HotTearing 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。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。

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；图片为等效应变速率。

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。

表4 极差分析表

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。

图3 缩松缩孔的均值

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。

图4 热裂倾向的均值

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。

图5 镁合金压铸件充型模拟过程图

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。

图6 缩孔、缩松分布及统计区域

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。

图7 热裂预测结果及节点选取位置

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 m³；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。

图8 镁合金压铸件照片

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。

图9 选点示意图

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。

图10 试样3不同位置模拟与试验结果

采用ProCAST中CAFé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∆T s.max =36 ℃、∆T s.σ =1.0 ℃、n s.max =4.110 9 m-² ，体形核∆T v.max =8 ℃、∆T v.σ =2.5℃、n v.max =7.810 14 m-³ ，生长参数为α 2 =1.0×10 -7 ms-¹ ℃-² 、α 3 =3.5×10 -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。

图11 模拟结果与试验结果的对比

8.结论

（1）对稀土镁合金铸件进行了压铸工艺数值模拟，得到了优化后的工艺参数：浇注温度为690 ℃，模具温度为240 ℃，压射速度为8 m/s，保压时间为7 s。
（2）建立镁合金压铸的正交试验，得出浇注温度对缩松、缩孔和热裂倾向指数综合影响相对较大。
（3）根据镁合金压铸的数值模拟结果，进行了压铸试验，获得铸件表面平整、光滑，没有明显的裂纹等缺陷，并且对缺陷位置和微观组织进行了试验验证。

作者

彭湃 吴广新 马征 王波 张捷宇
海大学材料科学与工程学院  
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

本文来自:《铸造》杂志