图1：3种具有不同下落式高度的模型

原标题：基于Flow-3D的铝合金铸件低压铸造充型过程卷气行为研究

摘要：基于Flow-3D软件对3种不同结构的铸件低压铸造充型过程进行数值模拟，分析了增压速度和铸件结构对充型过程中卷气量的影响。基于模拟结果，分别选择卷气最严重和充型最平稳的两种结构的模型，进行生产试制，并对其进行了拉伸试验研究，分析了卷气含量对力学性能的影响。

随着汽车轻量化的发展，铝合金铸件在汽车上应用越来越广泛。汽车车身所应用的一些薄壁铸件主要采用高压铸造，而一些复杂结构的铸件如轮毂、发动机缸体和缸盖等多数采用低压铸造成形。低压铸造具有充型平稳、速度可控，压力下凝固利于补缩等特点。但是对低压铸造的充型过程不够重视。近期，有研究者发现，如果低压铸造过程中的增压速度过快，导致金属液充型速度超过临界充型速度值(0.5 m/s)，从而产生卷气、卷渣缺陷，降低铸件的力学性能。低压铸造充型过程中，增压速度和铸件的自身结构都会对卷气缺陷产生影响，因此，本课题通过数值模拟和试验相结合，对3种不同结构的平板型铸件和不同的增压速度进行了研究，明确了卷气缺陷产生的原因，为低压铸造平稳充型的工艺设计提供参考。

1 试验方法

主要考察铸件结构和增压速度对充型过程的影响，因此，设计了3种不同结构的简单模型，见图1。铸件的尺寸为280 mm×150 mm×30 mm，3个平板型铸件中心位置分别具有不同高度的下落式（waterfall）结构，其下落高度分别为0、15和30 mm，以此来考察下落式结构对铸件质量的影响。

采用Flow-3D软件，对3种不同模型和不同充型压力进行了模拟。应用软件中的卷气模型，对不同方案充型过程中的卷气量进行分析。将这3种模型保存为STL文件，分别导入Flow-3D中，将铸件网格剖分为500万，铸件材料为ZL101A，浇注温度为700℃，根据软件自带数据库，合金粘度为0.0019Pa•s，模具材料选取H13钢，预热温度为250℃，针对这3种模型，依次输入增压速度为2000、1200、600和300Pa/s进行模拟，具体方案的编号见表1。

表1：不同模型和不同增压速度的方案编号

根据模拟结果，选取卷气量最大和最小的模型，进行生产试制。现场采用燃气炉对ZL101A进行熔炼，用Al-10Sr和Al-5Ti-1B中间合金进行变质和细化精炼，除气工艺采取除气转子通入氮气，进行旋转喷吹除气工艺，其中，铸造过程的参数设计与模拟的参数设置一致，为保证铝合金状态一致，本试验在一个坩埚内完成。对成功生产的铸件进行铸态力学性能分析，每个铸件取4个M6的拉伸式样，取样位置见图2，每种模型分析6个铸件，共24个拉伸样品，拉伸试验采用国际标准DIN EN ISO 6892-1。取力学性能最低的样品，用SEM进行断口分析，分析降低力学性能的根本原因。

图2：拉伸试样取样位置示意图

2 试验结果与讨论

2.1 充型过程模拟结果

以V3.1方案为例，观察充型过程中的卷气的分布情况，见图3。可以看出，充型时间为2.9 s时，金属液平稳上升；当充型到3.6 s时，金属液进入下落（waterfall）区域，产生严重的湍流现象，卷气严重；随着充型过程继续进行，下落区域产生的卷气会随着金属液的上升而随机分布到铸件中。

图4的模拟结果显示了不同模型在不同增压速度下充型完毕后的卷气分布情况，可以看出，模型V1的卷气较少，随着增压速度增加，卷气量略有提高。而模型V2和V3，无论增压速度增加与否，都有不同程度的卷气产生，并且分布情况有差别。

为了明确增压速度和下落结构对卷气量影响的大小，对各个方案的卷气结果进行量化分析，将每种方案的卷气量从Flow-3D中导出，见图5。从卷气量化分析结果可以看出，当没有下落结构时，卷气量随着增压速度的增大而增加；当有下落结构时，卷气量随着增压速度的变化不明显；同一种增压速度下，增加下落结构的高度，卷气量会明显增加。因此，铸件中的下落结构是影响卷气量的首要因素，当没有下落结构时，增压速度会影响卷气量。

图3：充型过程卷气模拟结果

图4：不同方案的卷气模拟结果

图5：不同方案的卷气量结果

2.2 实际铸件力学性能与断口分析

针对V1模型和V3模型，采用同样的充型压力速度300 Pa/s，进行了生产试制，每种模型分别生产了12件，见图6，可见铸件质量良好，轮廓清晰，选取其中6件进行拉伸试棒加工。

图6：实际生产的铸件

图7：铸件拉伸性能结果

通过拉伸试验可以得到铸件的抗拉强度和伸长率，见图7。可以看出，没有下落结构的铸件抗拉强度和伸长率比较稳定，其抗拉强度平均值为191MPa，伸长率的平均值可以达到5.3 %；而具有30 mm 下落结构的铸件抗拉强度和伸长率都出现了一些比较低的值，其抗拉强度的平均值为178MPa，伸长率平均值仅为3.8%。选取带有下落结构中抗拉强度低于160MPa的试样，对断口进行SEM分析，见图8。可以看出，在断口表面，存在较大的卷入型氧化皮缺陷，结合模拟结果分析，其主要原因为下落结构中产生了较为严重的卷气行为。

图8：断口SEM分析结果

3 结论

(1)低压铸造充型过程中，下落式结构是产生卷气的主要原因，卷气量随着下落式结构的高度增加而增大。
(2) 铸件中如果存在下落式结构，将会产生湍流，氧化皮折叠，形成卷气缺陷，并且大大降低铸件的力学性能。

作者：孙晶莹 乐启炽 赵旭
东北大学材料科学与工程学院

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