作者：郑晓敏
铝合金在压力铸造时，由于液态金属在高温、高压条件下，以极高的速度从压室中射入铸型型腔内，因此很容易卷入气体，造成铸件产生气孔等缺陷，影响铸件的品质。通过先进的计算机数值模拟技术，对充型、凝固过程进行数值模拟，并观察金属液的流动、凝固状况，可以有效地预测铸件缺陷的产生，从而提高铸件品质以及生产效率。利用模拟软件MAGMAsoft对7075铝合金连杆压铸件进行模拟计算，研究浇注温度对铸件缺陷的影响，并通过压铸试验进行验证。观察不同浇注温度下压铸件的显微组织，分析不同浇注温度下晶粒的形态、数量和分布情况。
1 浇注温度对7075铝合金连杆压铸件缺陷的影响
1.1 MAGMAsoft数值模拟理论
金属液在充型过程中，其流动过程遵循物理守恒定律，基本定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。在铸件充型过程数值模拟中，将液态金属看作不可压缩流体，其流动过程服从质量守恒和动量守恒定律。其数学形式是连续性方程和Navier-Stocks方程（简称N-S方程）。
1.2 模拟工艺参数设定
图1为汽车连杆铝合金压铸件三维模型。采用UG软件完成零件三维模型的建立。
试验材料采用7075铝合金，其化学成分见表1。
模拟软件为MAGMAsoft，模具材料为CrSMoSi-VI( H13)。浇注温度取640、650、660、670℃，模具的预热温度为180℃，冲头直径为60 mm，压射行程为100mm，金属液充填率为70%。压力为40 M Pa，压射速度从0. 27 m/s逐步增加到0.81 m/s，设浇注温度为初始温度，环境温度为25℃，取铸件与模具之间的表面传热系数为1 000 W／（m2．K)，模具与外界环境的表面传热系数为25 W／（m2．K)，模具之间的表面传热系数为500 W／（m2．K)。
1.3模拟结果分析与讨论
图2是4种浇注温度下的铸件缺陷分布云图。由模拟结果可知，随着浇注温度升高，铸件产生缩松、缩孔的倾向变大。图3是浇注温度为670℃、铸件固相率为50%时，缺陷形成部位的温度分布云图。可以看出，缺陷形成部位存在一个封闭的圆形区域，而随着铸件凝固，金属液体积不断减小，该封闭区域由于温降而减小的体积得不到补缩，便形成了图2d的缺陷。浇注温度为660℃时，铸件形成缺陷的原因相同。
图4是不同浇注温度下的铸件在610～620℃易形成缺陷部位的温度分布云图，由图4可知，随着温度降低，缺陷部位温度梯度变大，不易形成缺陷，这也是当浇注温度降低到640和650℃时缺陷消失的原因。
2 浇注温度对7075铝合金连杆压铸件宏观缺陷和微观组织的影响
2.1 试验材料及方法
试验设备为J1128型卧式冷室压铸机。试验材料为工业用7075铝合金，压铸工艺为：①熔炼前的准备，清炉和洗炉，预热熔炉和坩埚，工具预热至120～200℃后，在其表面涂上或喷上涂料；②熔化及精炼，炉料装好后，升温熔化炉料，等炉料全熔后，除净熔渣，升温到700～720℃，用占炉料总量0.3%～0.5%的C2CI6（或氯气等其他精炼剂）分3次用钟罩压人熔池中心下面进行精炼，精炼总时间为10～15 min，钟罩离坩埚底部100～150 mm，并要缓慢地作回转移动，精炼完后，静置1～2 min，取样作炉前分析。铝合金压铸工艺流程见图5。
压铸模具的预热温度为180℃，涂料为石墨乳，压射行程为100 mm，压射速度从0．27 m/s逐步增加到0. 81 m/s，保压时间为10 s，取模时间为5 s，涂料喷涂时间为5s，浇注温度为640、650、660、670℃。
组织观察在连杆的部位A取样，见图6。首先剖开铸件的横截面，然后对试样进行粗磨、细磨、抛光和化学腐蚀(化学腐蚀剂为低浓度混合酸：2 m L HF，3 m LHC1，5mL HN03，190 m L H20)后，采用Zeiss光学显微镜观察金相组织。
2.2 结果分析和讨论
图7是7075铝合金在不同浇注温度下缺陷易产生位置横截面。从图7中可以看出，随着浇注温度升高，缩松、缩孔、裂纹明显增多。在截面中心位置出现了缩孔、缩松等缺陷，与数值模拟结果相符合。
分析其原因：浇注温度越高，气体溶解度越高，尤其是氢气。压力铸造中气体来不及排出，容易形成气孔。铝合金液中的含氢量过高，不仅会引起铝合金液的凝固速度变慢，促进缩松的形成，导致应力集中现象，使零件使用寿命缩短，且由于凝固过程中氢气的析出，会在整个铸件的断面上形成形状不规则的针孔，当针孔度超过一定标准后，致密、抗拉强度和疲劳寿命等力学性能将明显下降。同时，由于浇注温度高，收缩率大，金属型升温快，造成了Al液的温度梯度减少，易形成缩松、缩孔等缺陷。所以实际生产中，在满足产品品质的前提下，应尽量选择较低的浇注温度。
图8是7075铝合金在浇注温度为640、650、660、670℃时的微观组织。
从图8a、图8b可以看出，浇注温度从640℃升高到650℃时，随着浇注温度的升高，晶粒从细小均匀的等轴晶向较大的蔷薇状晶粒转变。从图6c、图6d可以看出，浇注温度继续升高道660和670℃时，晶粒变为更粗大的树枝晶，而蔷薇状晶粒和等轴晶组织减少。而
粗大的柱状树枝晶，由于不同晶向的柱状树枝晶间是杂质、气泡和缩孔富集的地方，因而通常成为铸件的脆弱面。细小的等轴晶区的晶粒组织细小致密，各个晶粒在长大时彼此交叉，枝叉间的搭接牢固，因此裂纹不易扩展，并不存在明显的脆弱面，而且由于晶粒的取向各不相同，所以其性能也没有方向性，这些是等轴晶的优点。所以，等轴晶越多、分布越均匀，压铸件品质和性能越好，形成缺陷倾向越小。
3 结 论
(1)利用模拟软件MAGMAsoft对7075铝合金连杆压铸件不同浇注温度下的模拟计算，结果是一定范围内，浇注温度越低，缩松缺陷形成倾向越小。
(2)比较不同浇注温度下的7075铝合金压铸件显微组织发现，随着温度升高，晶粒变为粗大的树枝晶，蔷薇状晶粒和等轴晶组织逐渐减少。
4摘要利用模拟软件MAGMAsoft对7075铝合金连杆压铸件模拟计算，研究浇注温度对铸件缺陷的影响，并通过压铸试验进行验证。结果表明，浇注温度越低，缺陷形成倾向越小。通过观察不同浇注温度下的压铸件的显微组织，发现随着浇注温度降低，晶粒细小，树枝状枝晶体向等轴晶转变。
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