铝合金压块半固态压铸数值模拟及工艺研究

 肖世龙1  黄  勇2  安振须2  陈  振2  杜晓明2  孟昭昕2

 (1.沈阳理工大学艺术设计学院；2．沈阳理工大学材料科学与工程学院)

摘要对铝合金压块进行了半固态充型及缺陷数值模拟，提出了半固态压铸模的设计要点，并根据模拟结果设计出压块半固态压铸模。通过3组电磁搅拌参数下的半固态流变压铸试验，确定了优化的半固态浆料制备工艺参数，生产出合格的压块铸件。

关键词铝合金压块；半固态；数值模拟；压铸模

中图分类号  TG146.  21；TG249.2 DOI：10.  15 980/j．tzzz. 2016. 05. 015

 半固态压铸具有成形温度低、模具寿命长、铸件凝固收缩小、性能优良等特点。然而，由于半固态流变压铸工艺设计中的问题，产品容易产生卷气和缩孔、缩松缺陷。韩雄伟等和黄勇等采用数值模拟的方法对半固态浆料的充型和凝固过程进行了分析，预测了铸件可能产生的缺陷，并对缺陷的位置和大小进行了分析。

 采用铸造模拟软件对A356铝合金压块半固态压铸充型和凝固过程进行了数值模拟，分析了充型过程的流场和速度场，设计了3组半固态压铸工艺参数，并通过试验确定了压块半固态压铸的最佳工艺参数。

1  压块压铸工艺分析和浇口的设计

1.1  压块压铸工艺分析

 压块是一个结构相对简单，壁厚不均匀的零件，压块三维图见图1。零件为曲面对称结构；侧面有一个直径为9 mm的盲孔，须采用侧抽芯来成形；两侧壁与曲壁连接处，壁厚相差较大，容易产生应力集中，冷却过程中易产生缩孔、缩松和热裂等缺陷。

1.2  浇注系统设计

 在设计内浇口截面积时要比液态压铸的截面积大，其厚度一般为压铸件壁厚的50%左右。压块压铸件在设计时采用侧浇口。根据计算得出内浇口横截面积大小为52.5 mm2，厚度为1.5 mm，宽度是铸件边长的0.7倍，为35 mm。带浇注系统的压块三维图见图2。

2  压块半固态压铸数值模拟

 按设计出的浇注系统，用铸造模拟软件进行充型过程和缺陷的数值模拟。充型过程模拟见图3。

 充型开始时，由于压射冲头的作用，半固态浆料首先在直浇道内堆积，然后向横浇道填充，见图3a。浇道充满后，半固态浆料通过内浇口向铸件填充，见图3b。随着充型的进行，半固态浆料与型芯接触，一部分沿肋板折向浇口方向，另一部分继续向铸件的远端充型，见图3c。充型继续进行，直至充满整个型腔，见图3d。

 通过模拟软件可以观察铸件各部位的充型时间，见图4。可以看出，浇道最先充型，然后逐渐向铸件的远端进行，铸件肋板和远端的溢流槽最后充型。

压块充型速度模拟过程见图5。在浇道没有充满之前，半固态浆料的流动速度基本与压射冲头的移动速度保持一致，见图5a。当浇道充满后，浆料通过内浇口向铸件填充，受到内浇口面积的制约，浆料的速度增大，在32～37 m／s之间，见图5b。浆料通过内浇口后，由于横截面面积增大，浆料的速度下降，当与型芯接触后发生碰撞，速度又出现一定程度的上升，见图5c。充型完成后，浆料的流动速度降为0，见图5d。由图5可知，浆料在充型过程中没有出现紊流，充型平稳。

 压块裹气分布见图6。由图6可知，压块没有发生裹气现象。压块缩松分布见图7。由图7可知，压块产生了一定数量的分散缩松，这些缩松主要分布在压块壁厚较大的部位，但数量较少，因此，该浇注系统设计基本合理，可以应用于实际中。

3  压块半固态压铸模设计

 根据压块压铸件的结构及模拟分析结果，设计出压块压铸件的半固态压铸模具，见图8。半固态压铸模具在结构上与一般的压铸模具相同，在生产前要对模具充分预热，由于半固态的温度较低，凝固时间短，因此模具在预热时要比液态压铸高，一般在280～300℃，需在动、定模套板上设计加热元件和测温孔，安装热电偶测温，以便控制模具温度，同时要求模具各个部位温度均匀稳定。

4  压块半固态压铸试验

 压块压铸件选用A356铝合金，其固相线温度为556 ℃，液相线温度为616℃，具有较宽的半固态区间，适合进行半固态流变压铸成形。试验选用电磁搅拌法制备半固态浆料。

 电磁搅拌装置采用低频电源配合坩埚电阻炉，搅拌温度为580 ℃，其固相率约为50%，并通入A r气保护。为了获得更高质量的压块压铸件，设计了3组不同的搅拌工艺进行试验，见表1。

 按照表1的3组电磁搅拌工艺参数进行半固态浆料的制备，并分别进行压铸生产，然后在铸件上取样。经磨平、抛光后用HNO2+HF+HC1溶液腐蚀，在金相光学显微镜上观察枝晶断裂情况及晶粒尺寸。3种不同搅拌工艺参数下的微观组织见图9。

 从图9可以看出，工艺1下枝晶并未完全被打碎，且晶粒的大小不均匀；工艺2下获得的半固态显微组织中树枝晶已经完全被打碎，组织细小圆整，呈球状颗粒分布且均匀；在工艺3下获得的半固态显微组织中球形组织己经开始长大，其原因是搅拌时间过长，晶粒发生

了长大。

 通过对上面3组工艺下铸件微观组织的分析，可知在工艺2下的铸件组织细小，效果好。所以选择工艺2为压块铸件浆料制备工艺。

 按工艺2生产得到的压块压铸件表面光洁，无明显缺陷，铸件质量合格，见图10。

5  结  论

 (1)根据压块铸件结构，设计了压块半固态压铸的浇注系统，通过数值模拟，浇注系统充型平稳，缺陷减少。

 (2)半固态压铸模内浇口截面积比液态压铸金属内浇口截面积大，压块内浇口厚度为铸件壁厚的50%。

 (3)半固态浆料制备工艺参数：搅拌温度为580℃、搅拌电流为450 A、搅拌频率为6 Hz、搅拌时间为25min时，压铸出的压块质量较好。