ZL205A铝合金汽车空调器摇盘液态模锻工艺研究（可编辑）

ZL205A铝合金汽车空调器摇盘液态模锻工艺研究（可编辑） ZL205A铝合金汽车空调器摇盘液态模锻工艺研究 硕士学位论文 (工程硕士) ZL205A 铝合金汽车空调器摇盘 液态模锻工艺研究 RESEARCH ON SQUEEZE CASTING OF ZL205A ALUMINUM ALLOY AIR-CONDITIONER SWAYING OF AUTOMOBILE孙艳茹哈尔滨工业大学 2011 年 7 月国内图书分 类号:TG319 学校代码:10213 国际图书分类号:621.7 密级:公开 工程硕士学位论文ZL205A 铝合金汽车空调器摇盘 液态模锻工艺研究 硕士研究生 :孙艳茹 导 师 :杜之明教授 申 请 学 位 :工程硕士 学 科 :材料工程 所 在 单 位 :哈尔滨工业大学 答 辩 日 期 :2011年7月 授予学位单位 :哈尔滨工业大学 Classified Index: TG319 U.D.C: 621.7 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON SQUEEZE CASTING OF ZL205A ALUMINUM ALLOY AIR-CONDITIONER SWAYING OF AUTOMOBILE Candidate: Sun Yanru Supervisor: Prof. Du Zhiming Academic Degree Applied for: Master of Engineering Speciality: Materials EngineeringAffiliation: Harbin Institute of Technology Date of Defence: July, 2011 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology摘 要 摘 要 本文以 ZL205A 铝合金液态模锻的空调器摇盘件为研究对象,针对浇注温 度、压力和模具温度三个工艺参数,应用 ProCAST 进行数值模拟, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 其对温 度场、应力场的影响,预测了缩松、缩孔和热裂纹等缺陷的位置。通过实验验 证了模拟结果的准确性,并考察工艺参数对合金组织和力学性能的影响。 数值模拟研究表明,制件的温度分布不均,与模具接触的金属液先凝固, 后由表及里逐层凝固。制件中的缩松、缩孔等缺陷主要受压力的影响较大。压 力为 60MPa,模具温度为 300?时,浇注温度为 720?~740?时,产生缩松缩 孔的可能性比较小。浇注温度为 740?,模具温度为 300?时,当压力从 20MPa 增加到 80MPa,缩松缩孔等缺陷逐渐消失。压力为 60MPa,模具温度为 300? 时,浇注温度为 740?时,热裂的倾向最低。在一定条件下,压力的增加会减 缓热裂纹敏感性。因此,匹配的压力、浇注温度和模具温度分别为 60MPa 以上, 740?和 300?。 实验研究表明,压力为 60MPa,模具温度为 300?时,组织中晶粒尺寸随 浇注温度的增加呈现先减小后增大的变化规律,在 740?,ZL205A 合金的晶粒 最小,力学性能最高。浇注温度为 740?,模具温度为 300?时,当压力从 60MPa 增加到 100MPa,晶粒尺寸从 45.5 μm 降到 32.3 μm,进一步增加压力,晶粒尺寸 的下降幅度有限。合金的力学性能随压力的增加表现出相似的变化规律。 实验进一步指出:最佳的浇注温度为 740?,合适的压力为 100MPa,与之 匹配的金属模具温度为 300?。这与数值模拟的结果比较吻合。此条件下,成 形制件表面光洁,晶粒的尺寸较小而且分布均匀,合金的力学性能最高,对应 的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为 506MPa、477.3MPa 和 12.7%,达到 摇 盘件的性能 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 关键词:ZL205A 铝合金;液态模锻;数值模拟;微观组织;力学性能 - I -Abstract Abstract In this paper, air-conditioner swaying of automobile acted as the research object produced using ZL205A alloy through squeeze casting. ProCAST software was used to simulate the influence of three process parameters, i.e. pressure, pouring temperature and mold temperature, on temperature and stress field, and predict the location of shrinkage, shrinkage cavity and thermal cracks. The accuracy of the simulation results was verified through experiment. In addition, the effect of the process parameters on microstructure and mechanical properties was examinedNumerical simulation shows that the distribution of temperature is inhomogeneous in the workpiece. Liquid metal in contact with the mold solidify first, then solidify into inside layer by layer. The existence of shrinkage and shrinkage cavity is mainly affected by pressure, but less affected by the pouring temperatureWhen pouring temperature is 740 ?? and mold temperature is 300 , the number of shrinkages and shrinkage cavities decrease as pressure increases from 20MPa to 80MPa. When pressure is 60 MPa, the internal parts of the workpiece almost have no shrinkage and shrinkage cavity. When pressure is 100MPa and the mold temperature is 300 ?, as the pouring temperature is 740 ?, hot cracking tendency is the lowestMatch pressure, pouring temperature and mold temperature were passed 60MPa, 740 ?? and 300 , respectivelyWhen pressure is 60MPa and the mold temperature is 300 ?, the grain size in the microstructure shows decrease at first and then increase with increasing pouring temperature. As pouring temperature is 740 ?, the grain size of ZL205A alloy is the smallest and the mechanical properties is the highest. When pouring temperature is 740 ?? and mold temperature is 300 , the grain size decreases from 45.5 μm to 32.3 μm as pressure increases from 60MPa 100MPa. Further increasing pressure decreases grain size slightly. Mechanical properties of the alloy shows the similar variation with the grain sizeThis experiment indicates that the best pouring temperature is 740 ?, the appropriate pressure 100MPa and matched mold temperature is 300 ?, which is agreement with numerical simulation results very well. Under these conditions, the surface of workpiece is smooth, the grain size is small, its distribution is homogeneous and the mechanical properties are highest. The corresponding tensile strength, yield strength and elongation were 506MPa, 477.3MPa and 12.7%, respectively, which meets the performance standard of the workpiece- II -Abstract Keywords: ZL205A, Numerical simulation, Squeeze casting, Microstructure, Mechanical properties - III -目 录 目录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪论..1 1.1 选 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 背景及意义1 1.2 液态模锻技术的发展..1 1.2.1 液态模锻的原理1 1.2.2 国内外的发展2 1.3 铝合金液态模锻件的组织和性能研究3 1.3.1 液态模锻的工艺参数.3 1.3.2 液态模锻工艺参数对铝合金组织性能的影响.4 1.4液态模锻的凝固过程的数值模拟..6 1.4.1 国外凝固过程数值模拟技术的发展..7 1.4.2 国内凝固过程数值模拟技术的发展..7 1.4.3 液态模锻凝固过程的模拟研究9 1.5 液态模锻过程中热裂分析. 11 1.6本文的研究内容..12 第 2 章 材料的制备与实验方法..14 2.1实验材料.14 2.2实验设备.14 2.3模具 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 .14 2.4成形工艺.17 2.5热处理工艺17 2.6性能测试.17 2.6.1 金相组织观察OM17 2.6.2 维氏硬度的测试..18 2.6.3 力学性能测试..18 第 3 章 摇盘件凝固过程的数值模拟19 3.1 引言.19- I -目 录 3.2 ProCAST软件与 Pro/E软件的接口形式.19 3.3数值模拟结果与分析20 3.3.1 有限元模型的建立20 3.3.2 温度场分析21 3.3.3 应力场分析25 3.4 制件成型过程中的缺陷与分析26 3.4.1 缩松缩孔分析.26 3.4.2 热裂分析28 3.4.3 制件的表面粗糙类缺陷..31 3.5 本章小结31 第 4 章 工艺参数对制件组织和力学性能的影响.33 4.1 引言.33 4.2 浇注温度对液态模锻件组织与性能的影响33 4.2.1 浇注温度对组织的影响..33 4.2.2 浇注温度对力学性能的影响36 4.2.3 浇注温度对断口形貌的影响37 4.2.4 浇注温度对硬度的影响..39 4.3 压力对液态模锻件组织与性能的影响.39 4.3.1 压力对组织的影响.39 4.3.2 压力对力学性能的影响..42 4.3.3 压力对合金断口形貌的影响..44 4.3.4 压力对硬度的影响.45 4.4 模具温度对液态模锻件组织与性能的影响46 4.4.1 模具温度对组织的影响..46 4.4.2 模具温度对力学性能的影响47 4.5 本章小结48 结论..50 参考文献51 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明56 致 谢.57- II -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 1.1 选题背景及意义 从1825年铝元素被发现并进入工业化生产,铝材作为应用范围最广的有色 金 [1] 属材料,被广泛应用于航空航天、电力以及建筑等领域 。 铸造工艺是材料成型工艺中最经济的成形方法,但是即使是最先进的铸造技 术仍然有很多缺点,如压力铸造(high pressure die-casting)会形成缩孔等缺陷。 [2,3] 此外, 在铸件的使用过程中,由于A型和V型偏聚带的存在也常常会出现裂纹 。 液态模锻工艺的出现,可以补偿铸造工艺缺陷,成形更少缺陷的部件,拥有更大 的潜力。液态模锻工艺能够明显的改变制件内部的组织和表面质量,能够显著的 细化晶粒和改善机械性能。液态模锻的产生,对于汽车和航空航天业的发展具有 巨大的推动作用,可以用来生产具有表面光洁、高强度、经久耐用的元件,也可 以制造青铜、轴承合金原件。 汽车空调器摇盘体积小、质量轻(质量为140g,体积约为60ml)、形状复杂, 并且在工作过程中起传动力的作用,在转动过程中受到较大的冲击力。要求表面 光洁,抗拉强度超过400MPa。本课题以汽车空调器摇盘为研究对象,采用ZL205A 合金液态模锻成形汽车空调器摇盘件,在数值模拟的基础上,进一步通过实验研 究,考察液态模锻工艺参数对制件组织和力学性能的影响,并分析ZL205A合金 在液态模锻过程中可能出现的缺陷以及产生的原因,最终优化出适宜的成形工 艺,使得制件组织致密,晶粒细小,并且力学性能较优越。 1.2 液态模锻技术的发展 1.2.1 液态模锻的原理 液态模锻又称挤压铸造,是将定量的合金液直接浇入敞口的金属模型腔内, [4] 合模、加压,金属液在静压力的作用下凝固并发生塑性变形 。由于压力的作用, 能够充分补充液态金属在凝固过程中所发生的内部收缩,使得金属与模具可以紧 密接触,从而消除了缩松缩孔等缺陷,使得制件组织致密、力学性能可达到同类 [5-8] 产品的锻件力学性能水平 。液态模锻充填性好,高压下成形速度低,可以消 除卷气等缺陷,成形件以细晶为主,力学性能高。液态模锻综合了铸造、锻压的 成形优势:工艺较简单,后续机械加工量少,可以做到精密成形,成形件热处 理 - 1 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 [9] 后力学性能好,生产成本低,适用于大批量生产要求 。其典型的工艺流程见 图 [4] 1-1 。 c d b a 1 一上模 2 一下模 3 一顶杆 4 一熔炼炉 5 一制件 [4] 图 1-1 液态模锻工艺流程图 a金属熔炼 b浇注 c加压 d顶出 1.2.2 国内外的发展 [10] 1878年,Chernov在压力下将熔融的金属固化,是最原始的液态模锻工艺 。 然而,这项工艺并没有引起大家的重视,也没有进入商业化生产。仅仅在欧洲 和 [6] 日本有些学者继续研究,并且应用面也很窄,主要用于生产增强基工程用零 件 。 直到1937年,前苏联应用液态模锻工艺成形黄铜和青铜圆筒件,并开始了该 工艺的研究,并在二战期间采用该工艺进行批量生产铜合金轴承衬套。20世纪60 年代中期,前苏联有150多家工厂用该工艺大批量生产铁、钢和各种有色金属件, [4] 产品达200多种 。1970年后,美国、日本、英国等也开始采用该工艺。1985年, [11] 英国的Hartley 应用液态模锻工艺制造铝合金通孔件,将精确体积的熔融的铝 液浇入已预热的金属模具中,合模后铝液在压力下凝固,成形件经过简单加工就 可以使用,从而提出近净成形工艺。 由于液态模锻工艺具有节省原材料、降低生产成本、锻件机械性能好等优点, 进入九十年代,应用该工艺的生产的产品越来越多,液态模锻技术在迅速发展。 液态模锻广泛用于铝合金及铝基复合材料、铜合金、铸铁和钢、镁合金及镁基复 [12] 合材料、锌合金及钴基复合材料以及非金属基复合材料 。其中在铝合金方 面 成形件最多,工艺也很成熟,例如对于Al-Cu系合金来说,在压力作用下,提高 了Cu原子在 α相中的溶解度,减少偏析,明显的提高了制件的力学性能和延伸率, [13] 并且可以液态模锻成形各种复杂铝合金零件,例如支承座零件 、铝合金活塞、 螺旋桨、汽车轮毂、炮弹引信、汽车空调机压缩机缸体等。近年来,发展了铝基 复合材料的液态模锻工艺,即采用压力浸渗工艺、搅溶复合工艺,制备铝基陶瓷 - 2 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 增强材料,能够明显改善复合材料的性能。 1.3 铝合金液态模锻件的组织和性能研究 1.3.1 液态模锻的工艺参数 液态金属浇入金属模具后,金属模具温度低,金属液向模具传递热量,靠近 模具的金属率先凝固,加压后,在压力作用下,凝固层金属发生塑性变形,未凝 [14] 固的金属在压力下继续凝固,最终得到致密的制件 。此过程中的工艺参数主 要有: 比压 1比压即作用单位面积合金液上的压力。在挤压铸造过程中,施加的压力对制 件的性能起到了非常重要的作用。在凝固过程中,熔融金属承受较大的压力,并 且冷却过程速度较快。将熔融金属与模具紧密结合,进行快速传热,液态金属迅 [15] 速凝固。文献 证明了压力对传热行为的影响,实验得出到铝 硅二元合金在 / [16] 150MPa 压力下,在液相线温度约上升 9?。 Vijian 等人利用 Clausius?Clapeyron 方程提出了挤压压力的计算方法: ,根据实验测定 和 的 PP exp -L /RT P R 0 f f 0 值,求出得出挤压压力的值,理论上证实了在一定范围内压力越大,成形效果越 [17,18] 好 。压力下凝固使得组织细化,细晶组织是快速形核以及随后快速冷却的结果。 最初发生形核的区域是与模具壁接触的位置,并迅速向内部扩展,并快速冷 却, 模具闭合瞬间在机械冲击下继续形核。压力对于制件微观组织的影响很明显,随 着压力增加,晶粒明显细化。 但是,压力过高会压损模具,模具过早出现裂纹,或者出现毛刺等,不容易 脱模,从而对模具的寿命产生较大的影响。 2 金属液浇注温度 金属浇注温度直接影响着金属凝固时间、凝固速度以及制件的补缩情况,对 于成形件的热裂和缩松缩孔的产生密切相关。浇注温度高,金属液流动性好,充 型效果好。温度过高,在挤压过程中容易造成金属液飞溅,而且金属凝固的时间 相对延长,一次枝晶组织粗大,容易产生缩松缩孔和热裂等缺陷,制件容易产生 飞边和毛刺。高温金属液容易粘膜,脱模困难,模具受热影响大,损耗模具,降 低模具寿命。浇注温度过低,金属液流动性差,不利于充型,容易形成浇不足、 冷隔等;而且金属液遇冷凝固速度加快,先凝固的壳层增大,压力传递过程中损 [6,19] 失较大,出现缩孔等缺陷 。- 3 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 模具预热温度 模具温度过低,金属液散热快,凝固时间充型能力较差,造成充型不足。与 模具接触的金属液率先凝固形成的金属壳层增厚,制件心部补缩不足,容易出现 缩松缩孔,制件表面易产生裂纹等缺陷。在凝固过程中容易产生热应力,增加模 具的热疲劳,降低模具的寿命。模具温度过高,容易粘膜,缩减模具的使用寿命, 在高温的压力作用下,模具易变形,而且挤压过程中金属液容易飞溅,根据实际 经验,铝合金液态模锻时模具预热温度经验值为 200?~350?。 4 开始加压时间 开始加压时间过长,型腔内的金属液凝固层厚度增大,金属的变形抗力增大, 压力损失较大;开始加压时间过早,可能造成液态金属飞溅。一般加压时间选择 为液态金属熔融状态时进行加压。 5 保压时间 保压时间过长,影响模具寿命。保压时间过短,制件较厚的部位未凝固完全, [4,20] 容易粘膜,容易出现补缩不足、表面不光洁等缺陷 。 其他的最重要的工艺参数有过热、金属的精炼和润滑介质等,这些参数对液 态模锻过程制件的组织和性能都有一定的影响,因此,实验过程中要严格控制工 艺参数。 1.3.2 液态模锻工艺参数对铝合金组织性能的影响 1 压力的影响 [21] 高平平 等研究 2024 合金液态模锻成形工艺指出:增加压力,合金液过冷 度增加,能够消除制件和型壁间的间隙,增加了传热,提高了冷却速率,因此形 核率增加,并且合金组织由柱状晶转化为胞状晶,从图 1-2 中可以看出晶粒明显 细化,并且随着压力的增加,抗拉强度和延伸率也逐渐增大,如图 1-3。从图 1-4 中的拉伸断口形貌中可以看出,在 40MPa 时为穿晶断裂,孔洞较多,韧窝很少, 存在显微缩松,而达到 120MPa 时,韧窝增加,塑性变形增大,合金的力学性能 明显得到改善。 [22] 陈实 等人对 ZL201 合金液态模锻成形工艺研究表明:液态模锻下 ZL201 显微组织主要以 α 固溶体为主,增加压力可以使金属熔点提高,枝晶间距减小。 由于制件上顶面与冲头接触,下底面与模具接触。冷却速度较快,在压力下发生 塑性变形,压力在传递过程中会损失,因此制件上顶面和下底面的组织最细 小, 心部位置组织相对粗大。- 4 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 [21] 图 1-2 不同压力下挤压制件的显微组织[21] 图 1-3 不同压力下合金的抗拉强度和延伸率 [21] 图 1-4 不同压力下挤压制件拉伸断口形貌 cab [22] 图 1-5 在 30MPa 压力下不同部位的显微组织 a上部 b 中部 c下部- 5 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 浇注温度的影响 [23] 万里等人 指出,对于共晶 A390 合金,浇注温度越高,合金中树枝晶增多, 蔷薇状晶体减少,晶粒大小不均。降低浇注温度有利于晶粒均匀化和晶粒细 化。 但浇注温度过低,凝固加快,当施加压力时,已凝固的金属层增厚,压力损失 较 多,制件心部补缩不足,如图 1-6 所示。 a b c [22] 图 1-6 不同浇注温度下的显微组织 a850? b835? c820? 3 模具温度的影响 [21] 高平平等 研究指出,模具温度较低时,与金属壁接触的金属液先凝固, 并且已凝固的金属层阻碍压力的传递,增加了压力损失,补缩不足,所以晶粒尺 寸不均匀,并且容易出现缩松。模具温度较高时,合金液的凝固时间增加,晶粒 易粗大,并出现成分偏析,并且合金液容易吸气而产生气孔等缺陷,如图 1-7 所 示。 [21] 图 1-7 不同模具温度下挤压制件显微组织 1.4 液态模锻的凝固过程的数值模拟凝固过程数值模拟是采用有限元法、有限差分等方法,通过计算温度梯度的 [24,25] 变化、固相率、流体的流动等相关问题 ,模拟制件的凝固过程、充型过程、 热应力分析、微观组织等,预测制件可能出现缺陷的部位、出现时间等,可以模 拟凝固微观组织,推断力学性能,寻求液态模锻工艺的最优化设计,能够有效地 优化工艺参数和模具结构设计,可以减少无为劳动,缩短工艺设计和产品试制周 - 6 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 [26,27] 期,有效地保证了制件的质量 。 1.4.1 国外凝固过程数值模拟技术的发展 60 年代初期,计算机开始应用于模拟分析凝固过程的温度场。早在 1962 年, 丹麦 Forsund 和美国 Henzel 等人已经开始应用有限差分法进行模拟分析制件凝 [28] 固过程的温度场 。70 年代后,欧美、日本等国家开始了有限差分法进行数值 模拟的探索。1983 年,美国的 R.D.Pehlke 教授和 J.T.Berry 教授在第五届 [29] 国际铸造会议上首次提出了制件凝固数值模拟的理念和铸造 CAD 的概念 。日 本东北大学的新山英辅提出拟三维法,将三维问题转化为二维问题进行模拟分 析,并提出了缩松缩孔的判据,模拟了铸件普遍性缩松缩孔的出现的临界条件, 并在 1993 年第六届铸造模拟会议上,新山英辅用最短的时间模拟了铝合金压铸 [30,31] 工艺的三维充型过程 。 分析凝固过程的商品化软件于 1989 年国际铸造会议博览会上第一次问世, [32] 其核心内容是分析温度场 。随后,波兰、法国、苏联、英国等都开始了软件 的开发。进入 90 年代后,随之 CAD/CAM 技术的发展,国内外的铸造 CAD 软 件增加,从宏观尺度和微观尺度预测观察铸件的凝固过程,并增加了流场分析, [33] 可以有效地缩短试制周期、提高材料利用率、降低成本 。 近年来,各个国家开发的软件功能逐渐增多,可以对不同合金、不同铸造过 程进行热场模拟、力场模拟、流场模拟、组织模拟以及铸件缺陷和性能预测等 [32,34] 。欧美等国家已经将数值模拟用于优化军事、航天、航空等产品的成形工艺, 降低成本。我国自主研发的软件较少,在工厂内的应用还没有普遍。 1.4.2 国内凝固过程数值模拟技术的发展 我国在该方面的发展也比较快,最早也是在凝固过程温度场方面的研究。随 后建立了多种数学模型:纯弹性塑性模型、弹塑性模型、弹塑性-蠕变模型、弹- 粘塑性模型、统一变量模型、流变学模型等,进行应力方面的研究。1978年,沈 阳铸造研究所的张毅等人模拟了水轮机叶片的凝固过程,同期,王君卿在丹麦模 [35] 拟了T型三通管充型过程的温度场,并首次成功模拟了应力场 。 [36] 1984 年,高尚书等人 利用数值模拟方法设计了叶片的浇冒口系统,得出 优化设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。随后,清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学都开始了凝固 [37] [38] 过程流场、温度场的模拟 。邢书明 利用有限元法模拟铸件的凝固方式,并 [39] 通过计算程序直接输出凝固层的厚度随时间的变化关系,如图 1-8。黄斌 等以 - 7 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 液压阀体凝固过程为例,应用直接差分法模拟温度场和体积变化,如图 1-9,并 根据模拟结果,准确设计了灰铸铁件的补缩工艺,该程序具有普遍应用性。金俊 [40] 泽 提出用时间平方根比法求解二维当量潜热,可以节省计算机内存,并以球 形壳体、轮形铸件为例,对比分析三维法、时间根号比潜热法和模数比潜热法模 拟结果,从图 1-10 中可见时间根号比潜热法与实际符合较好,误差在 10%以内。 [38] [39] 图1-8 凝固层的厚度随时间的变化 图1-9 铸件中心实测温度与计算温度曲线 [40] 图 1-10 三种方法计算的轮形铸件冒口部位的冷却曲线 (L-三维法、Lt-时间根号比潜热法、LM-模数比潜热法) 目前,数值模拟的范围也扩展到铝合金、铜合金、钛合金的半固态铸造、消 失模铸造、熔模铸造、液态模锻等凝固过程的数、微观组织值模拟等。南京理工 [41] 大学 应用显式有限差分法和全隐式差分法,模拟熔模铸造过程铸件的温度分 [42] 布以及凝固过程存在的缺陷。李殿中等人 针对K417高温合金涡轮叶片的真空 熔模铸造工艺,分析凝固过程和结晶过程,定量计算了柱状晶和等轴晶的的形核 和生长速度,预测了铸件的微观组织,从而提高了叶片合格率。 随着华中科技大学开发的华铸CAE、清华大学开发的FT-STAR、东北大学开 发的STEFAN软件等化软件的问世,数值模拟软件的应用也越来越广,通过模拟 进行预测缺陷的产生位置以及结构强度等。目前,很多工厂开始使用软件进行分 [43] 析铸件凝固过程的温度场、应力场、以及缩松、裂纹缺陷等。例如,秦宝荣 - 8 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 应用ProCAST软件模拟了碎纸刀熔模铸造凝固过程中的温度场、应力场,如图 1-11所示,并指出缺陷的位置以及最佳的工艺参数,模拟在凝固过程的充型过程、 缩松缩孔情况、固相率、应力应变等,有效地避免了缺陷的产生,提高了制件的 合格率。 图1-11 充型速度为0.6m/s时模拟结果 [43] a有效应力分布 b有效塑性应变分布 c总体位移分布 1.4.3 液态模锻凝固过程的模拟研究 应用有限元法,可以模拟液态模锻过程中压力对于成形件的影响,冲头下移 [25] 过程中金属塑性变形的情况以及成形件的温度分布情况、传热情况 ,如图 1-12、图 1-13 所示,能够预测在成形过程中的缺陷以及成形件的力学性能。美 国的 提出在并行工程环境下,预测凝固过程所形成的缺陷以及制件的使 Conley 用寿命。 [25] 图 1-12 冲头下移不同位置处金属的凝固前沿 a 6mm b 9mm- 9 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 [25] 图 冲头下移下移 处制件内部的温度场 1-13 6mm 凝固传热方式在液态模锻过程模拟起着非常重要的作用。凝固传热影响着制 件的微观结构,制件产品的质量主要取决于他的微观结构、热裂的形成以及偏析 [23] [44] 等 。适当的工艺参数对于制件的模拟结果的准确性至关重要。 D.L. Zhang 使用有限差分法模拟了 A356 合金液态模锻过程中的热传导随相变的变化,并指 出在靠近型壁处凝固时间随着热传递的增加而逐渐降低,这项工作表明随着凝固 [45] 时间的增加,传热逐渐减缓。S.W. Youn 通过模拟汽车制动盘的液态模锻工 艺,指出制件的机械性能与凝固制件的温度场分布有密切关系,液态模锻制件在 [46,47] 高压下进行快速冷却,第二相的有限固溶必然会产生偏析 ,分析了偏析与瞬 间温度场间的关系,讨论了温度场的变化以及由于温度分布而引起的第二相分布 和晶粒细化等问题。 数值模拟的出发点是要建立合适的数学模型进行描述液态模锻的凝固过程, 数学模型的准确性关系到模拟结果与实际吻合程度。Lee 等人通过模拟分析在模 具与制件间的二维传热,预测了制件凝固过程的温度场,并提出潜热的释放方程 [48] 式。邓新平 通过分析固相区、液相区和凝固区之间的传热、传质、流动,考 虑了凝固收缩效应和压力作用下已凝固金属壳层的塑性变形,对液相流动的影 响,建立热量传输、溶质传输、动量传输方程,弥补了以往液态模锻凝固过程模 拟仅仅考虑自然对流的不足,该模型定量描述了液态模锻过程中任一阶段制件的 [49,50] 凝固状态。清华大学的韩志强等人 根据液态模锻凝固过程中的传热模型、应 力场数学模型、本构方程,建立了求解温度场、应力场的有限元模型,并开发了 软件进行模拟液态模锻的凝固过程的温度场、应力场,应用该软件模拟 TMPSC A356 铝合金直接液态模锻过程,分析了冲头压力、模具预热温度两个工艺参数 对于液态模锻凝固过程的影响以及缩松缩孔缺陷的位置,并通过实验证明了模拟 结果的准确性,该软件具有通用性。 - 10 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 通过数值模拟可以预测实验的结果,从而扩展液态模锻的应用范围。李荣德 [51] 等 开发了模拟液态模锻的温度场、应力场的有限元程序,并通过模拟 ZA27 大 高径比H/D6液态模锻工艺的温度场、应力场,将液态模锻的适用范围扩展到 大高径比制件,模拟结果表明,制件轴心位置处温度最高。由于制件和模具间的 摩擦力造成压力损失,液态模锻件应力沿轴向不均匀分布,压力越大制件变形越 严重,压力呈现不均匀分布的现象越明显,制件下部所受到的压力最小,随着压 力的增加凝固时间缩短,从图 1-14 中可以看出模拟结果和实验结果吻合。 [51] 图 1-14 制件和型腔制件制件压力分布和液态模锻件的形貌 a 制件和型腔制件制件压力分布 b 液态模锻件的形貌 通过对于液态模锻过程的数值模拟,模拟不同工艺参数下制件的成形过程, [52] 寻求最佳工艺参数。李敏华 应用 ProCAST 软件模拟了 AL356 合金舵面间接液 态模锻的充型过程、凝固过程中的温度场、应力场,并通过保压收缩模型、气孔 [53] 模型分析改进模具结构和调整工艺参数,有效地缩短试制周期。马静等 根据 凝固过程的数学模型,编写程序模拟液态模锻成形过程,分析温度场,预测缩松 缩孔,并模拟不同比压、加压速度以及卸压时间对于高锰钢试样缩孔形成过程的 影响,模拟结果表明,大于屈服极限的比压、延长卸压时间和增大加压速度,都 会发生强制补缩,减小缩孔的体积,对于不同参数进行模拟,直至缩孔减小为零, 模拟参数和实验结果吻合,该程序对于减小液态模锻过程中缩孔的体积具有指导 [54] 意义。白彦华等 针对 AZ91D 镁合金保持架间接液态模锻工艺,不同参数条件 模拟分析充型过程和凝固过程,优化工艺参数,避免了缺陷。同时,建立了充型 时间、凝固时间的数学关系式,研究表明,压射速度过慢或过快、提高模具温度 都会延长凝固时间。 1.5 液态模锻过程中热裂分析 近年来,在热裂预测方面的理论研究也在不断的发展,通过理论分析热裂机 - 11 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 理,基于凝固过程中的应力应变场和补缩能力,分析热裂的趋势。热裂形成的机 [55-57] 理主要有以下理论 :1 液膜理论 该理论认为:结晶末期液膜的存在以及液膜的厚度影响着热裂。制件凝固过 程中,晶体周围未凝固的液体形成液膜,结晶末期,由于制件收缩受阻晶体和液 膜间产生应力。当应力足够大时,将会导致液膜开裂并扩展为晶间裂纹。 2 强度理论 合金凝固过程中,延伸率极低,金属呈脆性。在凝固末期的有效结晶温度区 间,晶体凝固收缩,当收缩应力足够大时便产生热裂,并有可能进一步扩展。 3 裂纹形成功理论 裂纹的产生要经过形核和长大两个阶段,如果在凝固过程中存在晶界偏析和 外力作用时,裂纹在固相晶粒与液相相交的部位形核,产生裂纹。 4 晶间搭桥理论假设晶粒间存在晶间搭桥,凝固过程中晶体间收缩,当收缩受阻时产生应力, 破坏了晶间搭桥,液体补缩不足,因而形成晶间裂纹。 [58] 康进武等 采用热弹塑性模型,通过对比分析铸钢细杆、粗杆铸件的动态 [59] 应力变化,应用强度理论解释了铸件热裂发生在热结部位。李培锋 通过三维 数值模拟分析有加强筋和无加强筋两种类型大型鼓风机机壳的应力场、等效应 变,指出:轴肩处圆角是影响热裂的主要因素,加大轴肩圆角能够降低热裂趋势。 [60] 王恒林、郑贤淑等 应用液膜理论,通过模拟分析变截面铸件应力场、温度, 并与实测值对比,提出了热裂形成的等效应变判据:热裂的发生区域,一般在等 [61] 效应变最大的区域,并且位于温度最高区域附近。刘驰 建立了铝合金的准固 态流变学模型进行模拟凝固过程中的应力、应变,应用强度理论解释了热裂形成 [62] 的主要原因是在热脆性区的集中变形。赵良毅 通过模拟相对应力梯度 R 和频 QE 率因子 F 分析热裂机理,提出热裂的相对应力梯度和频率因子无量纲判据: f ì F 0.6 ~ 0.8f 。 í -0.224MRR?e QE 0? 1.6 本文的研究内容 本课题以汽车空调器摇盘为研究对象,应用 ZL205A 铝合金液态模锻制件, 通过改变液态模锻工艺参数浇注温度、压力、模具预热温度成形出力学性能优 异的空调器摇盘件。研究不同浇注温度、压力、模具预热温度对汽车空调器摇盘 - 12 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 件微观组织与力学性能的影响规律,分析液态模锻参数对于 ZL205A 合金组织细 化和性能的影响机理。主要研究内容如下: 1 应用 ProCAST 模拟软件,选取适合的数学模型描述温度场、应力场,选 取相关参数,模拟空调器摇盘件在凝固过程中的温度场、应力场,并预测缩松缩 孔以及热裂产生的位置。 2 设计合理的模具,并针对模具的结构进行改进,在不同的参数下成形空 调器摇盘,验证模拟的准确性。分析摇盘件在制备过程中可能出现的缺陷,通过 调整工艺参数浇注温度、压力和模具温度,成形出缺陷较少的制件。 3 对制件进行热处理,利用金相、扫描以及常温拉伸等方法,研究浇注温 度、压力和模具温度对空调器摇盘组织和力学性能的影响。在此基础上,优化出 合适的工艺参数,并验证模拟结果的准确性。- 13 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第 2 章 材料的制备与实验方法 2.1 实验材料 本实验选用 ZL205A 铝合金进行成形空调器摇盘, ZL205A 是 Al-Cu 系高强 度合金,属于固溶强化合金,时效处理后,过饱和的 α 固溶体分解,析出 CuAl 2 ( θ 相)强化相,有显著的强化效果。ZL205A 结晶范围较宽,铸造性能较差, 普通铸造工艺过程中,容易产生裂纹、偏析、气孔等缺陷,其化学成分如表 1-1 所示。 ZL205A 主要含有 Al、Cu、Mn 元素,在凝固过程中可以发生二元共晶和 三元共晶反应 ,析出 αAl初晶相 ,随后发生共晶反应,析出 qAlCu相、 2 SAlCuMg 相,ZL205A 在凝固过程中还可能析出t AlMnCu 相、 Al Mn相。 2 12 2 6 表2-1 ZL205A铝合金的化学成分(摘自GB/T1173-1995) Alloy 主要元素 Cu Mn Ti 其他元素 Al Cd 0.15~0.25 ZL205A V0.05~0.3 4.6-5.3 0.3-0.5 0.15-0.35 余量 Zr 0.05~0.2B 0.005~0.06 2.2 实验设备 试验中采用天津锻压机床厂生产的四柱液压机,型号为 THP16-200,公称 压力 2000kN。试验中熔化铝液采用电阻炉,并采用热电偶跟踪测温,并采用 定 量勺进行浇注。 2.3 模具设计 合理的模具设计对于液态模锻实验的成功进行至关重要,并影响着制件的 质量。设计模具时要考虑在液锻过程中的总压下量、液锻力、脱模力、以及合 模力,在保证锻件精度以及生产率的前提下,模具结构尽可能简单,从而降低 加工成本,模具的参数一般包括:模具工作部分的材料、模具间隙、脱模斜度、 排气、收缩率等。 1 采用简单加载方式的模具结构: 采用直接液态模锻工艺,模具如图 2-1 所示,其原理是:模具预热到一定 - 14 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 温度,开模喷石墨润滑剂,合模,使用定量勺直接将合金液浇入凹模后,合模, 液压机带动上模下降,与合金液接触后,开始加压、保压一定时间、顶出制件。 合金液在封闭的型腔内成形,该工艺简单易操作。当冲头下移与制件表面接触 时,底部先凝固的金属承载了冲头几乎全部的载荷而进入塑性变形,限制和减 缓了冲头的继续下行,因此无法控制制件的形状,当浇注的合金液较少时,成 形不完全,当浇注合金液较多时,容易出现较大的飞边。根据试验结果,如图 2-2,可以看出制件出现浇不足的缺陷并且产生较大的飞边,不能保证制件的形 状以及力学性能。 此处成 形较差 图 2-1 直接液态模锻工艺模具 图 2-2 直接液态模锻工艺成形的制件 当金属液浇入下模时,模具温度较低,与模具接触的铝液开始结晶凝固。 上模与合金液接触后,金属液向上充型,此时合金液的流动性也比较差,向上 充型不完全,并且在凝固过程中合金液产生较大的收缩,产生浇不足的缺陷。 2 采用局部加载的方法改进模具结构: 针对上述缺陷,本实验采用图 2-3 所示的模具结构,模具实物图如图 2-4 所示,该模具利用碟簧进行局部加载,局部挤压成形,在第一步进行挤压时, 凸台处充填不完全,在局部加载的作用下继续流动,当局部加载结束时,整个 模具型腔已经完全充填完毕,有效地避免了成形过程中浇不足的缺陷。 模具工作原理:液压机通过上垫板 1 带动上冲头 3 和上模 8 上升到一定高 度,用定量勺将合金液浇入凹模 15,上模 8 下降,并在碟簧 13 的作用下制件 最终成形,保压、开模、由顶出杆 19 推动顶出环 18 顶出制件。- 15 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1?上垫板 2?蝶形弹簧组合 3?上冲头 4?弹簧固定柱 5?固定板 6?小垫板 7?上模 固定板 8?上模 9?压杆 10?圆锥销 11?模套 12?侧面固定杆 13?蝶形弹簧组合 14 ?侧堵头 15?凹模 16?下垫板 17?沉头螺钉 18?顶出环 19?顶出杆 20?导柱 21? 限位杆 22?沉头螺钉 23?小垫板 24?上冲头固定板 25?压盘 26?导套 图 2-3 局部加载工艺模具结构图 图 2-4 局部加载模具实物图 该工艺中将碟簧两片一组,将方向不同的两个组合,套在碟簧固定柱上。 该工艺要严格控制下模的温度,防止下模温度过低,合金液过早凝固。在高温 的封闭模内成形制件,降低了锻造时的变形抗力,制件在锻造过程中处于三 向 压应力状态,不易产生裂纹,在后续的锻造过程中,外表面均匀受力,可以保 证制件的表面质量,成形的制件飞边较小。在压力下成形,将粗大、疏松的晶 [4] 粒经塑性变形后,成形件为细小、均匀的晶粒 。- 16 -哈尔滨工业大学工程 硕士学位论文 2.4 成形工艺 1 将炉料清洗干净后,烘干,熔炼; 2 将铝锭溶化后,740?左右用六氯乙烷除气,精炼 20 分钟,除渣; 3 将模具预热到 150?左右,开模喷石墨,随后合模预热至适宜温度; 4 利用热电偶跟踪测温,合金液温度达到一定温度时,准备浇注。 2.5 热处理工艺 ZL205A 合金对制件进行力学性能测试前,要进行热处理。热处理采用可 控温的箱式热处理炉,控温精度为?1?。采用 T6 热处理,具体工艺为:固溶 处理,538?5?、保温 10h、迅速10 秒内放入室温水中冷却;时效处理,175 ?5?、保温 5h、空冷。 2.6 性能测试 2.6.1 金相组织观察OM 每个摇盘件上取样 1 个,取样位置如图 2-5 所示,试样表面经金相砂纸磨 光、抛光、超声波清洗后,用混合酸溶液2.5%硝酸+1.5%盐酸+1%氢氟酸+85% 水,vol%腐蚀试样表面,在 OLYMPUS 光学显微镜上观察宏观组织。 将金相图导入 ISA 图像分析仪中,得出晶粒的平均面积,用2-1式计算晶 粒的平均直径 d ,进行定量比较晶粒的尺寸与液态模锻过程中工艺参数的关系。 N 4/ A pN1 d 2-1 N 式中,A??晶粒的平均面积。 取样位置图 2-5 金相试样取样位置- 17 -哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2.6.2 维氏硬度的测试 硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力,表征方法有布氏硬度、洛氏硬度 和维氏硬度等。本试验采用维氏硬度,即施加在压头上的力与留在试样上的压 痕面积之比。 每个制件上取样三个,取样位置如图 2-6 所示,在 HVS-1000Z 型数显显微 维氏硬度计上测试硬度,选用维氏金刚石正四棱锥体压头,压力为 100N,每个 试样上测试 10 个点,