摘要：通過Flow-3D仿真軟件，對(duì)鎂合金散熱器普通壓鑄及真空壓鑄進(jìn)行模擬仿真，對(duì)比充型過程的缺陷和卷氣結(jié)果，并進(jìn)行試制產(chǎn)品。通過分析普通壓鑄和真空壓鑄件的微觀組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明，真空壓鑄能夠獲得充型完整、外觀優(yōu)良的鎂合金壓鑄件，并且其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率較普通壓鑄件分別提高14.1%和42.1%。

壓力鑄造是鎂合金最常用的加工成形工藝，約占總加工量的90%。壓鑄時(shí)鎂合金液充型速度較快，且其自身熱容小，容易在充型過程中形成卷氣，形成氣孔，導(dǎo)致縮松、縮孔。降低壓鑄件的縮孔，提高其致密度一直是研究的重點(diǎn)。真空壓鑄能夠在一定程度上減少型腔內(nèi)的氣體，減少鑄件的卷氣缺陷，提高其應(yīng)用范圍。本課題通過Flow-3D軟件對(duì)鎂合金散熱器壓鑄件進(jìn)行試澆模擬分析，對(duì)比散熱器真空壓鑄件與普通壓鑄件缺陷和卷氣分布位置并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為真空壓鑄生產(chǎn)鎂合金散熱器壓鑄件提供參考。

1、鑄件模型分析

散熱器壓鑄件模型和抽氣系統(tǒng)見圖1（含澆注系統(tǒng)），采用多齒槽型排氣槽，防止金屬液堵塞抽氣通道。采用AZ91D鎂合金的熱物性參數(shù)見表1，把模型導(dǎo)入仿真軟件后進(jìn)行網(wǎng)格劃分結(jié)果能完整顯示，見圖1b。

表1：Mg-6Al-1Sm-xBi的熱物性參數(shù)

圖1：鎂合金壓鑄件及型腔抽氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2、模擬仿真及結(jié)果分析

2.1 壓鑄件充型分析

通過大量前期試驗(yàn)，選擇澆注溫度為680 ℃，最佳壓鑄工藝參數(shù)見表2，對(duì)AZ91D鎂合金散熱器進(jìn)行充型仿真模擬。

表2：工藝參數(shù)

鎂合金壓鑄件的充型過程見圖2。從模擬結(jié)果可知，壓鑄件在充型過程中，金屬液從澆口進(jìn)入，充滿澆注系統(tǒng)，接著由近及遠(yuǎn)填充型腔。當(dāng)金屬液碰到型腔壁時(shí)，發(fā)生不同程度的紊流和液體飛濺。隨著金屬液的充型直至充滿整個(gè)型腔。這會(huì)導(dǎo)致壓鑄件會(huì)存在不同程度的氧化夾雜和縮松縮孔。

圖2：鑄件充型過程

2.2 普通壓鑄件與真空壓鑄件模擬分析

在表2工藝參數(shù)下，對(duì)普通壓鑄件和真空壓鑄件進(jìn)行缺陷模擬分析，其結(jié)果見圖3。從模擬結(jié)果可知，普通壓鑄件的氧化夾雜分布范圍廣，主要集中在鑄件中心和兩側(cè)，且程度較真空壓鑄件高。真空壓鑄件的夾雜缺陷，主要集中在溢流槽，溢流槽在成形后可以去除，少量分布在鑄件中心，分布范圍小，夾雜缺陷程度低。

圖3：缺陷模擬結(jié)果

同樣在表2工藝參數(shù)下，對(duì)普通壓鑄件和真空壓鑄件進(jìn)行卷氣場(chǎng)模擬分析，其結(jié)果見圖4。

從模擬結(jié)果可知，普通壓鑄件的卷氣區(qū)域主要集中在壓鑄件的心部，靠近澆道處也有少量卷氣，卷氣量比真空壓鑄件高。真空壓鑄件的卷氣區(qū)域主要集中在溢流槽中，少量分布在鑄件的中心區(qū)域，整體的卷氣量較少。由此得出，真空壓鑄件組織較為致密。

圖4：卷氣模擬結(jié)果

3、壓鑄件組織性能分析

在相同最佳工藝參數(shù)下，對(duì)普通壓鑄件和真空壓鑄件分別進(jìn)行試制，最終壓鑄件的宏觀照片見圖5?？梢杂^察出，普通壓鑄件和真空壓鑄件的外觀都比較完整，幾乎看不出什么差異。但由于普通壓鑄沒有抽真空，壓鑄件不可避免的存在較多的卷氣缺陷，這在熱處理后表現(xiàn)得尤為明顯。

圖5：壓鑄件宏觀照片

從仿真結(jié)果可知，散熱器壓鑄件的缺陷和卷氣主要集中在心部。因此，分別取普通壓鑄件和真空壓鑄件相同位置的散熱片，制備金相試樣進(jìn)行對(duì)比研究，散熱片見圖6。

圖6：散熱片

圖7為散熱片微觀組織?？梢钥闯?，普通壓鑄件的氣孔分布范圍較廣且氣孔較大，并且存在氧化夾雜；而真空壓鑄件也同樣存在氣孔，但氣孔分布范圍較小且氣孔也比較小。相對(duì)比而言，鎂合金真空壓鑄件散熱片上的氣孔缺陷，較普通壓鑄件少，氧化夾雜也明顯減少了，組織也較為致密。

圖7：散熱片微觀組織

分別取普通壓鑄件和真空壓鑄件相同位置的散熱片，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，得到的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)見表2。從表2中可知，真空壓鑄件的抗拉強(qiáng)度較普通壓鑄件的抗拉強(qiáng)度提高了14.1%，伸長(zhǎng)率提高了42.1%。

表2：普通壓鑄件與真空壓鑄件力學(xué)性能對(duì)比

4、結(jié)論

（1）通過FLOW-3D軟件，對(duì)普通壓鑄件與真空壓鑄件進(jìn)行充填模擬、缺陷場(chǎng)模擬和卷氣模擬，發(fā)現(xiàn)真空壓鑄件的氧化夾雜和卷氣較普通壓鑄件低，得出AZ91D鎂合金散熱器的充型規(guī)律，氧化夾雜和卷氣分布的主要位置。

（2）通過試驗(yàn)得知，真空壓鑄件外觀完整良好、組織致密，且真空壓鑄抗拉強(qiáng)度較普通壓鑄件提高14.1%，伸長(zhǎng)率提高了42.1%。

作者：
陳思濤
佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第06期