CN110111861B - 一种镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法；根据LRGn与M0的大小来判断铸造过程中是否产生热裂纹，其中，L是铸件中的约束段长度，单位m；R是约束段内各点的平均冷却速率，单位℃/s；G是约束段内各点的温度梯度，单位℃/m；n是温度梯度的影响因子，取1.5；M0是临界值；当铸件某位置LRGn>M0时，则该位置会出现热裂纹；当铸件中所有位置LRGn≤M0，则铸件没有热裂纹风险。本发明提供的预测方法不需要合金完整的材料力学性能数据库，判据中的L，R和G可以直接从铸造仿真计算中获得，临界值M0通过简单的实验与仿真计算即可获得，因此，本发明提供的热裂预测方法操作更加简单，适用性更广。

Description

一种镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法
技术领域
本发明属于金属铸造领域，具体涉及到一种镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法。
背景技术
在实际铸件生产过程中，人们常常借助铸造数值仿真技术/软件进行铸件铸造工艺设计，通过优化浇注***，降低甚至消除铸件中的缩松、缩孔、氧化皮、裂纹等铸造缺陷。其中，热裂纹是一种十分严重并且不可修复的铸造缺陷，常见于钢铁、铝合金和镁合金铸件的生产过程，它会严重影响铸件的质量和使用寿命，多数情况下，热裂纹直接导致铸件报废。因此，热裂纹的预测具有重要的科研和实用价值。
目前，对于铸件热裂纹的预测主要建立在铸件凝固过程中应力-应变数值仿真的基础上：如，铸造仿真软件ProCAST中提供的预测铸件热裂纹位置的判据HTI，它基于多孔材料塑性变形理论框架Gurson模型，通过计算网格中每个节点固相分数在CRITFS(晶粒互相接触在一起时的固相率，通常为50％和99％之间)期间的塑性总应变大小，来衡量铸件在不同节点处热裂敏感性大小；铸造仿真软件MAGMAsoft是通过粘塑性变形模型来预测热裂纹的形成与否，其中应变包括弹性应变、热应变和粘塑性应变。为了预测热裂纹，应力-应变仿真计算需要知道材料完整的力学性能数据库，包括弹性模量、泊松比、屈服强度、加工硬化、应变速率敏感指数等随着温度的变化情况，特别是固相线附近的数据。这些数据检测费时费力，多数合金都没有如此完整的力学性能数据库。所以，基于应力-应变仿真计算的热裂纹预测仅仅适用于少数具有完整材料数据库的合金。因此，急需要一种简单的方法对铸件的热裂纹进行有效的预测，特别是新型合金。
发明内容
现有热裂纹预测需要完整的材料力学性能数据库，包括弹性模量、泊松比、屈服强度、加工硬化率、应变速率敏感指数等随着温度变化的量化关系，而常规新型合金又无法便捷的获得这些数据。针对该技术难题，本发明提供了一种基于铸件凝固温度场数值仿真的镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法。由于铸件温度场的数值仿真技术已经十分成熟，所有的铸造仿真软件都具备该功能，因此本发明提供的热裂纹预测方法，适用范围广，可以轻松实现新型金属的热裂纹预测。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明涉及一种镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法，所述方法包括如下步骤：
S1、根据公式M＝LRGn计算M值；其中，L是铸件中的约束段长度，单位m；R是约束段内各点的平均冷却速率，单位℃/s；G是约束段内各点的温度梯度，单位℃/m；n是温度梯度的影响因子，取1.5；
S2、通过M与M0的大小来判断镁、铝合金铸件铸造过程中是否产生热裂纹：当铸件某位置M>M0时，则该位置会出现热裂纹；当铸件中所有位置M≤M0，则铸件没有热裂纹风险；其中，M0是铸件产生热裂纹的临界值。
其中，约束段长度L的确定方法：金属液在铸造模具中凝固，液固相变引起金属体积收缩，而铸造模具不会随着金属体积收缩而收缩，两者产生矛盾，当两者的矛盾无法通过应变协调时，应力随即产生，当应力超过临界值时，热裂纹产生，因此模具对金属体积收缩的约束是产生热裂纹的必要条件，约束段长度L则是该必要条件的一个量化指标。约束点是指阻碍铸件收缩的位置，多为铸件壁厚突变的位置，这些位置一般也是温度梯度G的极大值位置，因此可以通过G极大值确定约束点位置，而两个约束点之间的距离即为约束段长度L。具体而言，数值仿真中通过计算铸件凝固过程中温度梯度G确定其极值点即约束点，通过计算两个极值点的距离确定该约束段长度L。
本发明提供的约束段长度L为铸件固相率0.85～1.0对应温度区间某一温度下温度梯度G的两个极大值位置之间的距离。
更优选，约束段长度L为铸件固相率0.95时温度梯度G的两个极大值位置之间的距离。
冷却速率R的计算方法：目前所有的铸造仿真软件都能够计算某一网格点的冷却速率，冷却速率计算的温度区间为液相线到固相线。
本发明提供的冷却速率R为固相率0.74～1.0对应的温度区间下约束段内各点的平均冷却速率。
温度梯度G的计算方法：目前所有的铸造软件都能够计算某一网格点与相邻网格点之间的温度梯度。
本发明提供的温度梯度G为固相率0.85～1.0对应温度区间的某一温度下约束段内各点的温度梯度。
更优选，温度梯度G为固相率0.95时对应的温度梯度。
临界值M0的确认方法：本发明采用常规热裂纹行为研究用的约束棒铸件(图1，Constrained rod casting)确定临界值M0。
本发明提供的临界值M0采用约束棒铸件试验和铸造仿真相结合的方法确定，具体方法为：
A1、针对特定合金，在预设浇注温度和不同模具温度条件下分别浇注约束棒铸件，确定约束棒铸件所有约束位置都不产生热裂纹的临界模具温度；(具体是通过约束棒铸件表面形貌观察，找到约束棒铸件所有约束位置都不产生热裂纹的临界模具温度)
A2、通过铸造仿真软件和M＝L R G1.5计算临界模具温度下约束棒铸件最长试棒最易产生热裂纹位置处的M值，该M值即为M0。
所述约束棒铸件包括倒圆台形铸件顶部浇口和圆柱形铸件本体；所述铸件本体上均匀间隔设置有垂直于本体中心轴的试棒1-4，试棒之间距离为38mm；所述试棒1-4为直径相同的圆柱体，圆柱直径为9.5mm，其长度依次递增，分别为27、65、103、141mm；所述试棒1-4的端部分别设有直径相同的球体，球体直径为19mm；所述圆柱形铸件本体的端部为半球体，球体直径为29mm。
与现有技术相比，本发明提供的热裂纹预测方法具有以下有益效果：
(1)适用性广：该热裂纹预测方法适用所有的镁、铝合金材料，包括具有完整材料力学性能数据库的已有镁、铝合金和刚刚研发出来、力学性能数据库不完整的新型镁、铝合金；
(2)操作方法简便：除临界值M0需要实验与仿真相结合确定以外(同一种合金只需进行一组实验即可)，其余均可以通过铸造仿真获得，省时省力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为镁、铝合金热裂纹行为研究用的试棒约束棒铸件与模具图；
图2为约束棒铸件温度梯度G0.95数值仿真结果图；
图3为14寸镁合金汽车轮毂工艺参数1#时的铸件温度梯度G0.95数值仿真结果图；
图4为14寸镁合金汽车轮毂热裂纹预测：(a)工艺参数1#，轮辋部分，L＝0.11m；(b)工艺参数1#，轮辐部分，L＝0.04m；(c)工艺参数2#，L＝0.11m；
图5为裂纹判据(L·R·G1.5﹥M0)的预测结果与14寸镁合金汽车轮毂工艺参数1#实验结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。以下采用镁合金Mg-3Nd-0.2Zn-0.5Zr(NZ30K,wt.％)作为试验材料，选取某金属型低压铸造汽车轮毂检验判据的有效性。铸造模拟软件选用ProCAST。模拟参数，除铸造工艺参数(浇注温度、模具温度、浇注速度等)外，均为软件默认或推荐值。冷却速度R为固相率fs＝0.74～1对应的温度区间的平均冷却速度；温度梯度G为固相率fs＝0.95对应的温度的温度梯度，记为G0.95。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以介绍本发明，并不限定本发明。
实施例
1、临界值M0的确定方法
(1)试验工装准备：浇包、约束棒铸件模具、浇包/约束棒铸件模具加热电阻炉。浇包为外径90mm、内径80mm，高度250mm的桶形体，底部设置φ30mm堵头，材质为不锈钢。约束棒铸件与模具尺寸如图1所示，材质为H13钢。浇注时，浇包和约束棒模具采用外置保温电阻炉原位加热，加热炉分别位于浇包/约束棒模具外部，浇包和浇包加热炉位于约束棒模具和约束棒模具加热炉正上方，浇包底部距离约束棒模具上表面50mm。
(2)约束棒铸件浇注过程：先设置浇包和约束棒模具温度；待温度到达设置温度后，在1％SF6/99％CO2气体保护下，浇注260±10cm3的镁合金熔体至浇包中；待到浇包内熔体温度达到设定温度后，打开堵头，镁合金熔体在重力的作用下填充约束棒模具；待镁合金完全凝固后，先将约束棒模具从保温炉中取出，再打开模具取出约束棒铸件；待约束棒铸件冷却至室温时，观察约束棒表面是否存在裂纹。
(3)浇注约束棒铸件：将熔化后的镁合金熔体在浇注温度为730℃、不同模具温度下(150、250、350、450℃)浇注约束棒铸件。对约束棒铸件表面裂纹情况进行细致观察，确定所有约束位置都不产生裂纹的最低模具温度。对于NZ30K镁合金而言，最低模具温度为350℃，即临界模具温度为350℃。
(4)确定约束距离L。通过ProCast软件计算浇注温度730℃、模具温度150℃下约束棒铸件的温度梯度，G0.95的计算结果如图2所示。选取每一个试棒上的温度梯度的两个极值点计算约束距离L，试棒1、2、3、4的约束距离分别为0.025、0.067、0.101、0.137m。
(5)确定临界值M0。在临界模具温度下，通过ProCast软件和M＝LRG1.5计算约束棒铸件最长试棒4最容易产生热裂纹的C处(如图1所示)的M值，该M值即为M0值。对于NZ30K合金而言，当浇注温度为730℃、模具温度为350℃时，C处的M＝765℃2.5/(sm0.5)，即NZ30K合金产生热裂纹的临界值M0为765℃2.5/(sm0.5)。当某位置M>M0时，则该位置会产生热裂纹；反之，该位置不会产生热裂纹。
2、NZ30K镁合金低压铸造汽车轮毂热裂纹预测
本发明选取了NZ30K镁合金14寸轮毂试制时的两组典型工艺参数作为对照证实热裂纹判据的有效性。NZ30K镁合金14寸轮毂采用金属模具低压铸造成型，模具材料为H13钢，由1块上模、4块侧模和1块下模组成，模具平均壁厚为20mm。工艺参数1#：上模模温200℃、侧模模温300℃、底模模温500℃，试制结果为轮毂轮辋处产生多处热裂纹，轮辐处无热裂纹。工艺参数2#：上模模温350℃、侧模模温450℃、底模模温500℃，试制轮毂无热裂纹。
(1)NZ30K镁合金计算仿真时热物性参数的获得。Mg-3Nd-0.2Zn-Zr(NZ30K,wt.％)是一种新型镁稀土合金，热物性参数数据库不完整，通过ProCAST软件中自带的“Thermodynamic Databases”数据库可以根据合金的成分计算材料相关的热物性参数，计算时选用Scheil模型。
通过计算可以获得合金密度、焓、热导率、固相率、粘度随温度变化的量化关系，这些计算结果可以用于铸造过程的温度场仿真。这些参数也可以通过实验获得。本实施例中采用的是ProCAST软件的计算结果。
(2)14寸镁合金轮毂的铸造仿真与约束段长度L的确定。设置浇注温度、模具温度、浇注速率(0.2m/s)，其他参数采用软件推荐值，计算14寸轮毂浇注与凝固过程中轮毂各个位置的温度梯度G0.95，工艺参数1#下的温度梯度分布如图3所示，在轮毂纵截面上温度梯度有8个极值(这些极值间距离的计算可以通过软件编程实现)，其中轮辋上的最大极值距离(约束段长度L)为极值2和极值4之间的距离，为0.11m；轮辐处的最大极值距离为极值4和极值6之间的距离，为0.04m。由于现有软件尚不能完全实现各个区域约束段长度L的单独赋值，为了便于计算，本实施例中，轮辋上的约束段长度L全部取最大值0.11m，轮辋处的约束段长度取最大值0.04m。
(3)轮毂热裂纹情况预测。本实施例采用ProCAST软件中的用户开放工具M＝aUoCnGm来计算M值，其中a、o、n、m为用户可以自行定义的参数，U为凝固速率、C为冷却速率，G为温度梯度，设置“a＝L,o＝0,n＝1,m＝1.5,C＝R”则上述公式即为本发明提供的热裂纹判据M＝LRG1.5。工艺参数1#和工艺参数2#下的计算结果如图4所示，色带的最大值为M0，因此，红色区域为可能产生热裂纹的区域；具体而言，工艺参数1#条件下轮辋的2、3、4位置会产生热裂纹，而轮辐处不会产生热裂纹；工艺参数2#条件下整个轮毂都不会产生热裂纹。
(4)热裂纹预测情况与实验结果对比。热裂纹的预测情况与实验结果对比如图5所示。热裂纹是合金凝固后期形成的裂纹，由于形成时温度较高，所以裂纹断面氧化严重，呈黑色，通过对比轮辋处七个截面产生热裂纹的情况，可以发现轮辋上实际产生热裂纹的位置与仿真计算的结果十分吻合，即图4中预测的裂纹位置低压铸造时都存在热裂纹，从而证实本发明热裂纹预测方法的有效性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、根据公式M＝LRGn计算M值；其中，L是铸件中的约束段长度，单位m；R是约束段内各点的平均冷却速率，单位℃/s；G是约束段内各点的温度梯度，单位℃/m；n是温度梯度的影响因子，取1.5；
S2、通过M与M0的大小来判断镁、铝合金铸件铸造过程中是否产生热裂纹：当铸件某位置LRGn>M0时，则该位置会出现热裂纹；当铸件中所有位置LRGn≤M0，则铸件没有热裂纹风险；其中，M0是铸件产生热裂纹的临界值。
2.如权利要求1所述的镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法，其特征在于，约束段长度L为铸件固相率0.85～1.0对应温度区间某一温度下温度梯度G的两个极大值位置之间的距离。
3.如权利要求2所述的镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法，其特征在于，约束段长度L为铸件固相率0.95时温度梯度G的两个极大值位置之间的距离。
4.如权利要求1所述的镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法，其特征在于，冷却速率R为固相率0.74～1.0对应的温度区间下约束段内各点的平均冷却速率。
5.如权利要求1所述的镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法，其特征在于，温度梯度G为固相率0.85～1.0对应温度区间的某一温度下约束段内各点的温度梯度。
6.如权利要求5所述的镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法，其特征在于，温度梯度G为固相率0.95对应温度的温度梯度。
7.如权利要求1所述的镁、铝合金铸件凝固过程中热裂纹的预测方法，其特征在于，临界值M0采用约束棒铸件试验和铸造仿真相结合的方法确定，具体方法为：
A1、在预设浇注温度和不同模具温度条件下分别浇注约束棒铸件，确定约束棒铸件所有约束位置都不产生热裂纹的临界模具温度；
A2、通过铸造仿真软件和M＝L R G1.5计算临界模具温度下约束棒铸件最长试棒最易产生热裂纹位置处的M值，该M值即为M0。
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