低压铸造某铝硅合金铸件晶粒结构数值模拟三辊卷板机

低压铸造某铝硅合金铸件晶粒结构数值模拟

低压铸造某铝硅合金铸件晶粒结构数值模拟 2011年12月04日 来源： 1 引言低压铸造是一种精确铸造成型工艺方法，由于其压力可控，充型比较平稳，且在压力下凝固而越来越适合于生产内部质量和尺寸精度要求较高的铝镁合金铸件。铸造过程数值模拟的目的主要在于优化生产工艺，使铸件的各种性能满足使用要求，而微观组织直接决定着铸件的力学性能，因此模拟铸件微观组织具有重要意义[1]。本文针对低压铸造的某铝硅合金铸件，以铸造专业仿真软件PorCAST为工具，对该铸件晶粒结构形成过程进行了数值模拟。模拟过程描述如下：首先假设充型过程瞬间完成，对多个循环周期模拟得到处于热平衡状态的模具温度场；然后以平衡态的模具温度场为模具的初始条件，模拟该铸件的充型过程；最后利用CAFE方法以型腔刚充满时刻为初始时刻模拟该铸件的晶粒结构形成过程。2 模型的建立及求解条件2.1 模型的建立在I-DEAS软件中完成几何建模，划分表面网格后以UNV格式输出，在MeshCAST模块完成体网格划分。有限元模型的节点数为64119，单元数为322883，其中铸件节点数为16690，单元数为75187。铸件和模具的有限元模型参见图1。

图1（a）下模的有限元模型 图1（b）上模的有限元模型 图1（c） 铸件的有限元模型

2.2 材质属性铸件材质A380，模具材质H13，热物性参数采用ProCAST材料库提供的参数。2.3 其它参数在低压铸造成型条件下，铸造过程是一个周期性的循环生产过程。每一生产周期又可分为不同的操作阶段，在各操作阶段模具被不断的加热和冷却。经过一定周期循环后，每个周期模具吸收的总热量和释放的总热量相当，达到热平衡状态。这时才能稳定生产。一个完整的低压铸造周期包括以下操作：合模、充型、保压凝固、卸压凝固、冷却、开模等。本文对低压工艺的循环过程描述如表1，为了简化计算过程，不考虑升液阶段，并且在计算平衡态的模具温度场时假设充型瞬间完成。压力时间曲线如图2。

表1 低压工艺的循环过程描述

图2 压力-时间曲线

在传热计算过程中，要考虑铸件与模具间的换热，模具外表面与环境间的换热，开模后模具内表面与环境间的换热及模具内表面与涂料间的换热，对以上换热系数分别设为2000 W/M2/℃、100 W/M2/℃、500 W/M2/℃和3000 W/M2/℃。环境和涂料的初始温度均为25℃。铸件和模具的初始温度分别为685℃和150℃。计算平衡态的模具温度场时，假设充型过程瞬间完成，计算15个循环周期。模拟充型过程时，在浇口处施加速度边界条件，以平衡态的模具温度场为模具的初始条件，其他条件不变，仅计算一个循环周期。模拟晶粒结构时，采用ProCAST的CAFE模块[2，3]。该方法采用连续形核的方法处理液态金属的异质形核现象，采用高斯分布函数描述形核质点密度随温度的分布关系，晶粒生长模型考虑枝晶尖端生长动力学和择优生长方向[4-6]。以型腔刚充满时刻为初始时刻，CA参数设置如表2所示。

表2 CA参数设置

3 结果与分析3.1 平衡态的模具温度场图3为模具上某些点经15次循环的温度时间历程曲线。可看出经历8次循环以后，曲线大致呈周期性变化，说明模具基本达到热平衡状态，即在一个周期内模具吸收的热量与释放的热量相当；在每一周期内，部分点的温度有明显的升高然后降低，而部分点的温度变化非常不明显，进一步对照这些点在模具上的位置，发现仅在型腔附近的区域温度随时间变化较大，说明模具在型腔附近存在一个“瞬态层”

图3 模具上某些点的温度时间历程曲线

3.2 充型过程模拟图4（a）-（d）为充型过程中不同时刻的速度矢量图。从图中可看出，充型时金属液分三股填充型腔，大多数金属液从铸件顶部向四周扩展，少量的金属液沿铸件边沿弧形流动，在最后填充的区域形成小的漩涡，易发生卷气，因此在上模对应位置应设置排气孔。采用粒子跟踪法发现金属液中密度较小的夹杂物最终可以运动到溢流槽中，这与实际情况一致。

3.3 晶粒结构模拟由于CA单元长度在微米数量级，因此在模拟过程中仅取所关心区域的较小体积进行计算，否则计算时间不可接受（在上面的设定中，计算体积仅为1mm3，但CA单元数已达到八百万）。本次计算中，对5块小区域的微观组织进行了计算，限于篇幅，仅给出铸件顶部中心位置的结果。由图5可看出晶粒的形状与边界，红点表示粒子的核心；由图6可知晶粒的大小分布；由图7可知晶粒生长时晶向选择的分布；由图8可知粒子形状的分布。

4 结论（1）对低压铸造连续生产过程的模拟，应首先得到处于热平衡状态的模具温度场；（2）在低压铸造充型过程中，压力规范对金属液的流动形式影响最大；（3）通过对铸件微观组织模拟技术的研究，确定CAFE是一种有效模拟晶粒结构的方法；（4）采用CAFE方法模拟某铝硅合金铸件的晶粒结构，得到了该铸件的晶粒结构分布、晶粒度和平均半径等结果，与实验结果符合较好。参考文献[1] 柳百成等编著.铸造工程的模拟仿真与质量控制[M].机械工业出版社，2001.[2] UES Software. Pro/Cast User Manual.[3] CalcoSoft 3D Stochastic Modelling of Microstructures User Manual.[4] Ch.A.Gandin,M.Rappaz. A Three-Dimensional Cellular Automaton- Finite Element Model for the Prediction of Solidfication Grain Structures[J],Metallurgical and Materials Transactions, 1999,Vol.30,No.10:pp.3153-3165.[5] M.Rappaz, Ch.A.Gandin. Probablistic Modelling of Microstructure Formation in Solidfication Processes[J]. Acta Metall,1993,Vol.41,No.2:pp.345-360.[6] Ch.A.Gandin,M.Rappaz.A Coupled Finite Element-Cellular Automaton Model for the Prediction of Dendritic Grain Structures in Solidfication Processes[J]. Acta Metall, 1994,Vol.42,No.7:pp.2233-2246.(end)

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