致密度对铸件力学性能影响规律的研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 1 1 9 致密度对铸件力学性能影响规律的研究 万伟伟，韩建民，李卫京 北京矿冶研究总院金属材料研究所，北京1 0 0 0 4 4 摘要用真空调压铸造方莹。通过试验，得到铸件空隙率与铸件力学性能之问的关系。试验结果表明，随 着孔晾率的升高，材料的抗拉强度不断降低。在孔隙率小于0 ．1 ％时，抗拉强度达到较高的数值．罅态 下Z L l 0 1 抗拉强度达到了2 0 0 M P a 以上，且变化比较平缓；在孔隙率大于0 ．1 5 ％时，抗拉强度随着孔骧 率的升高急剧下降。 关键词真空调压铸造；空隙率；力学性能；凝固模拟 中囤分类号T G 2 9 2 文献标识码A 文章鳙号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 S 0 0 1 1 9 0 3 S t u d yo ft h eI n f l u e n c eo fP o r o s i t yo nC a s tM e c h a n i c a lP r o p e r t y W A NW d w e l ，H A Nl i a n - m i n ，L IW e i - j i n g 8 e i i t n gC , e a e r dR e s e a r c hI n s t i t u ko fM m m g M e t a l l u r g y ．1 Ⅻi n g1 0 0 0 4 4 ．a 汛 A b s t r a c t T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np o r o s i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc a s 6 n gi si n v e s t i g a t e dt h r o u g hv a c u u m a n dp r e s s u r er e g u l a t i o nc a s t i n gp r o c e s s ．T h er e s u l ts h o w st h a tt e n s i l es t r e n g t hf a l l sd o w nw i t ht h ei n c r e a s eo f p o r o s i t yo fc a s t i n g ．T h es t r e n g t hr e a c h e sh i g hl e v e lw h e np o r o s i t yv a l u ei sl e s st h a n0 ．1 ％．S t r e n g t ho fZ L l 0 1 a c h i e v e sm o r et h a n2 0 0M P aa sc a s ta n dh o i dS t a b l e ；w h i l es t r e n g t hf a l l ss h a r pd o w nW h e np o r o s i t yv a l u ei sm o r e 0 ．1 5 ％． K e y w o r d s V a c u u ma n dp r e s s u r er e g u l a t i o nc a s t i n gp r o c e s s ；P o r o s i t y ；M e c h a n i c a lp r o p e r t y ；S o l i d i f y i n gs i m u l a t i o n 铸造过程中铸件往往存在铸造缺陷，如夹渣、缩 孑仁、缩松等。夹渣的问题可以通过添加过滤网的方 法得到很好的控制。但是铸件中缩孔和缩松现象却 难以消除。铸件在凝固过程中由于液态收缩和相变 收缩的存在。使得铸件在凝固过程中产生缩孔和缩 橙。缩孔分布比较集中其尺寸相对较大，数量较少； 缩松的分布相对较分散，其尺寸相对较小，数量较 多。影响铸件缩孔和缩松形成的因素很多，主要有 合金性质方面，结晶温度问隔的大小、形成熔体的粘 度等；工艺方面。浇注温度、浇注速度、浇注冒口的设 置、冷铁分布等因素[ 1 “] 。但是铸件致密度对铸件 性能的影响规律却少见报道。本文采用真空调压铸 造方法，减少熔体中的气体含量，使熔体在压力下凝 固；合理设计浇注系统并用计算机凝固模拟，尽量实 作者简介万伟伟 1 9 8 0 一 ，男．工程师．硬士研究生 现顺序凝固。保证补缩通道的畅通。以保证获得致密 度良好的铸件。同时获得了致密度对Z L I O I 铸件 力学性能的影响规律。 ． 1 孔隙率的计算方法 铸件中缩孔和缩松的存在，大大降低了有效承 载面积．使铸件的力学性能急剧下降。本文采用孔 隙率作为缩孔和缩松的量度。 孔隙率求法如下 t 争x 1 0 0 ％ 生净x 1 0 0 ％． ； 1 一上 i 0 0 ％ P 鼙密 ． V 、P 一试样包含孔洞时的体积、密度；V 囊宙、 P 宙一紧密试样 即不包古孔洞 的体积、密度；v 孔 万方数据 1 2 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 一试样中孔洞的体积。 实际测量中，为了便于操作，采用排水称重法来 进行。公式变化如下 e 1 一 ． X1 0 0 ％； P 紧密 [ 1 一广 皇} ] 1 0 0 ％。 m 空气一卅木 P 理话。 m i 气、m 水一试样在空气中和水中的质量； p 理论一试样的理论密度 下文所用到的孔隙率都是采用上面公式计算得 到的。 2 铸造工艺设计 高质量的试棒铸件制备是进行拉伸试验和材料 性能数据可靠性的前提。根据铸造成型的有关理论 和以往的经验，经反复对比，初步设计了试棒铸造浇 铸成型方案和浇铸系统。本文采用P r o C A S T 软件 模拟了该铸件的充型过程和凝固过程，在模拟结果 的指导下不断改进铸件的铸造工艺，制备出了高质 量的试棒铸件。图1 是采用P r o - E 建立的铸件3 D 图形和为了模拟进行的网格划分[ p 1 0 ] 。 图13 D 图形和网格划分 F i g ．1S h a p eo fc a s ta n dm e s hd i v f s i o n 图2 为计算机模拟过程中沿补缩通道所取的7 个点测量位置，图3 为测得的各点的冷却温度曲线。 矗n I1． 图2 冷却曲线测量位置 F i g ．2M e a s u r ep o s i t i o no ff r e e z i n gc u r v e o o4 759 5 01 4 251 9 0 02 2 3 7 ．52 8 5o3 3 253 8 0 ．04 2 754 7 5 ．0 时间ts 图3 各点冷却温度曲线 F i g ．3F r e e z i n gc u r v eo ft h ep o i n t s 图4 是铸件凝固过程中不同温度时的等时线云 图。从图4 可以看出．铸件的凝固顺序较好。补缩通 道畅通。 图4 不同温度的等时线云图 F i g ．4 I s o c h r o n ec l o u do fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 1 2 l 3 实验结果与分析3 结论 、为了研究孔隙率与材料性能的关系。本文以 Z L l 0 1 为原料．采用真空调压铸造方法，采用上述铸 造工艺。做了如下试验。试棒铸态下进行拉伸试验。 从手册中可以查到，Z L l 0 1 铸态下，抗拉强度最小 1 5 5M P a ，热处理后强度最高达到2 2 5M P a 。结果 见表l 。 表1孔隙率与抗拉强度的关系 T a b k1R e l a t i o nb e t w e e np o r o s i t y a n dt e n s i l es t r e n g t h 从表l 可以看出，随着孔隙率的升高，材料的抗 拉强度不断降低。在孔隙率小于0 ．1 ％时，抗拉强 度达到较高的效值，铸态下Z L l 0 1 抗拉强度达到了 2 0 0M P a 以上，且变化比较平缓；在孔隙率大于 0 ．1 5 ％时，抗拉强度随着孔隙率的升高急剧下降。 所以，铸件的孔隙率对其性能影响比较大。从 试验结果来看，在孔隙率0 ．0 3 ％时，铸态下Z L l 0 1 强度达到了2 3 4M P 8 ，强度提高了5 1 ％，不低于T 6 热处理后的抗拉强度；在0 ．5 8 ％时强度已经降到了 1 3 1M P 矗．远低于其正常水平1 5 5M P a 。 采取措簏降低材料的孔隙率。提高其致密度，可 以大大提高材料的力学性能。从效果来看，也可以 说这是一种提高铸造铝合金性能的强化方法。 参考文献 [ 1 】中国机械工程学会铸造专业学会．铸造手册 第3 卷 铸造非铁舍金[ M 】．北京机械工业出版社， 1 9 9 5 ． [ 2 ] 罗启全．铝合金熔炼与铸造[ M ] ．．广州广东科技出版 社，2 0 0 2 ． 【3 ] 哈宽富．金属力学性质舶微观理论[ M ] ．北京科学出版 杜。1 9 8 3 ． [ 4 ] 邵正荣。邵海麓。吕让诗，等．铬台金铸造工艺与铸靛质 量的关系[ J 】．轻合金加工技术。2 0 0 6 ．3 4 ， 4 1 6 1 7 ． [ 5 1 李嘉荣．计算机技术在铸造中的应用现状与发展趋势 [ J 】．材科工程，1 9 9 6 1 1 3 8 ． [ 6 ] 胡红军．P r o C A S T 软件的特点及其在铸件成形过程中的 应用[ J ] ．热加工工艺，2 0 0 5 1 7 0 7 1 ． [ 7 】胡红军。邓明，罗静．铸造工艺浇注系统C A D 软件研究 开发[ J ] ．铸造技术，2 0 0 6 3 2 9 2 2 9 4 ． [ 8 ] 范文豪，晏祖宴。宋建伟．铝合金车轮铸造模具C A D ／ C A E 技术的应用[ J 】．特种铸造及有色合金，2 0 0 2 4 2 9 3 0 ． [ 9 ] 柳百成．铸件凝固过程的宏观及徽观模拟仿真研究进展 [ J ] ．中国工程科学．2 0 0 0 ，2 9 2 9 3 4 ． [ 1 0 ] 胡红军，杨明渡，罗静。等．P r o C A S T 软件在铸造凝固模 拟中的应用[ J ] ．材科科学与工艺，2 0 0 6 ，1 4 3 2 9 3 2 9 5 ． 万方数据