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【技术知识分享】压铸充型的缺陷分析之“卷气”与“夹杂”
发布日期:2020-05-18  来源:适创科讯  作者:郭志鹏  浏览次数:714
核心提示:作为一种近净成形技术,压铸由于生产效率高、铸件成形质量好而被广泛地应用在汽车、航空航天、通讯等行业。压铸件的性能主要是
        作为一种近净成形技术,压铸由于生产效率高、铸件成形质量好而被广泛地应用在汽车、航空航天、通讯等行业。压铸件的性能主要是受其微观组织构成的影响的,而作为微观组织的一种,缺陷是其中最为普遍但却是影响最大的因素之一。
      压铸件中的缺陷种类很多,但大体可以根据工艺流程分成三大类:
     第一类是和流动过程相关,也即充形过程中可能出现的缺陷,包括卷气、氧化层卷入(也称夹杂)、流痕等;
     第二类和凝固过程相关,包括缩孔、缩松等;
     第三类和压铸取件后及热处理过程相关,包括热变形和缺陷时效等。
     本文重点讨论压铸充形过程常见的“卷气”和“夹杂”缺陷。 

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图1、典型铸件气孔缺陷[1]
形成原因
      与普通铸造过程不同,压铸最大特点是高速、高压。
      高速指的是压铸充形过程的速度非常高,内浇口速度往往可以达到30m/s - 60m/s,有的情况甚至更大。高压指的是压铸凝固过程是在很高的压力下完成的,在压铸充形结束后,往往会采用增压的方式加大铸造压力(几十至上百兆帕,跟铸件类型、压铸机的型号和液压设备能力有关),从而增强铸件内部液体补缩和提高铸件-铸型的界面换热效率。 
       在充型过程中,液态金属由于极高的流速往往会产生喷溅,甚至在多数情况下,会在内浇口的位置产生雾化,此时,液体往往会发生翻卷,因而在液体的内部造成卷气。这种卷气其实就是交汇的液流将空气包裹在液体内部,并随着液体一起流动。
通常来讲,在液体内部包裹的气团会在液体的冲刷下发生破碎,或者随着液体的流动与另外的气团发生聚合,形成更大的气团。我们直观上可能会觉得,如果液体充形速度极低,那么充形过程中液体的表面就会非常平稳,进而没有任何卷气的发生。但事实上如果充形速度极低,那么由于充形时间变长,很可能的情况是液体还没有完全充入型腔就已经凝固,进而造成进浇不足。因此,在实际的应用中,只有铸件结构本身相对粗大才能使用这种慢速充填,这种工艺也称之为超低速充填。 
      如果模具设计不当,特别是当排气通道不畅的时候,液态金属在充形过程中会由于背压而形成另一种卷气。所谓的背压就是型腔中残余的气体由于无法排出,在金属液的压迫下形成的气团(一般形成于充形最后的位置)。相对于充形过程的卷气,这种由于背压引起的气团的体积更大,危害也更严重。因此,在模具设计的过程中,应当合理设计排气通道,尽量避免这种由背压引起的卷气。 
     充形过程还有另一种缺陷叫氧化夹杂。液态金属与空气接触一般会在表面形成一层纳米至微米厚度的氧化层,这个氧化层会随着液体的流动从表面被包裹到液体内部从而形成所谓的“夹杂”。
在压铸过程中,这种夹杂一般分为两种类型:
第一种是液态金属在熔炼过程中形成的氧化层,这种氧化层会随着后续液态金属的流动被裹入金属内部;
第二种是液态金属在充形过程中,金属表面在型腔内部被氧化而形成的氧化层。

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图2、合金双氧化膜SEM形貌表征和EDS成分表征[2]
      在冷室压铸过程中,金属液从熔炼炉出来首先是被浇入到压室中,高温液态金属会因为迅速氧化而在表面形成一层致密的氧化膜,这个氧化膜也会随着充形一并进入到型腔内部而形成潜在的“夹杂”源。相对于型腔内部金属液在表面形成的氧化膜,熔炼过程和压室中形成的氧化物一旦被卷入铸件内部,对铸件性能的影响更大。 
      如何避免
      我们知道了压铸充形过程可能形成的卷气和氧化夹杂,那么如何通过合理的模具设计和工艺参数调节来避免这些缺陷的产生呢?
如上文所提,对于明显的由背压引起的卷气,通常来说我们可以凭借经验,通过一定的模具结构调整来避免。对于熔炼过程形成的氧化物,我们通过真空熔炼,或者保护气熔炼实现金属液与氧气的隔离。而对于其他形式的缺陷,特别是高速充填过程金属液形成的气体和氧化物卷入,我们则需要借助CAE模拟仿真的方法进行分析和规避。
      CAE模拟仿真技术基于计算流体力学,采用离散网格的形式求解流体力学控制方程从而获得金属合金充形过程的流动形态。通过调整浇道的三维几何形状,采用数值模拟技术,我们可以获得不同的浇注系统下的流体的充填形态和运动特征,然后通过分析这些流态特征,我们可以选取最佳的浇注方案从而避免卷气等缺陷的产生。 
     采用CAE技术评判流动、充形质量的高低并没有绝对有效的准则,现阶段不论是学术研究还是商业软件都提出了很多种评判的标准。但没有任何一种标准被证明是完全有效的,大部分的标准只对某一类型或者说特定范围的铸件有效。大体上讲,我们一般认为充形过程应当尽量避免不同液流的交汇,尽可能保证界面前沿逐步向前推进,从而避免夹入气体或氧化物。但事实上,对大部分产品来说,压铸充形过程是极度紊乱的,液体前沿在大多数情况下呈现喷溅状,在这种情况下我们很难通过调整浇注系统来改变这种流态。
     同时,完全的紊乱和喷溅不一定会对产品的质量带来灾难性的影响,我们在很多实际的压铸过程中发现,大幅度提高高速速度,并采用U形浇道充填(即减少充填路径和充填时间)甚至可以在一定情况下带来质量更高的铸件。这种情况其实和材料领域中的弥散强化类似,在极高的速度条件下,虽然由于界面前沿的紊乱而造成了很多的卷气或夹杂,但是由于液体动量的增加,这些卷气或夹杂会被不同程度地破碎,以至于最终铸件中并没有产生足以严重影响铸件性能的缺陷。这些缺陷以很小的尺寸弥散地分布于铸件的微观组织中,从而对提升铸件的质量产生了一定的积极作用。但是,我们也能推断出来,这种所谓弥散式的破碎缺陷在实际的生产中是极难定量控制的,因此,基于这种理念的模具设计在很大程度上都难以产生绝对的有效性。 

                                                                                                                                                             图3、CAE模拟仿真预测卷气缺陷

      采用数值模拟技术实现卷气的精确计算,包括卷气量、卷气位置、夹杂量、夹杂位置是不现实的,其主要原因是卷气和氧化膜卷入一般发生在流体表面,实现精确定位必须在液体表面采用非常细的网格进行计算。以氧化膜为例,一般的氧化膜厚度只有纳米至微米的量级,如果模拟计算采用如此细小的网格,那么整个流体的网格量就会非常大(~10^10),而采用如此大的网格量进行数值计算本身是不现实的。因此,现有的大部分模型都不是直接模拟,而是采用间接的方式评估缺陷位置和缺陷量。现有的已经被应用于商业软件的卷气模型包括:累计卷入表面法、涡流判断法、累计变量法、气体卷入法、无量纲数评价法、气泡卷入法、多相流法、氧化层卷入法(钢)和液体表面折叠法等。每一种方法都有其自身的优势和劣势,有兴趣的读者可以参考其他文章进行深入了解。 
       在现阶段,智铸超云所采用的卷气模型和氧化物卷入模型是分开的,卷气模型算法的核心是基于孤立域判断,每次计算都会自动判断整个区域的气体孤立域,然后对每个气体孤立域的压力、体积等进行计算和标定。这些孤立域,也就是气团,会随着流体在型腔内流动,气团本身会分解和融合,然后根据最终每个气团的压力和体积大小判断实际可能卷气的可能性和卷气量。而氧化物卷入模型则是采用粒子追踪的方式实现,在每次计算时,我们在液体表面位置单元中设定粒子,并在随后的流动过程中追踪该粒子在液体内部的运动状态,最终根据粒子的特征判断该位置是否会变成潜在的氧化物夹杂。该方法可以同时考虑压室内液体表面的氧化膜和充型过程卷入液体内部的氧化膜,因此在计算准确性上实现了很大的提升。
[1]图片来源:
NADCA EC-515 Die Casting Defects Course Review, 
Basics for controlling die casting defects - By Dr. Steve Midson
[2]图片来源:
Effect of Double Oxide Film Defects on Mechanical Properties of As-Cast C95800 Alloy - By Xin-Yi Zhao
作者:郭志鹏
毕业于清华大学(本、博),牛津大学、英国皇家学会研究会员,长期从事数字化工业方面的研究,包括高性能算法、高能X射线检测、图像处理以及相关工业领域的材料和核心工艺开发等,立志创造有国际竞争力的自主化CAE软件,摆脱国际垄断,提升和振兴民族工业水平。
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