氧化膜-縮孔組織形成機(jī)制的ANSYS分析

苗振宇，吳群彪，王 琪，方海峰，陳四杰

(江蘇科技大學(xué)機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215600)

縮孔是金屬鑄件中的主要缺陷，它降低了鑄件的強(qiáng)度和疲勞性能[1-2]。避免或減少縮孔類(lèi)缺陷是鑄件生產(chǎn)中的一個(gè)主要目標(biāo)，有關(guān)鑄件中縮孔的形成機(jī)制是冶金工作者長(zhǎng)久關(guān)注的問(wèn)題。近些年，Campbell[3]提出的縮孔在氣孔、氧化膜或夾雜處發(fā)生異質(zhì)形核的觀(guān)點(diǎn)逐漸被人們所接受，取代了合金熔體直接斷裂形核的觀(guān)點(diǎn)[4-6]。由于金屬鋁和鎂有較強(qiáng)的被氧化傾向，氧化膜缺陷常出現(xiàn)在鋁合金和鎂合金鑄件中，形成氧化膜-縮孔復(fù)合組織[5, 7-9]，據(jù)此Campbell提出了氧化膜是縮孔異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)的觀(guān)點(diǎn)[3]。Yue等[5]采用同步輻射X射線(xiàn)成像技術(shù)實(shí)時(shí)成像A356熔體中的氧化膜形態(tài)，表明縮孔依附于氧化膜生長(zhǎng)，進(jìn)一步支持了Campbell的觀(guān)點(diǎn)。

Lee等[4]在分析氣孔對(duì)縮孔的影響時(shí)指出，氣孔作為熱的不良導(dǎo)體加強(qiáng)了鑄件中縮孔的形成傾向。那么，同樣作為熱的不良導(dǎo)體，氧化膜是否影響了縮孔的形成傾向呢？對(duì)此，本文采用ANSYS軟件分析了氧化膜對(duì)合金熔體導(dǎo)熱過(guò)程的影響，提出氧化膜除了作為縮孔的異質(zhì)形核點(diǎn)，還通過(guò)隔熱作用加強(qiáng)了縮孔的形成傾向。

1 實(shí)驗(yàn)和模擬方法

本文首先展示了典型氧化膜-縮孔復(fù)合組織的特點(diǎn)。樣品來(lái)自手機(jī)中板(壓鑄件)，材質(zhì)為AZ91鎂合金，由三基DCC280高壓壓鑄機(jī)生產(chǎn)。該樣品采用金剛石拋光后在5.5g苦味酸+90ml無(wú)水乙醇+5ml乙酸+10ml水溶液中腐蝕，采用Olympus BX53M光學(xué)顯微鏡觀(guān)察其金相組織。

運(yùn)用ANSYS軟件分別分析了MgO膜對(duì)AZ91鎂合金以及Al2O3膜對(duì)A356鋁合金導(dǎo)熱過(guò)程的影響。圖1為構(gòu)建的含有氧化膜的合金熔體冷卻模型。熔體和模具之間、熔體和氧化膜之間以及模具和空氣之間為界面?zhèn)鳠?，模具、熔體以及氧化膜之間產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。本文中熔體和模具的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2參考自實(shí)驗(yàn)值，設(shè)為2 000W/(m2·℃)[10]。由于氧化膜中可能包含空氣、熔渣、外來(lái)夾雜物和合金液等物質(zhì)[3]，故將不同物質(zhì)對(duì)氧化膜導(dǎo)熱性能的影響統(tǒng)一用熔體和氧化膜的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1表達(dá)，該值大于熔體和空氣的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[11]，小于熔體和模具的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。本文將熔體和氧化膜的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1、氧化膜的長(zhǎng)度l以及氧化膜與熔體表面的距離d作為變量進(jìn)行分析。

圖1 含有氧化膜的合金熔體冷卻模型

表1給出了冷卻模型的初始參數(shù)，表2給出了材料的物性參數(shù)。氧化膜材料為MgO和Al2O3，合金熔體材料為AZ91和A356，模具材料為H13鋼。由于合金熔體在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生凝固潛熱，因此采用等效比熱方法處理凝固潛熱，即在固液區(qū)間，將合金等效比熱Ce表示為：

Ce=Cp-L/(Ts-Tl)

(1)

式中：Cp為合金比熱；L為合金凝固潛熱；Ts和Tl分別為材料的固相線(xiàn)和液相線(xiàn)溫度。

2 分析結(jié)果

2.1 氧化膜-縮孔組織

表1 冷卻模型的初始參數(shù)

表2 材料的物性參數(shù)

圖2(a)顯示了AZ91壓鑄件樣品的取樣位置，該位置接近澆口。在鑄件的冷卻過(guò)程中，該位置不能由澆口完全補(bǔ)縮，為縮孔的形成創(chuàng)造了條件。圖2(b)顯示了AZ91壓鑄件內(nèi)的氧化膜-縮孔復(fù)合組織，由圖可以觀(guān)察到卷曲的氧化膜上出現(xiàn)一圓形縮孔，顯示了縮孔依附于氧化膜生長(zhǎng)的特點(diǎn)。

圖2 AZ91壓鑄件內(nèi)的氧化膜-縮孔復(fù)合組織

2.2 氧化膜的隔熱作用

圖3顯示了AZ91合金熔體的冷卻過(guò)程。由圖3(a)可知，在0.15s時(shí)，只有MgO膜一側(cè)的合金熔體溫度高于液相線(xiàn)溫度。由圖3(b)可知，在0.36s時(shí)，合金熔體的溫度均位于液固區(qū)間，氧化膜一側(cè)的合金熔體的溫度高于其他區(qū)域。圖3(a)和圖3(b)均表明，MgO膜減慢了AZ91合金熔體向模具導(dǎo)熱，造成合金熔體局部過(guò)熱。圖4為合金熔體中不同位置的冷卻曲線(xiàn)，由圖可以看出，當(dāng)沒(méi)有氧化膜時(shí)，點(diǎn)1和點(diǎn)2的溫度差接近于0；當(dāng)存在氧化膜時(shí)，點(diǎn)3和點(diǎn)4溫度差可達(dá)到9.3℃，進(jìn)一步說(shuō)明了氧化膜可造成合金熔體局部過(guò)熱。

圖3 AZ91合金熔體的冷卻過(guò)程

圖4 AZ91合金熔體不同位置的冷卻曲線(xiàn)(點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)于圖3(b))

圖5顯示了A356合金熔體的冷卻過(guò)程。圖5表明Al2O3膜減慢了A356合金熔體向模具導(dǎo)熱，造成了合金熔體的局部過(guò)熱。圖6為A356合金熔體中不同位置的冷卻曲線(xiàn)，由圖可以看出，當(dāng)存在A(yíng)l2O3膜時(shí)，點(diǎn)3和點(diǎn)4溫度差可達(dá)到7.5℃。

圖5 A356合金熔體的冷卻過(guò)程

圖6 A356合金熔體不同位置的冷卻曲線(xiàn)(點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)于圖5(b))

圖7、圖8和圖9分別顯示了MgO膜相關(guān)的參數(shù)對(duì)氧化膜兩側(cè)溫度差的影響。由圖7可知，氧化膜長(zhǎng)度l從0.5mm增加至2.0mm，氧化膜兩側(cè)溫度差從4.8℃增加至20.5℃。由圖8可知，氧化膜與熔體表面距離d從0.5mm增加至1.5mm，氧化膜兩側(cè)溫度差從9.3℃下降至0℃。由圖9可知，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1對(duì)氧化膜兩側(cè)溫度差的影響很小。

圖7 氧化膜長(zhǎng)度l對(duì)氧化膜兩側(cè)溫度差的影響

3 討論

圖8 氧化膜與表面距離d對(duì)氧化膜兩側(cè)溫度差的影響

圖9 界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1對(duì)氧化膜兩側(cè)溫度差的影響

通過(guò)本文展現(xiàn)的AZ91壓鑄件內(nèi)的氧化膜-縮孔復(fù)合組織，可觀(guān)察到卷曲的氧化膜上出現(xiàn)一圓形縮孔。鑄造中縮孔形成有兩個(gè)條件：第一個(gè)條件是局部過(guò)熱，合金液凝固時(shí)間長(zhǎng)于周?chē)鷧^(qū)域，從而導(dǎo)致該局部區(qū)域出現(xiàn)拉伸應(yīng)力；第二個(gè)條件是合金液中存在異質(zhì)形核點(diǎn)。本文的研究結(jié)果印證了氧化膜與縮孔形成第一個(gè)條件的關(guān)系。

模擬結(jié)果顯示，圖4中點(diǎn)3和點(diǎn)4的溫度差為9.3℃，對(duì)應(yīng)于A(yíng)Z91合金固相率的差別為7%；圖6中點(diǎn)3和點(diǎn)4的溫度差為7.5℃，對(duì)應(yīng)于A(yíng)356合金固相率的差別為13%。這兩個(gè)固相率差別對(duì)于處于固液混合區(qū)合金抗拉伸性能的影響是顯著的[12]。模擬結(jié)果表明MgO膜和Al2O3膜造成了顯著的局部過(guò)熱。

圖7和圖8表明氧化膜的長(zhǎng)度l以及氧化膜與熔體表面距離d對(duì)熔體局部過(guò)熱有顯著的影響。實(shí)際生產(chǎn)中，氧化膜的長(zhǎng)度可從微米級(jí)到毫米級(jí)，劇烈運(yùn)動(dòng)的熔體將產(chǎn)生尺寸更大的氧化膜[3]。由氧化膜長(zhǎng)度對(duì)熔體局部過(guò)熱影響的模擬結(jié)果可知，通過(guò)對(duì)氧化膜長(zhǎng)度的控制，不同的生產(chǎn)工藝顯著影響縮孔的形成傾向。該結(jié)果與劇烈運(yùn)動(dòng)的合金熔體凝固后易形成縮孔以及過(guò)濾氧化膜后鑄件中的縮孔會(huì)減少的結(jié)論是一致的[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用ANSYS軟件分析了氧化膜對(duì)合金熔體導(dǎo)熱過(guò)程的影響，進(jìn)而提出氧化膜通過(guò)隔熱作用造成合金熔體顯著的局部過(guò)熱，加強(qiáng)了縮孔的形成傾向。本文結(jié)果有助于進(jìn)一步理解鑄件中縮孔的形成機(jī)制。