澆注工藝對重力鑄造鋁硅合金機(jī)體組織的影響

摘要： 利用模擬指導(dǎo)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的工藝優(yōu)化能節(jié)約大量的人力和物力。采用模擬的方法研究了澆注工藝（澆注時間和溫度）對重力鑄造鋁硅合金機(jī)體組織（二次枝晶間距）的影響。結(jié)果表明：材料級階梯樣件和重力鑄造鋁硅合金機(jī)體的模擬結(jié)果和試驗結(jié)果具有較好的對應(yīng)關(guān)系，模擬結(jié)果的偏差較小。澆注時間一定時，隨著澆注溫度升高，二次枝晶間距先減小后增大，最佳澆注溫度為695 ℃；澆注溫度一定時，隨著澆注時間增加，二次枝晶間距先減小后增大，最佳澆注時間為60 s；澆注時間一定時，隨著澆注溫度升高，凝固時間先減少后增加；澆注溫度一定時，隨著澆注時間增加，凝固時間先減少后增加。

關(guān)鍵詞： 澆注；重力鑄造；鋁硅鑄造合金；機(jī)體；枝晶間距；凝固時間

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.007

中圖分類號： TG244" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B" 文章編號： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００47 ０6

鑄造鋁硅合金的應(yīng)用占鑄造鋁合金的85%以上，被廣泛應(yīng)用于制造大型薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，如燃油殼體、衛(wèi)星接收器面罩、柴油機(jī)機(jī)體等^{［1 4］}。機(jī)體是柴油機(jī)最關(guān)鍵的零部件之一，是柴油機(jī)的支架，是所有零部件裝配的基本，是支承發(fā)動機(jī)運動的主要零件，其上的水套、油道又是冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)的重要組成部分。柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均^{［5 7］}，合理的澆注工藝是機(jī)體成型及質(zhì)量的基本保證。優(yōu)化澆注工藝是提高零件成品率和質(zhì)量的有效方法之一。李順祥等^［8］論述了高品質(zhì)鑄造鋁合金生產(chǎn)的鑄造工藝控制。何智邦^［9］實現(xiàn)了對大型鋁合金曲面鑄件的澆注工藝控制。組織是零件質(zhì)量評價的關(guān)鍵因素之一。王季春等^［10］研究了Al Si合金成分、組織對力學(xué)性能的影響。林高用等^［11］研究了Al Si Cu Mg合金的組織特征。因此，摸清澆注工藝對重力鑄造鋁硅合金機(jī)體組織的影響規(guī)律具有十分重要的意義。S. DEZECOT等^［12］研究了A357合金二次枝晶間距對高周疲勞的影響，F(xiàn). GROSSELLE等^［13］研究了鋁硅合金組織與力學(xué)性能的關(guān)系，這些研究表明，在鑄造質(zhì)量合格的前提下，二次枝晶間距是對鋁硅合金零件服役影響最大的組織指標(biāo)，因此本研究以二次枝晶間距作為組織評價標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)體是柴油機(jī)體積最大、質(zhì)量最大的零件，生產(chǎn)一個V型10缸柴油機(jī)的機(jī)體所需鋁硅合金大于400 kg，若利用試驗的方法逐一研究澆注工藝對重力鑄造鋁硅合金機(jī)體組織的影響，將會造成大量人力、物力、財力的浪費。目前鑄造模擬技術(shù)發(fā)展迅速，能在一定程度上代替實物澆注，成熟的軟件有Magma，ProCAST，anyCast等^{［14 15］}，若利用模擬的方式研究澆注工藝對重力鑄造鋁硅合金機(jī)體組織的影響，在保證偏差較小的前提下，將會節(jié)省大量的人力、物力、財力，并獲得完整的數(shù)據(jù)，為重力鑄造鋁硅合金機(jī)體澆注工藝的優(yōu)化提供有效支撐。

1 材料級樣件研究結(jié)果分析

為了保證重力鑄造鋁硅合金機(jī)體模擬時的偏差較小，首先對材料級樣件進(jìn)行模擬，確定傳熱系數(shù)等參數(shù)。利用三維導(dǎo)熱微分方程計算溫度場，如式（1）所示。利用鋁硅合金二次枝晶與冷卻速率關(guān)系的經(jīng)驗公式計算二次枝晶間距，如式（2）所示。

t（T t）+c2Tx2+λt（T y）+c2Ty2+λt（T z）+c2Tz2=-I。（1）

式中：T為溫度；t為時間；c和λ分別為導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率；I為單位時間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量。

SDAS=39.4*R^-0.317。（2）

式中：SDAS為二次枝晶間距；R為冷卻速率。仿真得到溫度場后，計算冷卻速率，進(jìn)而獲得二次枝晶間距分布。

柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均，由于四面體網(wǎng)格適合不規(guī)則和復(fù)雜形狀的模型，而六面體網(wǎng)格對幾何體的對稱性和規(guī)則性有一定的要求，因此選擇四面體網(wǎng)格為本研究的網(wǎng)格類型。依據(jù)機(jī)體各個部位的壁厚，設(shè)計了如圖1所示的階梯材料級樣件。按照四面體網(wǎng)格類型對階梯樣件劃分網(wǎng)格，得到11 448 689個體網(wǎng)格。設(shè)置合金與型砂的傳熱系數(shù)為750 W/（m2·℃），合金與冷鐵的傳熱系數(shù)為3 000 W/（m2·℃）。圖2所示為階梯樣件模擬結(jié)果和試驗結(jié)果。如圖2a所示，階梯樣件的二次枝晶間距為30～130 μm，位置Ⅰ的二次枝晶間距平均約為100 μm，位置Ⅱ的二次枝晶間距平均約為60 μm。按照階梯模型相同的尺寸、相同的鑄造工藝制備樣品，圖2b為位置Ⅰ中心位置的組織照片，圖2c為位置Ⅱ中心位置的組織照片，圖2b和圖2c中線段標(biāo)志的是二次枝晶（多個）。如圖2b所示，位置Ⅰ的二次枝晶間距約為100 μm；如圖2c所示，位置Ⅱ的二次枝晶間距約為60 μm。對比模擬與試驗結(jié)果可知模擬偏差較小，因此，可將四面體網(wǎng)格類型、傳熱系數(shù)等用于重力鑄造鋁硅合金機(jī)體組織的模擬。

2 重力鑄造鋁硅合金機(jī)體研究結(jié)果分析

由圖1和圖2的結(jié)果初步確定了網(wǎng)格類型、傳熱系數(shù)等參數(shù)，但柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證模擬結(jié)果偏差較小，在已確定的網(wǎng)格類型、傳熱系數(shù)等參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行重力鑄造鋁硅合金機(jī)體模擬和試驗研究。按照四面體網(wǎng)格對機(jī)體劃分網(wǎng)格，得到10 721 318個體網(wǎng)格，如圖3所示。設(shè)置合金與型砂的傳熱系數(shù)為750 W/（m2·℃），合金與冷鐵的傳熱系數(shù)為3 000 W/（m2·℃），鑄造方法為重力鑄造，澆注溫度為695 ℃，澆注時間為60 s。

圖4示出重力鑄造鋁硅合金機(jī)體模擬和試驗結(jié)果。對重力鑄造鋁硅合金機(jī)體進(jìn)行凝固過程模擬，然后按照模擬的機(jī)體模型、澆注工藝進(jìn)行機(jī)體澆注，選擇機(jī)體樣件某一位置取樣進(jìn)行組織研究，對比模擬結(jié)果和試驗結(jié)果，確定模擬偏差。圖4a所示為重力鑄造鋁硅合金機(jī)體模擬結(jié)果，箭頭所示為試驗取樣位置，位置Ⅲ模擬所得二次枝晶間距為45～60 μm，位置Ⅳ模擬所得二次枝晶間距為117～132 μm。圖4b和圖4c為位置Ⅲ試驗結(jié)果，線段標(biāo)志的是二次枝晶（多個），二次枝晶間距約為55 μm，與模擬結(jié)果相差不大。圖4d和圖4e為位置Ⅳ試驗結(jié)果，二次枝晶間距約為120 μm，與模擬結(jié)果相差不大。由圖4可知，模擬偏差較小，可繼續(xù)進(jìn)行澆注工藝對重力鑄造鋁硅合金機(jī)體組織的影響規(guī)律研究。按照鑄造鋁硅合金的凝固過程，隨著溫度降低，在一定的過冷度下，初生相形核長大，形成二次枝晶，溫度下降得越快，過冷度就越大，初生相越容易形核，生長的速度越快，所形成的二次枝晶間距越小。鑄造鋁硅合金機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均，每個位置與冷鐵、型砂的距離也不相同，因此合金液降溫速度也各不相同，鋁硅合金機(jī)體各個位置的二次枝晶間距不同。如果不進(jìn)行模擬結(jié)果驗證，那么所得模擬結(jié)果可能與實際結(jié)果差別很大，模擬結(jié)果便不具有參考性。

3 澆注工藝對重力鑄造鋁硅合金機(jī)體組織的影響

澆注工藝具體為澆注溫度和澆注時間。澆注溫度過高，容易出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷，澆注溫度過低，容易出現(xiàn)冷隔、澆不足等缺陷；澆注時間過長，金屬液對鑄型烘烤時間長，容易出現(xiàn)夾砂等缺陷，澆注時間過短，金屬液對鑄型沖刷作用大，容易出現(xiàn)脹砂、沖砂等缺陷。因此合理選擇澆注工藝對鑄件的成型和品質(zhì)十分重要。研究澆注工藝對重力鑄造鋁硅合金機(jī)體組織的影響，采用模擬的手段，在保證偏差較小的前提下，摸清澆注工藝對重力鑄造鋁硅合金機(jī)體組織的影響規(guī)律，為重力鑄造鋁硅合金機(jī)體澆注工藝的制定提供數(shù)據(jù)支撐。

柴油機(jī)機(jī)體的網(wǎng)格劃分如圖3所示，設(shè)置傳熱系數(shù)為750 W/（m2·℃），鑄造方法為重力鑄造，澆注溫度和時間分別為670 ℃/60 s，695 ℃/40 s，695 ℃/60 s，695 ℃/80 s和710 ℃/60 s，模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，不同澆注工藝下重力鑄造鋁硅合金機(jī)體二次枝晶間距分布趨勢基本一致，機(jī)體表面的二次枝晶間距較小，內(nèi)部的二次枝晶間距較大，澆口處的二次枝晶間距最大。表1示出不同澆注工藝下機(jī)體不同位置的二次枝晶間距。對比表1中A行、C行和E行結(jié)果，位置1、位置2、位置3和位置4的二次枝晶間距的變化趨勢一致，澆注時間一定時，隨著澆注溫度升高，二次枝晶間距先減小后增大，最佳澆注溫度為695 ℃。對比B行、C行和D行結(jié)果，位置1、位置2、位置3和位置4的二次枝晶間距的變化趨勢一致，澆注溫度一定時，隨著澆注時間增加，二次枝晶間距先減小后增大，最佳澆注時間為60 s。由圖5和表1可知，基于二次枝晶間距，重力鑄造鋁硅合金機(jī)體的最佳澆注工藝為695 ℃/60 s。有關(guān)文獻(xiàn)表明，二次枝晶間距是影響鑄造鋁硅合金的關(guān)鍵組織因素之一^{［16 17］}，二次枝晶間距越小，鋁硅合金的性能越好^{［18 19］}。因此，以二次枝晶間距為評價標(biāo)準(zhǔn)。鋁硅合金液澆注進(jìn)機(jī)體的鑄型中，合金液從下而上開始充型，就充型順序而言，依次是位置3、位置2、位置4和位置1。就機(jī)體結(jié)構(gòu)而言，位置3為空腔，壁厚較薄，位置2與缸孔連接，壁厚較厚，位置4的形狀復(fù)雜，位置1在冒口附近，位置1、位置2、位置3、位置4的結(jié)構(gòu)各不相同。就二次枝晶間距而言，位置1、位置2、位置3和位置4覆蓋了整個機(jī)體二次枝晶間距的大部分。因此，綜合充型順序、機(jī)體結(jié)構(gòu)、二次枝晶間距，對比位置1、位置2、位置3和位置4的模擬結(jié)果，具有一定的代表性。

蒲博聞等^［20］、王善娜等^［21］研究了凝固速率對二次枝晶的影響，結(jié)果表明凝固速率增加，二次枝晶間距減小。圖6示出不同澆注工藝下重力鑄造鋁硅合金機(jī)體的凝固時間。由圖6可知，不同澆注工藝下重力鑄造鋁硅合金機(jī)體凝固時間分布趨勢基本一致，機(jī)體表面的凝固時間較短，內(nèi)部的凝固時間較長，澆口處的凝固時間最長。表2示出不同澆注工藝下機(jī)體不同位置的凝固時間。對比表2中A行、C行和E行結(jié)果，位置1、位置2、位置3和位置4的凝固時間的變化趨勢一致，澆注時間一定時，隨著澆注溫度升高，凝固時間先減小后增大；對比B行、C行和D行結(jié)果，位置1、位置2、位置3和位置4的凝固時間的變化趨勢一致，澆注溫度一定時，隨著澆注時間增加，凝固時間先減小后增大。凝固時間越少，則凝固速率越快，二次枝晶間距也越小^{［19 22］}。由圖5和圖6可知，二次枝晶間距的分布趨勢與凝固時間的分布趨勢一致。

澆注溫度和澆注時間是影響凝固時間和凝固速率的重要因素^{［20 21］}。澆注時間一定時，合金液澆注到鑄型中時，澆注溫度越高，充滿鑄型時合金液的溫度就越高，但鑄型的冷卻能力一定，于是凝固時間會增加，凝固速率會降低；如果澆注溫度過低，合金液還未充滿鑄型便開始凝固，之后的充型便是合金液中夾雜著已凝固的鋁合金固體，即固液共存，會大大改變流動過程和降溫過程，同時產(chǎn)生大量缺陷。在固液共存的合金充型過程中，澆口處不斷有高溫金屬液流入，某些剛凝固較薄弱的枝晶臂會在充型的運動過程中斷裂后重熔，而凝固時間是指合金液開始凝固至凝固結(jié)束所需要的時間，澆注溫度過低時在充型過程中合金液便開始凝固，并且有重熔的過程，因此澆注溫度過低凝固時間反而增加，在零件鑄造過程中需合理設(shè)置澆注溫度。澆注溫度一定時，合金液澆注到鑄型中，澆注時間越長，合金液在空氣中停留和在鑄型中流動的時間就越長，充滿鑄型時合金液的溫度就越低，于是凝固時間減少，凝固速率增加；但澆注時間過長會導(dǎo)致合金液還未充滿鑄型便開始凝固，澆注時間過短，既會導(dǎo)致充滿鑄型時合金液的溫度較高，凝固時間較長，凝固速率降低，又會導(dǎo)致合金液流動不穩(wěn)定，沖擊力過大，產(chǎn)生缺陷較多，因此需合理設(shè)置澆注時間。這也是研究澆注溫度和澆注時間的意義。值得注意的是澆注溫度和澆注時間對凝固時間和凝固速率的影響并不是獨立的，需要耦合分析澆注溫度和澆注時間的影響，進(jìn)而給出最優(yōu)的澆注溫度和澆注時間組合。

4 結(jié)論

a） 澆注時間一定時，隨著澆注溫度升高，二次枝晶間距先減小后增大，最佳澆注溫度為695 ℃；澆注溫度一定時，隨著澆注時間增加，二次枝晶間距先減小后增大，最佳澆注時間為60 s；

b） 澆注時間一定時，隨著澆注溫度升高，凝固時間先減少后增加；澆注溫度一定時，隨著澆注時間增加，凝固時間先減少后增加。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 劉鳳財，榮天愛，湯雪衛(wèi).ZL114A合金衛(wèi)星接收器面罩鑄件的研制［J］.特種鑄造及有色合金，2019，39（4）：366 369.

［2］ 吳楨，陸政，劉閃光，等.微量Ag對ZL114A鋁合金組織和力學(xué)性能的影響［J］.材料工程，2021，49（1）：82 88.

［3］ MAO G，ZHU C，WANG S，et al.The role of yttrium modifying A357 alloy with sand casting［J］.Materials Science and Technology，2019，35（15）：1815 1821.

［4］ MAO G，YAN H，ZHU C，et al.The varied mechanisms of yttrium （Y） modifying a hypoeutectic Al Si alloy under conditions of different cooling rates［J］.Journal of Alloys and Compounds，2019，806：909 916.

［5］ 張志強(qiáng)，溫濤.柴油機(jī)機(jī)體鑄造毛坯位置度檢測裝置設(shè)計［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2023，58（5）：11 14.

［6］ 韓強(qiáng)，時曉，劉躍.大型柴油機(jī)機(jī)體鑄件損傷缺陷分析與控制［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2022（1）：21 23.

［7］ 劉盛希蕊，王洪峰，張朝毅，等.某型柴油機(jī)機(jī)體組件有限元模擬及結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.鐵道機(jī)車與動車，2021（12）：23 26.

［8］ 李順祥，趙亞堯，王浩，等.提高鑄造鋁合金產(chǎn)品品質(zhì)和工藝優(yōu)化［J］.資源再生，2010（5）：38 40.

［9］ 何智邦.大型鋁合金曲面鑄件的鑄造工藝設(shè)計［J］.世界有色金屬，2018（12）：181 182.

［10］ 王季春，黃放，李曉棠，等.新型Al Si系多元合金最佳成分及強(qiáng)韌化的研究［J］.鑄造設(shè)備研究，2004（4）：25 27.

［11］ 林高用，雷玉霞，郭道強(qiáng)，等.變形Al Si Cu Mg合金熱處理強(qiáng)化及其組織特征［J］.中國有色金屬學(xué)報，2014，24（3）：584 592.

［12］ DEZECOT S，BROCHU M.Microstructural characterization and high cycle fatigue behavior of investment cast A357 aluminum alloy［J］.International Journal of Fatigue，2015，77：154 159.

［13］ GROSSELLE F，TIMELLI G，BONOLLO F，et al.Correlation between microstructure and mechanical properties of Al Si cast alloy［J］.La MEtallurgia Italiana，2009，27：25 32.

［14］ 張嘉毅，隋育棟，蔣業(yè)華，等.基于高鉻鑄鐵基復(fù)合材料應(yīng)力場模擬［J］.特種鑄造及有色合金，2023，43（1）：43 47.

［15］ 劉金水，雷衡兵，高文理，等.鑄造殘余應(yīng)力對鋁合金副車架疲勞壽命的影響［J］.湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，45（6）：28 34.

［16］ WIERZBINSKA M，SIENIAWSKI" J.Effect of dendrite arm spacing on cleavage fracture toughness of Al 5Si 1Cu alloy［J］.International Journal of Cast Metals Research，2004，17（5）：267 270.

［17］ 沈月，何國球，田丹丹，等.二次枝晶臂間距對A319鋁合金拉伸及疲勞性能的影響［J］.材料研究學(xué)報，2014，28（8）：587 593.

［18］ CARVALHO D，RODRIGUES J，SOARES D，et al.Microindentation hardness secondary dendritic spacings correlation with casting thermal parameters in an Al 9wt.%Si alloy［J］.Materials Science，2018，24（1）：18 23.

［19］ NARASIMHA M I，BABU R J.Evaluation of the microstructure， secondary dendrite arm spacing，and mechanical properties of Al Si alloy castings made in sand and Fe Cr slag molds［J］.International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials，2017，24（7）：784 793.

［20］ 蒲博聞，王根全，周海濤，等.凝固速率對鑄造鋁硅合金組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律［J］.鑄造，2024，73（1）：76 80.

［21］ 王善娜，介萬奇，高志明，等.冷卻速率對A357合金凝固組織的影響［J］.鑄造技術(shù)，2013，34（4）：393 396.

［22］ 張丁非，蘭偉，曾丁丁，等.AZ31鎂合金的凝固冷卻速率與二次枝晶間距的定量關(guān)系［J］.金屬熱處理，2008（3）：1 3.

Influence of Pouring Process on Microstructure of Gravity Cast Aluminum Silicon Alloy Body

MAO Guoling^1，2，DIAO Zhanying2，WANG Genquan2，LIN Jiewei1，WANG Tao2，HE Xiaodong2

（1.College of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300192，China;2.National Key Laboratory of Vehicle Power System，China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin 300406，China）

Abstract： Using simulation to guide the process optimization of large and complex structural parts can save a lot of manpower and material resources. Based on the simulation method， the effect of pouring process including pouring time and temperature on the secondary dendrite arm spacing microstructure of gravity cast aluminum silicon alloy body was studied. The results indicate that there is a good correspondence between the simulation and experimental results for the material level step sample and the gravity cast aluminum silicon alloy body， and the deviation of simulation is relatively small. The secondary dendrite arm spacing first decreases and then increases as the pouring temperature increases when the pouring time is constant or as the pouring time increases when the pouring temperature is constant， and the optimal pouring temperature and time are 695 ℃ and 60 s respectively. In addition， the solidification time first decreases and then increases with the increase of pouring temperature when the pouring time is constant or with the increase of pouring time when the pouring temperature is constant.

Key" words： pouring process；gravity casting；aluminum silicon cast alloy；engine body；dendrite arm spacing；solidification time

［編輯： 潘麗麗］