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半固态加工技术因其有诸多独特的优点而被广泛用于汽车、通信、电器、航空航天及医疗等各领域,但无论在理论上还是技术上,都需要进一步完善与发展。目前大量研究都集中在浆料制备方法、原理及浆料的流变特性等方面,而在半固态压铸模具的设计及半固态加工工艺参数方面的研究较少。应用有限的方法对1模8件复杂零件的半固态压铸充型工艺研究和试验对比,结果表明,锌合金压铸半固态成形技术主要受到压铸速度、压射压力、粘度、压铸模具预热温度及浇注系统等因素的影响。

用数值模拟方法对锁扣压铸件的半固态充型及凝固过程进行研究,模拟了不同压射速度、模具预热温度及不同内浇道尺寸等因素对半固态ZN3锌合金充型过程的影响,为进一步研究半固态压铸成型技术提供参考。

1半固态压铸模具设计

根据半固态金属浆料的粘度及充型特点,结合锁扣的压铸工艺要求,设计并制造出了锁扣半固态压铸模具。由于锁扣使用过程中成对出现,为了保证零件的使用性能,采用成对压铸。同时为了提高生产效率、降低成本,设计过程中采用1模4对,对称分布。ZN3锌合金锁扣半固态压铸模具的内浇道尺寸比液态压铸的要大,设计时采用不同的内浇道截面积。该锌合金压铸件批量大,压铸过程连续,模具温度为250~300°C。半固态压铸件成形时温度较低,模具材料选择常用耐热钢H13(即4Cr5MoSiV1钢)。

2半固态压铸过程模拟

利用分析软件对锌合金压铸半固态充型及凝固过程进行模拟,并对压铸成形时零件内部可能产生的气孔、缩松、缩孔等缺陷进行预测。在锌合金压铸半固态的数值模拟过程中,对半固态金属流体做以下几点假设:

1半固态金属流体具有“剪切变稀”的特征,即使在较高固相率时,加以强烈搅拌,半固态金属依然具有相当低的剪切应力,因此在模拟过程中将其视为连续的、不可压缩的金属流体,其流动特性由表观粘度表示；

2充型过程所需充填时间很短,几乎是在瞬间完成的,流体的传热时间很短,温度变化很小,因此,将半固态成形过程的流动近似为等温流动；

3浆料为牛顿流体,其表观粘度系数为常数,充型过程为层流；

4在充型过程中只考虑半固态浆料的存在,而忽视另一流体，空气。

2.1边界条件设定

压铸ZN3合金,其密度为2.65g/cm3,固相线温度为555°C,液相线温度为615°C,模具材料为H13钢。环境温度设为20°C,型腔内气压为一个标准大气压(0.101MPa),模具与铸件界面的传热系数2000W/(m2·K)。

2.2充型及凝固过程模拟结果分析

锁扣半固态流变压铸过程数值模拟结果。模拟采用的工艺参数:压射速度为1m/s,模具预热温度为240°C,浆料温度为590°C。

通常,液态压铸时金属液充入型腔后呈流射状充填,直到金属液冲击到对面型腔后,两次流体前沿向型腔两侧散开,并以反射压力流的形式加速向下沿型壁流动,最终上部扩散的压力流与下部反射的压力流在入口两侧交汇,形成两个很大范围的涡流,该区域往往是卷气、夹杂等铸造缺陷存在的地方。半固态浆料在压射冲头的作用下进入型腔,在充型过程中,半固态浆料进入直浇道之后,在浇道内快速堆积,待浇道充满后才开始充填型腔。整个充填过程平稳,基本没有飞溅现象,直至充填完成。

在凝固过程中,由于铸件中心部分厚度比直浇道大,因此凝固时间与直浇道相比相对久一些,而料柄部分最后凝固。改变ZL102铝合金的半固态压铸条件,采用第2组参数,即浆料温度为580°C,压射速度为1m/s,模具预热温度为220°C及第3组参数,即浆料温度为600°C,压射速度为1m/s,模具预热温度为240°C。其充型凝固过程与第1组参数(浆料温度为590°C,压射速度为1m/s,模具预热温度为240°C)模拟过程基本相同。

从以上3组参数的凝固结果分析可知,第1组参数锌合金压铸件的微缩孔比例为1.43%,第2组参数的微缩孔比例为2.33%,第3组参数的微缩孔比例为1.98%,并且可以发现内浇道截面积大的一侧的微缩孔要比截面积小的一侧缺陷要少。根据以上分析,第1组工艺参数生产出的锌合金压铸件质量优于第2组和第3组工艺参数下的锌合金压铸件质量。

3半固态压铸试验

3.1试验过程

半固态压铸试验是根据以上3组工艺参数进行的。ZN3合金的熔化采用工业电阻炉,采用C2Cl6对熔化后的铝合金进行精炼,并用电磁搅拌法对铝液进行等温搅拌,制得半固态浆料。选用J1118F型压铸机进行压铸。首先在模具未预热情况下进行压铸,生产出的铸件未充满,且缺陷较多。进行预热后按上述工艺参数生产出的锌合金压铸件成形良好,表面光洁无缺陷。

3.2试验结果及分析

对不同工艺参数下的压铸件进行硬度测试。

从以上数据可知,与第1组参数相比,当浇注温度为580°C和600°C时,锌合金压铸件的硬度反而降低。这是因为温度过低时,枝晶较大,导致硬度相对较差；同样,温度过高,枝晶长大,也会造成同样的情况。但是在3组工艺条件下,内浇道截面积大的锌合金压铸件硬度都要好于内浇道截面积小的锌合金压铸件,即在适当的范围内,内浇道截面积要尽量与入口处的型腔一致,可以有效提高压锌合金压铸件的品质。

内浇道截面积不同的压铸件金相组织也有明显差异。内浇道截面积大的初生固相率要高于内浇道截面积小的锌合金压铸件,并且两铸件的初生晶粒之间均伴随很多细小的球状晶,这是由于铸件压铸成形期间浆料与铸型型腔相接触发生二次凝固造成的。

4结论

(1)压铸模具温度对半固态压铸影响较大,半固态压铸过程必须保证模具温度在250~300°C范围内,这样有利于压铸件充型和凝固。

(2)根据模拟结果得到的最优半固态压铸工艺参数:压射速度为1m/s,模具预热温度为240°C,浆料温度为590°C,整个充型过程平稳,没有飞溅现象。

(3)半固态压铸模具设计过程中内浇道尺寸比液态压铸模尺寸大,根据锌合金压铸件壁厚的特点,设计的较大内浇道面积(17mm2)的铸件硬度优于较小内浇道面积(11mm2)的铸件硬度。