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摘要：本文借助MAGMASOFT软件探究ZM6镁合金材料低压铸造过程的铸造缺陷产生的影响因素，并进行数值模拟与分析，具体研究ZM6镁合金低压铸造过程中的温度场分布、充型过程以及凝固速度等铸造参数。数值模拟结果表明ZM6材料在铸件内部组织的气孔缺陷形状大多呈圆形或梨形，并且主要分布在铸件薄厚壁连接处附近，而在铸件壁厚部位易产生缩松、缩孔等缺陷。
关键词：ZM6镁合金；低压铸造；铸造缺陷；数值模拟
随着生产制造业的发展进程不断推进，对金属铸造业的生产技术提出了新的要求。ZM6镁合金具有较高的强度、耐磨耐腐蚀性以及易加工成型等优点，广泛应用于工业生产制造领域，如飞机、汽车轮船等。目前，我国镁合金的主要加工铸造方法包括：压铸、砂型铸造、低压铸造等，其中，镁合金压铸成型时，铸液充填时的高速流动过程导致型腔内部的气体无法排除逸出，因而会造成镁合金铸件表面发生变形甚至出现鼓包现象；砂型铸造的充型过程完全是重力作用下进行的，但对于薄壁铸件要想达到完全充型的效果只依靠重力作用是实现不了的，因此，依靠重力的作用是完成充型砂型铸造不适用薄壁铸件；低压铸造是一种新型的铸造方法，兼具重力铸造和压力铸造的优点，使用低压铸造生产的零部件的微观组织致密、质量较好，尤其适用于壁薄的复杂零部件的铸造，更适用于铝合金、铜合金和镁合金复杂零部件的大规模生产。低压铸造方式可以保证液态金属充型性良好，获得组织致密、轮廓清晰、表面光洁的铸件。低压铸造模具不需要冒口，这样会使得金属液工艺收得率较高，但浇道的开设和冒口的布置缺乏一定的灵活性，并且铸造工序较为繁琐，对铸造模具的密封性能提出较高的要求。目前，随着铸造技术的发展，对铸件的质量提出了更高的要求，要求在较高的压力下实现铸件的组织结晶，这是普通的低压铸造所实现不了的，因此，压差法、真空等一系列新型的低压铸造技术便应运而生。因此，镁合金板铸造一般采用低压铸造成型，但是铸造过程工艺与工序复杂，带来铸件质量的不确定性，因而会造成铸件中存在气孔、氧化物夹杂、缩松等缺陷问题。
当前，铸造生产厂解决铸件铸造缺陷的主要依靠积累的经验调整铸造过程中的工艺参数与工序，无法定量、系统地解决镁合金铸造过程中缺陷产生问题。为了降低镁合金铸锭加工过程中出现的不良率，研究铸造工艺参数以及铸造缺陷产生的影响因素对铸锭缺陷的影响至关重要。Wang等人通过Z-CAST软件模拟锥筒镁合金铸件低压铸造的整个过程，包括低压铸造中的充型与凝固阶段，进而模拟分析了铸件充型过程中温度场变化，阐述了铸造缺陷产生的原因及其与温度场变化的关系，并对铸造工艺进行优化与完善，以获得性能优良的镁合金锥筒铸件。李讯奇等人借助ProCAST软件对航空ZM6镁合金发动机铸件后机进行工艺设计与模拟优化，并结合铸件试制来优化铸造工艺参数，为解决某航空发动机后机匣铸件的加工成形问题提供了技术指导。Guofa M I等人利用数值模拟软件ViewCast分析了薄壁铝合金低压铸造过程的充型与凝固过程与特点，得到了充型阶段的速度场和温度场分布。结果表明，收缩缺陷主要发生在法兰顶部。根据仿真结果和理论分析，设计了隔水管系统。对优化之后的工艺进行了再次模拟，结果表明，优化完善后的工艺消除了缩孔缺陷。Q Zhu等人研究了ZM6镁合金在加压条件下凝固组织演变特征，重点研究了ZM6合金中第二相β-Mg17Al12的形成与演化机制。Tao P对大型薄壁钛合金铸件离心铸造过程进行数值模拟，分析了铸造工艺与浇注系统对铸件内部缺陷的影响。Yang等人采用有限元模拟仿真软件结合正交实验方法，对铝合金汽车座椅骨架低压铸造工艺进行仿真模拟，研究了低压铸造工艺参数对铸件缩松缩孔，金属铸液充型及凝固规律的影响。戴利欣等人借助3D数值模拟软件JSCAST计算了ZL114A薄壁件的低压铸造充型和凝固过程，并详细分析了不同工艺条件对充型和凝固过程的影响。模拟结果表明，随着充型压力的增加，充型过程发生飞溅；随着浇注温度的升高，铸件凝固时间随之变长。此类模拟结果为优化铸造工艺提供了依据。于彦东等人用MAGMASOFT软件对ZM6镁合金砂型薄壁件的铸造过程进行了仿真模拟，模拟铸件在充型和凝固过程中的温度场分布规律，并探究铸造过程中出现的铸造缺陷与充型过程、温度场分布、凝固速度之间的关系。Q Zheng等人运用不同的凝固潜热方法，并结合有限元模拟和实验，建立了描述铸造凝固过程中温度变化的数学模型，研究铝合金轮毂在低压铸造过程中的凝固行为，为后续低压铸造铝合金轮毂的研究奠定了良好的理论基础。李迅奇等人研究航空使用ZM6镁合金发动机后机匣铸件，并针对其内部存在油路，且有较多复杂曲面的特点，详细进行其铸造过程的工艺设计、计算模拟及工艺优化，以获得切实可行的铸造工艺方案，最终解决了航空发动机后机匣铸件的铸造成形过程中遇到的技术问题。王伟等人针对镁合金齿轮箱壳体铸件的技术要求,结合ZM6镁合金的铸造特性，采用砂型低压铸造工艺,通过多次试验和改进,成功地试制出了一批符合要求的ZM6镁合金齿轮箱壳体铸件，并确定了有效的镁合金砂型铸造工艺参数与重要技术指标。李梅娥与王友序等人采用VOF法处理自由表面，达西源项法处理固-液两相区流动，开发了铸造过程流动与传热耦合数值模拟软件。通过对流场及温度场分别采用不同的计算域和时间步长，大大提高了计算效率。利用该软件模拟了一薄壁板件的低压铸造过程，并进行了实验验证。数值模拟结果表明,对薄壁件而言，充型过程的流动对铸件初始温度分布影响较大，但充满后的残余流动对温度分布影响较小。
因此可借助数值模拟的方式研究镁合金板铸造最佳工艺参数，模拟分析镁合金铸造中的充型过程的温度场变化、凝固速度对铸件缺陷的影响，预测气孔、缩松的形成及聚集位置，为实际生产铸造做好充分的模拟与研判，从而适时调整铸造工艺与工序，避免最终镁合金铸件中缺陷的产生。
本文主要借助MAGMASOFT软件对ZM6镁合金进行数值模拟探究低压铸造工艺参数对铸造缺陷的影响，并模拟ZM6镁合金铸造中的温度场分布、充型过程与凝固速度与铸造缺陷产生部位的关系，通过优化铸造过程工艺参数，极大程度地提高成品率与铸造加工效率，获取更大的经济价值。
1 ZM6薄壁件低压铸造过程数值模拟
1.1 ZM6薄壁件模型的建立
本研究通过使用Pro/Engineer软件建立ZM6大型薄壁砂型铸件物理模型。ZM6薄壁件模型结构整体上较为复杂，其中ZM6薄壁件铸件最小壁厚为10mm，最大壁厚处厚度为12mm，长度为500mm，宽度为200mm，高度为50mm。
按照ZM6镁合金薄壁铸件成型特点与实际要求，生产铸造中常常将内浇道设置在铸件的最底端，便于直浇道的片状结构与浇注系统的连通。这样的浇注系统的设计有利于金属铸液从铸件底部平稳缓慢流入铸件充填型腔，从而避免了浇铸过程中的飞溅、氧化与气体的卷入，并且便于铸造型腔中的气体的充分排出逸散。
1.2铸造工艺参数的设定
砂型材料为Pepset树脂自硬砂，采用生产线造型，初始温度20℃，在浇注之前对其进行烘干，冷铁选择使用钢，开始加热至300℃，然后降温，当温度降到大约150℃时，准备进行浇注操作，软件设置冷铁初始温度为150℃。ZM6镁合金薄壁铸件的初始浇注温度设置为770℃，浇注时间设定为25s。
1.3结果分析
1.3.1充型过程的数值模拟
ZM6镁合金大型薄壁铸件铸造的浇注温度的初始值设定为770℃，其充型时间设置为25s。在低压铸造过程中，铸件质量受到浇注温度与高度、充型过程、及金属铸液的流动性等因素的影响。本文借助铸造模拟分析软件MAGMAsoft软件模拟仿真ZM6镁合金大型薄壁铸件的充型过程，并采用材料示踪技术，呈现了金属液的充型过程。通过材料示踪技术对金属液流经位置进行颜色标识，以便清晰呈现软件模拟铸液的充型过程。ZM6镁合金大型薄壁铸件设置了四个内浇口，分别采用四种颜色标识区分，充型率为30%时，标识铸液开始充填浇道部分；充型率为40%时，金属液从不同的内浇口进入型腔，并在有些部位发生交汇，右侧紫色金属液绿色金属液产生紊流；后期充型可以看出左侧内浇口的充型距离比较长，金属液在型腔中停留时间较长，中间两个浇口主要控制中部的填充。
1.3.2温度场的数值模拟
冷隔缺陷与铸造过程中的温度场的密切相关，因此，本文主要模拟ZM6薄壁件充型温度场的温度场分布情况。铸件在充型过程中容易出现夹渣、卷气、冷隔等缺陷问题。因而采用颜色示踪粒子金属液的充型速度，通过实时调整充型速度等参数避免夹渣、气孔等缺陷的生成。模拟过程对充型温度场的控制与分析可以降低铸液充型过程中的冷隔缺陷。金属铸液充型过程中的温度变化情况。当金属铸液沿着浇道缓慢进入模具型腔过程中，直浇道位置的温度明显升高，金属铸液在横浇道位置的温度保持恒定。当金属液流到铸件底部时的温度变化幅度较小。当金属铸液充填型腔三分之一位置时所需的时间较短，并且在整个过程中温度变化均匀稳定；随着填充距离的加大，横浇道端位置的温度降低幅度比较显著。浇铸过程中为了保证顺序凝固，可使中部位置先凝固，并在此位置设有冷铁，此外金属液流动距离较长，此部位金属液温度降低比较明显；当整个铸件浇注完全时，左右两侧内浇口由于充型时兼顾的填充范围较大，左右两端的冒口由于充型较晚，温度较低，预测会影响到后期的补缩效果，中部设有冷铁部位，温度降低幅度也比较明显，中部两个内浇口位置温度较高，这样有利于后期中部位置的补缩，预测主要缺陷会存在两端位置，中部如果补缩不及时，此位置也可能出现缩松缩孔。
综合ZM6薄壁件充型过程与温度场的数值模拟，虽然在局部区域的紊流，但整个件的充型还是比较完整，没有出现浇注不足等缺陷，整个浇注系统在设计上基本符合要求，只需改善内浇道的位置及其大小，进一步避免流体交汇对砂型进行冲击，便可使得整个充型过程平稳高效。
1.3.3凝固速度的数值模拟
铸件的凝固过程对铸件的质量的影响也比较大，为了预测铸件凝固过程有可能出现的铸造缺陷，如缩松、热裂、缩孔、偏析等，以便在优化铸造工艺中采取相应措施避免铸造缺陷的出现。对ZM6大型薄壁铸件凝固过程进行了准确的数值模拟。由于镁合金散热较快，在一些薄壁区域，充型阶段就有可能发生凝固现象。ZM6镁合金大型薄壁铸件达到完全凝固时所需要的时间为2665s，凝固时间短、速度快。当充型进行到20s时，仅有0.12%的凝固率，整个薄壁铸件基本处于液态；当进行到71s时，整体凝固率已经达到30%，观察模拟结果云图。铸件底部浅黄色区域固相率已经超过90%，此时形成的枝晶链已经阻断补缩通道。在铸件中部黄色区域固相率为70%，出现孤立高温区，如果在凝固过程中得不到很好的补缩，预测很有可能是缺陷出现的区域。此外，铸件中部也有部分区域固相率仅为30%，此处厚度较大，如果冒口设计不合理，得不到有效补缩，此处可能出现缩孔、缩松等缺陷；当整体固相率达到60%时，整个铸件基本上的薄壁部分基本凝固完毕，仅有部分厚度较大的部位仍处于液相状态，此部位补缩冒口通畅，不会形成缺陷；当固相率达到90%时，此时仅有内浇口部位与铸件的小部分区域未完全凝固，会出现缩孔、缩松。
2缺陷分析
2.1气孔
低压铸造过程中金属铸液在压力作用下，自下而上沿着浇道缓缓流进并充满型腔和冒口，再增压保压至铸件完全凝固，然后释放型腔内部的压力，使得浇道中多余的金属液在重力作用下流回保温炉或坩埚内。在ZM6镁合金薄壁件铸造过程中产生铸造缺陷如下：①浇铸前，ZM6镁金属铸液与空气接触，发生吸气反应，在浇铸充型凝固过程中，未及时进行气体的逃逸，从而在ZM6镁合金薄壁铸件内部产生气孔缺陷；②ZM6镁合金铸锭熔炼过程中，使用的熔炼炉坩埚内壁存在油污等杂质，熔炼过程发生反应产生气体进入金属铸液中；③浇铸系统设计不合理，会导致浇铸过程产生的气体难以排出，造成气孔缺陷的出现；④浇铸过程中的ZM6镁合金铸液的流动性较大，甚至发生喷射、飞剑、卷气等情况，导致ZM6镁金属铸液中的气体含量增加。本研究中的ZM6镁合金铸件内部组织的气孔缺陷形状大多呈圆形或梨形，并且主要分布在铸件薄厚壁连接处附近。实际生产铸造中，可通过一下方法进行改善：①熔炼金属液过程中，添加可吸收氧化物、氮化物等非金属杂质的溶剂精炼，使其沉降到坩埚底部；②合理设计浇注系统，提升浇注系统的排气性；③浇铸型腔内与浇铸口中加入少量防染剂，给予浇铸过程充分的气体保护作用，从未有效抑制气体的产生。
2.2缩松
ZM6镁合金浇铸过程，镁合金金属液通过浇口杯并顺着内浇道流入型腔过程中，由于金属液的流速较大产生紊流，并通过热传导与热辐射的方式将自身热量传递给铸型，导致自身温度下降与体积收缩。在铸件体积收缩所产生的空隙无法发挥有效的补缩作用时，ZM6镁合金铸件内部会产生疏松缩孔等缺陷。本研究中的ZM6镁合金铸造过程中产生铸件缩孔缺陷主要分布在铸件壁厚位置。铸件厚度较大的位置成为周围区域的补缩位置，也是铸件最后凝固的地方，因此铸件中的缩松缩孔等内部缺陷多出现在铸件厚壁处。实际生产铸造中，可通过以下方法完善：①在厚度较大的铸件部位增加冷铁，从而改变凝固顺序，避免缩松缺陷的产生；②加大冒口或浇铸前预热冒口以满足铸件浇铸过程中的补缩要求，消除铸件壁较厚位置的缩松缩孔缺陷。
3结论与展望
本文使用MAGMASOFT软件探究ZM6镁合金材料低压铸造过程的铸造缺陷产生的影响因素，并进行数值模拟与分析，具体研究ZM6镁合金低压铸造过程中的温度场分布、充型过程以及凝固速度等铸造因素。结果表明：ZM6材料在铸件内部组织的气孔缺陷形状大多呈圆形或梨形，并且主要分布在铸件薄厚壁连接处附近，而在铸件壁厚部位易产生缩松、缩孔等缺陷，模拟结果显示在薄厚壁转接处，补缩通道关闭，容易产生缩松缺陷，设置保温冒口，保证顺序凝固，消除此类缺陷。
ZM6镁合金材料低压铸造的模拟分析过程中不断优化加工工艺参数，探究工艺参数对所轧制板材变形情况与受力情况的影响，可避免铸锭中的气孔或其他缺陷造成加工缺陷，降低了铸造缺陷的产生，为金属材料铸造加工带来了无限的发展空间。
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