鋁合金副車架的鑄造缺陷與應力模擬分析

朱德瓏 張海陽 楊國慶 李華斌 張 梅,3,4 楊弋濤,3,4

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200072;2.上汽集團技術中心，上海 201804；3.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200072;4.上海市鋼鐵冶金新技術開發(fā)應用重點實驗室，上海 200072)

近年來，輕量化是汽車行業(yè)的大勢所趨。雖然輕量化的材料多種多樣，但迄今為止還沒有出現(xiàn)能夠完全滿足所有要求的理想材料[1]。鋁合金是汽車上應用得最早和最廣的輕金屬，由于鋁材幾乎可以全部回收，現(xiàn)代轎車廣泛使用鋁材已經(jīng)成為一種趨勢[2]。

汽車用鋁合金有鑄造鋁合金和變形鋁合金，鑄造鋁合金在汽車上的使用量占80%左右[3]。通常，鑄件凝固過程是受到各方面因素影響的復雜物理化學過程。其中最為關鍵的是鑄造熱應力的影響，它會使鑄件產(chǎn)生殘余應力和殘余應變甚至誘發(fā)裂紋。例如殘余拉應力在工件服役過程中會與外加載荷疊加，當局部應力超過材料的屈服極限時就會引起變形和開裂[4]。因而，對鑄件殘余應力進行控制是十分必要的。

國外在這方面的研究相對較早，Li等[5]首次將熱、流場、應力場三者耦合在一起分析研究了連鑄工藝過程；Choi等[6]開發(fā)了FDM/FEM熱應力模擬程序，對框形灰鑄鐵試件進行了模擬與試驗研究，得出框形試件的截面寬度對殘余應力的影響要大于其長度的影響。Hattel和Hansen等[7]研究了基于控制體積有限差分法求解以位移表示的平衡方程的方法，并運用到德國的MAGAM鑄造模擬軟件的應力場分析中。李世蕓等[8]、孫麗文等[9]通過有限元軟件ANSYS對實際工件鑄造過程中的熱應力分布進行了分析，推動了數(shù)值分析過程在鑄造工業(yè)的實際應用。

本文以A356鋁合金為研究對象，通過采用商用ADSTEFAN鑄造模擬軟件，對鋁合金副車架鑄造過程的應力場進行了數(shù)值模擬，并對鑄造缺陷進行預測與分析，同時采用X射線無損探傷和X射線應力測定儀對實際副車架鑄件進行測定，以驗證模擬結果,從而實現(xiàn)提高鑄件質(zhì)量，降低成本，提高安全性的目的。

1 試驗材料及方法

試驗選用A356鋁合金，鑄造工藝為金屬型旋轉(zhuǎn)鑄造，旋轉(zhuǎn)角度為0°～90°，從水平至垂直的旋轉(zhuǎn)時間為10 s。

在CATIA軟件中完成鑄件模型與澆注系統(tǒng)的建模，將制作好的三維立體模型存儲為STL格式。然后將STL文件導入ADSTEFAN鑄造模擬軟件中進行網(wǎng)格劃分，之后進行鑄造模擬工藝參數(shù)的設定，其中澆注方式為金屬型旋轉(zhuǎn)鑄造。經(jīng)不斷地優(yōu)化設計之后，確定澆注溫度為720 ℃，澆注速度為60 cm/s，模具溫度為350 ℃。鋁合金副車架的部分數(shù)值模擬結果如圖1所示。

圖1 副車架三維數(shù)值模型圖Fig.1 3D numerical model diagram of the subframe

為了更直觀地觀察缺陷程度和應力分布，選定圖1中3個位置，選取點均在同一平面且較易保證擺放處于水平位置以避免測應力時產(chǎn)生誤差。采用X射線應力測定儀對實際鑄鋁件的這3個位置進行應力測定，然后將實測結果與模擬結果進行對照，其目的在于比較經(jīng)ADSTEFAN軟件模擬的應力場能否與實際鑄鋁件應力分布相吻合。實測前，對X射線應力測定儀進行校準，并對鑄件表面進行電解拋光以提高表面光潔度。每個位置測量3次取平均值。最后對實際鑄件進行X射線無損探傷。

2 試驗結果與分析

副車架鑄鋁件的ADSTEFAN軟件鑄造缺陷模擬結果如圖2(a)所示，其結構對應圖1中的副車架三維數(shù)值模型。而圖2(b,c)則對應了圖1中的1、2、3位置，分別為該3處的X射線無損探傷結果。

探傷結果表明，鑄造縮松縮孔產(chǎn)生的數(shù)量及位置與模擬結果基本相符，即位置1處存在大范圍縮松縮孔，位置2處基本無缺陷，位置3處存在較小縮孔。結合模擬結果中的填充率可知，位置1、3處缺陷的填充率為60%左右，說明該處的鑄鋁不夠致密，在冷卻過程中由于冷卻不均勻使得該處產(chǎn)生熱節(jié)，因冷卻收縮得不到周圍金屬液的補充從而導致縮松縮孔的產(chǎn)生。位置2處則充型致密、內(nèi)部無缺陷。因此，位置1、3處的缺陷是鑄件橫截面突變導致冷速不均的結果，實質(zhì)是鑄件設計不合理所致。

為了進一步觀察鑄件內(nèi)部缺陷的大小和形態(tài)，從鑄件位置1、3處剖開，水磨去除線切割痕跡，采用體式顯微鏡(刻度1 mm)觀察其整體缺陷。圖3表明鑄件位置1、3處存在嚴重的縮孔和少量縮松，與圖2的探傷結果相對應。金相分析發(fā)現(xiàn)，位置1處的缺陷呈長條狀，偏向鑄件的一側，說明與旋轉(zhuǎn)鑄造的澆注方法相應，在澆注過程中傾斜的一側先接觸金屬液因而冷速大凝固快，易形成較高的致密度，后充滿的一側則易出現(xiàn)缺陷。此外，扁長狀的縮孔呈連續(xù)分布與該位置處的凝固順序有關，表明上下兩側為最后凝固的區(qū)域，因而金屬液補縮時形成了該凝固方向的縮孔。位置1處大面積缺陷和位置3處單個縮孔均與模擬結果對應良好，其縮孔長度均達到了1 mm以上。通過對缺陷形貌的觀察，能了解到實際鑄件的質(zhì)量，從而制定出更優(yōu)的方案，減少缺陷。例如，加快缺陷處下方的冷速，便能將缺陷位置上移至冒口中，這可在軟件中進一步模擬驗證。

采用Image-Pro Plus軟件對鑄件中的缺陷進行定量分析，表1中對比了模擬及無損探傷結果中的缺陷面積比。從表1中可以看出，鑄件探傷測得的缺陷數(shù)量與模擬值較為接近，位置1處的缺陷數(shù)量達到了7%左右，結合金相觀察，縮孔呈條狀不均勻分布，同時周圍存在一些縮松，位置1是鑄件上下部分的聯(lián)接處，需要足夠的強度。但由于缺陷數(shù)量較多，在外力作用下，條狀縮孔尖端會萌生裂紋，分布其周圍的縮孔還會加速裂紋的擴展，因此需要對該處進行優(yōu)化以減少其缺陷數(shù)量。而位置3處的缺陷數(shù)量少于位置1處，為單個縮孔，數(shù)量大大減少，但缺陷尺寸仍達到了 1 mm。此外，考慮到兩處缺陷產(chǎn)生的原因均是鑄件冷速不均導致的熱節(jié)，同時都是上下部分的聯(lián)接部位，中間部分優(yōu)先凝固打斷了自下而上的凝固順序，因此缺陷形成的位置都位于鑄件的下部。解決的方法應是在下端布置冷卻水管加速冷卻或是增加中間聯(lián)接部位的厚度降低其冷速。

表1 副車架鑄鋁件中缺陷的定量分析Table 1 Quantitative analysis of defects in the cast aluminum subframe

副車架鑄鋁件的ADSTEFAN軟件應力模擬結果如圖4所示，其應力分析對應圖1中的副車架三維數(shù)值模型。

由圖4可以看出，3個位置均存在一定的應力集中且均為拉應力，低應力狀態(tài)時顏色表現(xiàn)為藍色，隨著應力的逐漸增加，其顏色會逐漸變?yōu)榫G色和黃色，應力最大時為深紅色。觀察發(fā)現(xiàn)，位置1、2處的應力模擬結果均呈現(xiàn)應力較小的藍色，而位置3處出現(xiàn)了較大的應力集中。產(chǎn)生較大應力的原因有：(1)由于工件壁厚不同導致鑄件在冷卻過程中不同部位的冷卻速度不同，收縮也就不均勻，鑄件要保持整體的連續(xù)性就會產(chǎn)生應力，且冷速差別越大，鑄造應力也越大；(2)在砂型鑄造或金屬型鑄造中，靠近鑄型邊緣的部位，鑄件在收縮時受到外部因素如鑄型或砂芯的阻礙而產(chǎn)生機械應力。存在較大應力的部位，則是鑄鋁件在使用過程中可能萌生裂紋的地方。因為鑄件本身的應力與外加載荷疊加時便很容易達到屈服強度導致變形開裂，因而需要采取一定的措施消除應力集中，例如去應力退火。

圖4 副車架鑄鋁件的應力模擬結果Fig.4 Simulated stress in the cast aluminum subframe

表2對比了副車架鑄鋁件3個位置的應力模擬值與實測值。

表2 副車架鑄鋁件不同位置的應力模擬值與實測值Table 2 Simulated and measured stress values in different positions of cast aluminum subframe

從表2中不難看出，3個位置的模擬值與實測值較為接近。這說明ADSTEFAN軟件的模擬結果能夠較好地反應鑄件應力情況，可以準確地預測出應力集中區(qū)域，從而針對局部的不足改進工藝設計，大大降低生產(chǎn)成本。例如，T6處理的鑄造鋁合金的屈服強度為300 MPa左右，當存在100 MPa以上的殘余應力時，在鑄件服役的情況下，鑄件內(nèi)應力與外加載荷疊加，從而成為裂紋萌生的位置，使得副車架的使用壽命大大縮短，同時也會降低其安全性，因而建議再對其進行去應力退火。數(shù)值模擬能夠直觀地了解鑄件整體的應力分布，在檢測時模擬結果也能提供應力較大的位置，從而節(jié)省人力物力，又能提高效率。

3 結論

(1)通過ADSTEFAN鑄造模擬軟件對副車架鑄鋁件鑄造過程進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)，鑄件內(nèi)部存在較為嚴重的縮松縮孔，但鑄件表面殘余應力較小。

(2)通過X射線無損探傷和應力測定儀對實際鑄件的測定，以及體視顯微鏡對缺陷形貌的觀察，進一步驗證了模擬結果中縮松縮孔的大小、位置以及殘余應力值。

(3)該數(shù)值模擬方法能在一定程度上指導實際生產(chǎn)，了解鑄件整體鑄造的質(zhì)量進而優(yōu)化副車架鑄鋁件的工藝設計，為實際生產(chǎn)提供理論指導。