ZM5镁合金砂型低压铸造浇注系统工艺研究

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摘要：某零件材质为ZM5镁合金，砂型铸造工艺和结构较为复杂，在不允许浸渗的前提下要增加气压试验，利用ProCAST有限元软件的数值理论模拟，预判出可能存在的缺陷，在浇注工艺参数不变的前提下，通过优化浇注系统从理论上消除铸造缺陷，为后续设计ZM5镁合金砂型铸造工艺提供了成型依据。

关键词：ZM5镁合金;砂型铸造;低压铸造;浇注系统;ProCAST

0 引言

镁合金凭借其低密度、较高的比刚度被公认为轻型环保金属材料，但由于镁合金凝固区间较宽，在铸造過程中容易形成缩松、缩孔、热裂等缺陷，限制了其在工业领域的发展。本文介绍的铸件形状如图1所示，材料为ZMgAl8Zn，代号ZM5;零件结构厚薄变化落差近38 mm，中间为一带孔圆台，带孔圆台与圆弧面部分交接处呈“T”形，存在热节，属于铸造多热节零件;射线探伤在厚薄过渡处不易查看缺陷，故最终零件要求进行1.0 MPa气压试验，且不允许采用浸渗工艺。以上技术要求对于镁合金铸件来说较为苛刻。

结合实际生产条件，本文拟采用砂型低压铸造工艺生产该铸件。由于浇注工艺参数已经较为成熟，本文主要针对镁合金砂型低压铸造的浇注系统进行研究，确保铸件符合各项技术要求。

1 浇注系统理论分析

从理论上分析铸件图可知，由于尺寸问题，浇注系统无法布置在中间部位，本文拟采用竖浇道与外缝隙浇道的形式将浇注系统布置在铸件外围，同时考虑到生产效率等，采用串浇方式，ProCAST有限元软件模拟情况如下：

1.1    理论四浇道浇注系统模拟

根据理论分析，预先布置四浇道，冷铁根据计算如图2（a）所示，模拟模型及结果如图2所示：

（1）输入材料成分，计算出的ZM5镁合金材料的固相线温度为421 ℃，液相线温度为602 ℃，相差181 ℃，属宽结晶温度范围合金，铸件易产生缩松、缩孔、热裂等缺陷。

（2）Niyama总缺陷显示：铸件边缘厚薄交接处、两根缝隙浇道中间、中间盲孔上部容易产生缩松、缩孔缺陷。

（3）从图2（b）缺陷可以看出，缺陷已经贯穿整个产品，可能导致打压泄漏。

对四浇道的凝固过程进行分析，四浇道浇注系统凝固示意图如图3所示。图3（a）为金属液充型完毕，随着凝固继续，接触模具的表面冷却较快，在外边缘地方开始凝固，如图3（b）、图3（c）、图3（d）所示，外圈由于仅有四根浇道，无补缩部位，导致在外缘中间部位形成孤立的热点，从图3（e）横向解剖可以看出，浇道中间部位仍在横向补缩，但补缩距离较远，较大概率会产生缩松、缩孔缺陷，故补缩距离较远是导致图2所示缺陷产生的原因。

1.2    理论六浇道浇注系统模拟

根据1.1节的分析，重点要解决补缩距离较远以及中间冷铁放置不当的问题，结合铸件形状尺寸，外围能够布置的浇道最多是六浇道（否则砂型强度不足以支撑），故将浇注系统更改为六浇道，理论模拟模型及缺陷示意图如图4所示。

六浇道模拟结果显示，在泄漏部位的缺陷与图2对比有了明显减小，未发生缺陷贯穿产品的情况，但缺陷面积仍较大，机械加工无法将其去除。六浇道浇注系统凝固示意图如图5所示，六根浇道中间的区域仍然出现了孤立的区域，仅能通过横向进行补缩，纵向无法进行补缩。由于镁合金凝固区间宽，较大概率会发生补缩不及时现象而导致缺陷的产生。

1.3    理论六浇道加“花瓣”状缝隙浇道浇注系统模拟

通过1.1、1.2节的分析可知，浇注系统的更改可以有效缩短补缩距离，若要将铸件内部缺陷引至浇道中，仍需增加浇道，但铸件尺寸受限，故理论上在六浇道基础上将缝隙浇道连通，形成“花瓣”状缝隙浇道，可以有效缩短补缩距离，同时将缺陷留至缝隙浇道。六浇道加“花瓣”状缝隙浇道模型及缺陷示意图如图6所示，从图6（b）、图6（c）可以看出，该缺陷相比原来的四浇道和单纯六浇道铸造都有了明显的减小，虽仍未完全消除，但缺陷距离铸件外缘3 mm，后续可通过机械加工去除该缺陷，由此可知，六浇道加“花瓣”状缝隙浇道的浇注系统理论上可以去除原缩松、缩孔、热裂缺陷。

六浇道及“花瓣”状缝隙浇道凝固示意图如图7所示，从图7（a）至图7（e）可以看出，随着凝固的进行，未出现孤立的热节，这是由于“花瓣”状缝隙浇道使得纵向的补缩永远存在，补缩距离也得到了缩短，纵向、横向均可以得到补缩，使得出现缺陷的概率得以减小甚至消除。

因此，在六浇道基础上设计“花瓣”状缝隙浇道，理论上可以有效避免缩松、缩孔、热裂缺陷的产生。

2 实际生产验证

为了验证上述理论分析的正确性，本文设计了两套工装，不同浇注系统模具示意图如图8所示，分别利用四浇道浇注系统模具和六浇道加“花瓣”状缝隙浇道浇注系统模具批量生产产品，并对生产的产品按照引言中的技术难点进行检验。

（1）利用四浇道浇注系统生产的若干件铸件，经过探伤合格后打压，打压合格率约为47%，泄漏部位示意图如图9所示，由此可以证明ProCAST模拟的结果与实际相符。

（2）利用六浇道加“花瓣”状缝隙浇道浇注系统所生产的若干件铸件，经过探伤合格后打压，打压合格率为100%，再次可以证明ProCAST模拟的结果与实际相符。

3 结语

（1）ProCAST有限元模拟软件可以有效预判ZM5镁合金铸造工艺的合理性，缩短设计、研发周期。

（2）ZM5镁合金凝固区间温度约为181 ℃，凝固区间过宽不利于铸造补缩以及顺序凝固，尤其是对于砂型低压铸造且产品不允许浸渗的前提下，最终导致产品出现缩松、缩孔、热裂等缺陷，进而产生打压泄漏问题。

（3）在ZM5镁合金浇注工艺参数一定的前提下，通过优化设计浇注系统可以有效避免产品最终产生缩松、缩孔、热裂等缺陷。本文介绍的铸件通过六浇道及“花瓣”状缝隙浇道的浇注，可以有效缩短铸件凝固过程中的补缩距离，避免产生缩松、缩孔缺陷，通过砂型低压铸造使产品打压合格率大幅提升，满足产品设计、使用要求。

[参考文献]

[1] 熊守美.铸造过程模拟仿真技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] 刘正.镁合金铸造成型最新研究进展[J].中国材料进展，2011，30（2）：10-15.

[3] 王狂飞，周志杰，王有超，等.铸造镁合金ZM6砂型铸造工艺研究[J].热加工工艺，2011，40（19）：39-40.