液态金属成型

gx −
1 ∂P +ν ρ ∂x
∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u ∂ u ∂u ∂u ∂u ∂ x2 + ∂ y2 + ∂ z2 = ∂t + u ∂x + v ∂y + w∂z
∂ 2v ∂ 2v ∂ 2v ∂ v 1 ∂P ∂v ∂v ∂v gy − +ν + + 2 = + u + v + w 2 2 ρ ∂y ∂x ∂y ∂z ∂y ∂z ∂t ∂x gz − 1 ∂P +ν ρ ∂z ∂ 2w ∂ 2w ∂ 2w ∂ w ∂w ∂w ∂w ∂ x2 + ∂ y2 + ∂ z2 = ∂t + u ∂x + v ∂y + w ∂z
五、实验报告 分析总结铝合金的熔炼处理工艺流程，比较精炼处理、 变质处理、 振动以及冷却条件对 铝合金组织及性能的影响。
实验二、液态成型过程 CAE 实验 一、基础理论 计算机辅助工程（ Computer Aided Engineering，简称 CAE）技术是一门以 CAD/CAM 技术水平的提高为发展动力，以高性能计算机及图形显示设备的推出为发展条件，以计算 力学和传热学、 流体力学等的有限元、 有限差分、 边界元、 结构优化设计及模态分析等方法为 理论基础的新技术。目前液态成型 CAE 主要以铸件的温度场模拟和流动场模拟为主，软件 水平已经达到实用化，国内外均有商品化软件出现。国外主要有德国的 MagmaSoft、美国的 ProCAST、 Flow3D、 韩国的 AnyCAST 等，国内主要有华中科技大学的华铸 CAE、 清华的 FTStar、华北工学院的 CastSoft 等。 1）温度场模拟 温度场模拟主要是利用传热学原理，分析铸件的传热过程，模拟铸件的冷却凝固进程 ，
铸件金属液按其力学属性属不可压缩流体，型腔内的流场属无源场，在充型过程中， 对于已填充的单元，还应满足连续性方程：
∂u ∂v ∂w + + = 0 ∂x ∂y ∂z
铸件成型过程数值计算方法一般都采用了传热学理论与计算技术。 目前已经发展了有限 差分法（FDM）、 有限元法（FEM）、 直接差分法（DFM）、 边界元法（BEM）等多种数值 方法。目前常见的铸造 CAE 软件大多是用有限差分法（FDM）进行数值求解。从总的结构 来看，基于有限差分方法的软件一般都划分为前置处理、数值求解、后置处理三大模块。 1）前置处理 前置处理模块的主要任务就是三维接口、 网格剖分、 几何识别和单元标识，通常称为网 格剖分。 在作均匀网格剖分时，选择适当的单元尺寸，将整个域空间划分成一系列小立方体， 形成网格构造，并相应地建立一个巨大的三维数组，用数组里的每个数组元素分别去对应 网格中的一个小立方体单元。然后进行几何识别，也就是扫描每一个立方体单元，按其与 STL 描述的各表面之间的相对几何关系，区分出每个立方体单元各落在铸件铸型系统的哪 一部分，是铸件内，还是铸型内、 型芯内、 冷铁内等等。 识别的结果用一个专门的数组进行标 识，这种标识既包含了几何信息，也包含了物理信息，是以后迭代计算和后处理的基本依 据。 目前流行的铸造 CAE 软件，大都采用 STL 数据格式与前端三维建模软件进行接口， 由于这 种数 据格 式受 到 绝 大多 数 不同 档 次三 维 CAD 软件如 Pro/E 、 UG 、 SolidWorks 、 AutoCAD 等的支持，因此，前端建模工具的可选范围非常宽。 2）数值求解 数值求解是整个软件的核心，其任务是用数值迭代去求解各相应物理场的数理方程， 包括流动场、温度场、应力场等等。 数值求解阶段，首先要为方程的各有关参数、 系数赋值，为温度场、 流动场各初始条件 和各数组元素赋初值。 数理方程各系数一般都是各相关的物性参数，其值一般都要从相关的 数据库查询，因此赋值过程首先包含一个查取参数值的操作。 紧接着，要对计算中的一些选 项，如时间步长、 存盘方式、 存盘间隔、 计算终止方式等等，进行选择、 设定。 这些都是维持适 当的、 正常的迭代计算所必须的环境，是商品软件为用户提供充分的运行灵活性、 为用户提 供丰富的服务功能的方式。
预测缩孔、 缩松等缺陷。 温度场变化和铸件凝固是一种热量再分配的过程，推动这种热过程 的动因有两种，其一是温度差，由温度差造成热流，由热流差形成的热堆积引起温度变化 ； 其二是相变潜热，潜热作为一种热源在温度场中同样引起相应的温度变化效应。 定量描述这 些变化的规律的基本关系就是 Fourier 方程。
3、 实验设备及器材 振动台，减压凝固仪、 坩锅电阻炉、 金属型、 自硬砂型、 钢锯、 预磨机、 腐蚀用王水、 铝合金 及相关辅助工具。
四、实验步骤 1）准备炉料、精炼剂、变质剂，开始加热熔化铝合金。 2）在不同熔炼温度条件下，将未进行精炼处理的金属液浇注到减压凝固试验仪中，观 测含气量的高低及气孔的析出情况，并获得试样一。 3）进行精炼处理。 同样将金属液浇注减压凝固试验仪中，观测含气量的高低及气孔的析 出情况，并获得试样二。 4）在不同振动频率及振幅条件下分别浇注金属型及砂型试样各若干个。 5）待所有试样凝固结束后，剖开经粗磨、 磨光。 磨光的试样经腐蚀后观察其宏观组织变 化及气孔析出情况。
ρCp
∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T ∂T = λ ∂x2 + ∂ y2 + ∂ z2 ∂t
∂gs + ρL ∂t
（5）
其中：T ——温度 ； t ——时间； ρ——密度； λ——导热系数； x， y， z ——空间坐标； Cp——比热； L——潜热；
g s ——固相率。
2、 实验目的及内容 1、目的 铝合金熔化后，通过不同的除气及精炼方法处理后进行减压凝固实验，观察含气量的 高低及气孔的析出，观察精炼处理对金属液吸气量的影响。 通过液态纯铝在不同振幅、 频率 条件下振动结晶，观察振动时金属液的晶粒组织的影响。
2、 内容 1) 铝合金的熔炼工艺实验。 探讨不同熔化工艺、 精炼工艺及变质工艺对铝合金铸件组织 性能的影响； 2) 金属液气体含量检测实验。通过减压凝固仪检测不同熔化精炼工艺下铝合金氢气含 量。 3) 振动结晶实验。 通过调整不同振动工艺参数、 不同冷却条件下（砂型、 金属型）的浇 注实验，探究振动参数、铸型冷却速度对组织性能的影响。
此式右边的第一项是三个方向上热流差造成的热堆积，第二项是相变潜热，只在相 变时产生。 式左边是热效应引起的温度变化。 此式的物理意义是：温度场中任一点温度的变 化取决于该点处热流差造成的热堆积与潜热释放两种热效应之和。 2）流动场模拟 流动场模拟主要是利用流体力学原理，分析铸件的充型过程，可以优化浇注系统，预 测卷气、夹渣、冲砂等缺陷。 充型过程是粘性不可压缩流体（金属液）在型腔中流动充填的过程，首先应满足的是 流体动力学方程，即 Navier-Stokes 方程：
液态金属成型
综合实验教程
华中科技大学材料学院
液态金属成形是将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定的形状的 型腔中，液态金属在重力或外力（压力、 离心力等）的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有 型腔形状的铸件。 金属熔炼与浇铸成型是液态金属成形的两个环节，液态金属成型实验主要 围绕这两个方面的内容来进行。 一是金属液的熔化及凝固，着重探讨铝合金熔化及凝固过程 中的问题，如金属液的精炼、 变质处理工艺对铝合金液体质量的影响，冷却速度、 震动等对 合金凝固组织的影响；二是探讨不同的成型工艺，如分别采用消失模铸造、 金属型铸造、 离 心铸造等工艺，通过实际造型、浇注、解剖分析，结合 CAE 软件，分析相关铸造工艺的特点 及有关铸造缺陷产生的基本原理。 液态成型实验强调与其他实验课程的衔接，如实验中合金凝固组织的制备与分析可与 机械大类“材料制备及组织性能”相衔接；消失模铸造中所用的泡沫模样和离心铸造用的 原型以可由“模具 CAD/CAM/RPM 综合实验”来完成。 液态金属成型综合实验的总体框图如下图所示：
3）后置处理 后置处理是整个软件最终向用户提供各种分析结果的窗口，其基本要求就是可视化。 从 数值求解中得到的解是一个庞大的数据阵列，要从中提取信息，绘制出能够揭示物理内涵、 反映工程因果的各种可视化图形，让用户能从数值解数据中得到有助于工艺设计的辅助信 息和判断依据，这是后处理首先要做到的。 铸件结构一般比较复杂，表达复杂的三维关系还 需配合旋转、 剖切、 透视等手段，后处理要在用户操作的环境下向用户提供这些手段，且又 要稳定可靠、方便灵活， 图形和动画是后处理的两个主要表达方式，作为商品软件，不仅要能提供这些表达， 更重要、 更难做的是，向用户提供一种最方便、 最简洁的操作环境，使用户在其中能够轻松 地实现所需的表达。 为此，软件要具备多选项、 多方式的图形生成功能，要具备多种灵活性 的动画剪辑与合成功能，还要为这些图形动画提供丰富、便利的显示、播放功能。 铸件的质量主要取决于充型凝固过程，铸件的缺陷也大都形成于此过程。 过程是第四维 变量时间 t 的函数，准确地模拟显示一个三维过程，最贴切的方式莫过于三维动画。充型中 的涡流、 翻卷，凝固中液相的孤立、 通道的隔断等等，都需要动画表现，只有在动画观察下 才能得到过程细节最准确、最细腻的把握。
（3）装炉次序及装料 1）回炉料； 2）铝硅中间合金； 3）铝锭。 （4）熔化及精炼 炉料装好后，升温熔化炉料，等炉料全部熔化后，除净熔渣，加入熔剂。 当温度 达到 680℃时，用钟罩将预热到 200～300℃的 Al-Mg 中间合金或金属镁块亚入熔池中心离 坩锅底 150mm 的深处，并慢慢回转和移动，时间为 3～5min,然后升温到 730～750℃，用氩 气或 C2Cl6 精炼 10～15min。 待精炼完毕后，静置 1～2min 后，取试样作炉前分析。 如炉前成 分发现合金成分低于或高于标准成分，则应立即进行调整成分的工作。 （5）变质处理 加入炉料总重量的 1.5～2.5%的变质剂进行变质处理，变质时间 15～18min。 （6）浇注 当温度达到 750℃时，扒渣出炉，用坩锅或手抬浇包盛取合金液，将合金液浇 入铸型。
产品及工艺CAD/CAE 铸造工艺选择
CAM泡沫原型 或切割粘结成型
CAM原型 （木模或塑料）
金属型 模具拆装
原型制作
压制橡胶模
浇注系统组装
涂料、烘干
震动结晶
震动检测分析
震动造型
合金熔炼
减压凝固
负压浇注
离心浇注
重力浇注
铸
件
组织性能分析
图 1 液态成型实验组织框图 实验一、铝合金熔炼及结晶凝固实验
本实验将铝合金熔化、 精炼、 气体含量检测（减压凝固实验）、 金属液的振动结晶等实验 综合起来，通过观察凝固后的组织变化及力学性能实验检测，达到使学生认识、 深入理解或 研究通过组织控制能够提高材料或铸件的性能的目的。
一、基础理论 液态金属的熔炼是铸件形成过程的重要环节。铝合金的熔炼一般工艺流程如下图所示：
配料计算
准备金属炉料
准备非金属炉料
炉前分析、调整成分
熔化
变质处理、细化晶粒
静置保温
浇铸
图 2 铝合金熔炼的一般工艺流程 由于铝合金的熔炼金属熔炼与铸造多敞开在大气中进行，高温炉料和熔化了的铝合金 液，都与空气和炉气中的气体接触，使铝合金吸气。 另外加入到炉料中的中间合金、 熔剂等 都可能带来气体及杂质，这些都是导致金属液吸气、 氧化，形成气孔和夹杂的根源，进而对 铸件的内部及表面质量、 物理性能、 力学性能及铸造工艺性能带来较大的影响。 因此对金属液 进行精炼、 净化处理，排除气体及夹杂物，提高合金液的纯净度就显得十分重要。 常见的铝 合金精炼方法主要有 C2Cl6 精炼、无毒精炼剂精炼及吹氩气精炼等，不同的精炼方法及精炼 处理工艺，精炼效果有较大的不同。 铸件的性能与金属宏观组织的晶粒形态、 大小、 取向、 分布有着密切的关系。 细小的等轴 晶、 位相排列杂乱无序、 晶界面积大，则力学性能不受方向性影响，其杂质、 缺陷分布较分散， 化学物理性能较均匀。 因此，致密的等轴晶使得金属材料具有优良的力学性能。 而柱状晶横 向长大时，受到相邻晶体的阻碍。 枝晶得不到充分的发展，分枝较少，晶体比较粗大，晶界 面积较小，位向一致。 其性能具有明显的方向性。 纵向和横向力学性能有较大的差别。 对于普 通金属结构材料，通常是不希望得到柱状晶组织。 在金属凝固过程中，采用强化非均质生核和促进晶粒游离的手段，可以抑制金属凝固 过程中柱状晶区的形成和发展，可获得等轴晶组织。 研究表明，非均质晶核数量越多，晶粒 游离作用越强，溶体内部越有利于游离晶的残存，所形成的等轴晶就越细。 在实际生产中，控制金属的晶粒形态的方法有：A、控制金属结晶热力学条件（如低温 浇注、 合适的冷却条件、 合理的浇注系统）；B、 孕育或变质处理，以增加结晶核心或改变晶 体的生长机制；C、采用物理的方法，如采用振动促进晶粒细化，改善金属性能。 典型的 ZL105 熔炼工艺如下： (1)熔炼前的准备工作 1）清洁坩锅； 2）余热坩锅及工具到 200～300℃； 3）对坩锅及工具喷涂（刷）涂料； 4）清理预热炉料； 5）准备好熔剂及变质剂； （2）配料计算 由于熔炼中 Si、Mg 烧损达，成分含量的变化大，故应按标准成分的上限计算配 料。