自動車の軽量化の発展に伴い、アルミニウム合金鋳物の自動車への使用はますます広くなっている。自動車ボディに使用される薄肉鋳物は主に高圧鋳造であり、ホイールハブ、エンジンブロック、シリンダーヘッドなどの複雑な構造の鋳物は主に低圧鋳造で形成される。低圧鋳造は、充填が安定し、速度が制御でき、加圧下で凝固するため供給が容易であるという特徴を持つ。しかし、低圧鋳造の充填プロセスには十分な注意が払われてこなかった。近年、低圧鋳造における加圧速度が速すぎると、溶湯の充填速度が充填速度限界値（0.5m/s）を超え、巻き込みやスラグの巻き込み欠陥が発生し、鋳造コストが低下することを発見した研究者もいる。機械的特性。低圧鋳造の充填過程では、加圧速度や鋳片構造が巻き込み欠陥に影響する。そこで本課題では、数値シミュレーションと実験を組み合わせ、異なる構造と異なる加圧速度を持つ3種類の平型鋳物を比較する。巻き込み欠陥の原因を明らかにし、低圧鋳造の円滑な充填のプロセス設計の参考とするための研究を実施した。
試験方法
主に鋳造構造と加圧速度が充填プロセスに及ぼす影響を調査する。そのため、図1に示すように、構造の異なる3つの単純なモデルを設計した。鋳物の大きさは280mm×150mm×30mmである。3つの平板鋳物の中心位置は、滝構造の高さが異なる。落下高さはそれぞれ0mm、15mm、30mmである。鋳物の品質に及ぼす構造の影響。
Flow-3Dソフトウェアを用いて、3つの異なるモデルと異なる充填圧力をシミュレートした。同ソフトウェアのエントレインメントモデルを適用し、異なるスキームの充填過程におけるエントレインメント量を解析する。これら3つのモデルをSTLファイルとして保存し、Flow-3Dにインポートする。鋳造メッシュは500万分割。鋳造材料はZL101A、注湯温度は700℃、合金粘度は0.0019Pa-、鋳型材料はH13鋼、予熱温度は250℃。これら3つのモデルについて、昇圧速度を2000、1200、600、300Pa/sの順に入力し、シミュレーションを行う。
シミュレーションの結果、巻き込み量が最大かつ最小のモデルを選択し、試作を行う。ZL101Aは現場のガス炉で製錬され、Al-10SrとAl-5Ti-1Bのマスター合金が修正と精錬に使用される。プロセスのパラメータ設計は、シミュレーションのパラメータ設定と一致している。アルミニウム合金の状態の一貫性を確保するため、この実験はるつぼ内で完了した。成功裏に製造された鋳物の鋳造時の機械的特性が分析される。各鋳物について4個のM6引張サンプルを採取する。サンプリング位置を図2に示す。各モデルは6つの鋳物、合計24の引張サンプルを分析し、国際的な引張試験が採用されます。規格DIN EN ISO 6892-1。機械的特性が最も低いサンプルを採取し、SEMを使用して破壊分析を行い、機械的特性低下の根本原因を分析する。
V3.1スキームを例にとって、図3に示すような充填過程におけるエントレインの分布を観察する。充填時間が2.9秒の場合、溶湯は安定して上昇することがわかります。充填が3.6秒に達すると、溶湯は滝の領域に入り、激しい乱流と深刻な巻き込みを引き起こします。充填プロセスが続くと、落下領域で発生した巻き込みガスは、溶湯の上昇に伴って鋳物内にランダムに分布します。
シミュレーション結果は、異なる加圧速度における充填後の異なるモデルの空気量分布を示す。モデルV1の空気量は少なく、加圧速度の増加に伴って空気量がわずかに増加していることがわかる。モデルV2とV3は、過給速度の増加の有無にかかわらず、巻き込みの程度が異なり、分布も異なっている。
昇圧速度と落下構造が空気量に与える影響を明らかにするため，各 スキームの空気量を定量的に解析し，Flow-3D から各スキームの空気 量を導出した（図5）．巻き込み量の定量解析結果から、落下構造がない場合、昇圧速度の増加に伴い巻き込み量が増加すること、落下構造がある場合、昇圧速度の増加に伴い巻き込み量は大きく変化しないこと、同種の昇圧速度の増加では、落下構造の高さが増加し、巻き込み量が大きく増加することがわかる。従って、鋳造中の落下構造は巻き込み量に影響を与える主要因である。落下構造がない場合、加圧速度は巻き込み量に影響する。
実際の鋳物の機械的性質と破壊の分析
V1モデルとV3モデルは、同じ充填圧力速度300Pa/sで試作した。各モデル12個ずつ生産した。鋳造品質は良好で、外形も明瞭であることがわかる。そのうち6個を引張試験片に選定した。
鋳物の引張強さと伸びは、図7に示すように、引張試験によって得ることができる。落下構造のない鋳物の引張強さと伸びは比較的安定しており、平均引張強さは191MPa、平均伸びは5.平均引張強さは191MPaで、平均伸びは5.3%に達する。平均引張強さは178MPaで、平均伸びはわずか3.8%である。落下組織で引張強さが160MPaより低いサンプルを選択し、破断のSEM分析を行うと、図8に示すようになる。破断面の表面には比較的大きな巻き込みスケールの欠陥があることがわかる。シミュレーション結果の解析と合わせると、主な原因は、落下構造において深刻な巻き込み挙動が発生していることである。
