摘要

镁合金因结晶温度范围大、流动性差，薄壁件在浇注过程中易出现冷隔、浇不足缺陷。以ZM6镁合金薄壁油管类铸件为研究对象，在研究过程中利用ProCAST软件模拟，通过调整浇注温度、增设排气孔等方式，最终解决产品冷隔、浇不足缺陷，提高了成品率。

镁合金是质量最轻的金属结构材料，在航空、航天、汽车、交通、电子和家电等行业具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。由于镁合金的密度低、比强度和比刚度高，将其应用于航空、汽车等领域可以起到显著的减重效果。ZM6镁合金的固相线温度是550 ℃，液相线温度是640 ℃，凝固结晶温度范围较大，达90 ℃，且呈糊状凝固、流动性差；在凝固过程中易出现缩孔、缩松等缺陷，薄壁位置易出现冷隔、浇不足缺陷。本文针对ZM6薄壁件浇不足及冷隔缺陷进行分析，通过优化工艺，最终消除缺陷，提高了产品成品率。

1铸件结构特点及要求

如图1所示，该铸件为壳体类铸件，材质为ZM6，主要成分如表1所示。铸件重量约1.4 kg，尺寸约190 mm×260 mm×180 mm，整体壁厚6 mm，特点是具有多处油路管，油路管壁厚仅3 mm，产品要求砂型铸造且不允许存在任何铸造缺陷。

图1 铸件三维外观图和局部剖视图

表1 ZM6镁合金化学成分 wB/%

2原铸造方案及存在的铸造缺陷

2.1 原方案

此产品铸造难点在于油管壁厚仅3 mm，且ZM6合金凝固结晶温度范围大、流动性差，油管处在成形过程中极易出现冷隔、浇不足缺陷，所以在方案设计时，针对薄壁处需设定相关方案。

（1）铸造方式。铸造方式采用了一型两件树脂砂型低压铸造，因合金在压力下充型，可以有效提高合金的流动性，避免冷隔、浇不足缺陷的出现。低压铸造又具有充型平稳的特点，可有效避免金属液在铸型内部飞溅产生夹渣等缺陷；同时，合金在压力下凝固，可获得组织相对致密的铸件。

（2）工艺参数。镁合金浇注温度一般设定在720~780 ℃，在保证充型的条件下，一般采取尽量低的浇注温度[5]，考虑到本产品为局部薄壁件，防止浇注过程中二次氧化的同时又要保证油管成形，故浇注温度选定在（735±5）℃。充型速度一般设定在35~55 mm/s，同样，为防止浇注过慢导致冷隔的同时又要防止浇注速度设定不当导致紊流二次造渣，故浇注速度选定在35 mm/s。

为防止因砂型温度过低造成冷隔，砂型温度选定在50~65 ℃。

（3）浇注系统设计。如图2所示，根据产品结构特点，采用底注开放式浇道，由产品的热节部位尺寸确定内浇道截面积，根据开放式浇注系统设定理论，最终确定浇注系统比例为ΣF直∶ΣF横∶ΣF内=1∶1.6∶2.5，以达到平稳充型的目的，侧方厚大部位设置浇道补缩，顶部端面设置冷铁，形成顺序凝固。

图2 浇注系统及冷铁示意图

2.2 存在缺陷及分析

采用该方案生产4件产品，清理砂型后发现壁厚为3 mm油管处均存在冷隔及浇不足缺陷，如图3所示。

图3 缺陷及缺陷位置示意图

原因分析：冷隔、浇不足缺陷形成的原因主要是铸型温度或浇注温度低或充型速度过慢，型腔未充满前合金已凝固，铸型排气不畅也会造成浇不足、冷隔缺陷的产生。

为找到造成油管处冷隔浇不足缺陷的根本原因，利用ProCAST软件对铸件的充型过程进行了模拟分析，设置参数如下：网格步长3 mm；面网格数量56 088个；体网格数量326758个；铸件与冷铁换热系 数为2000W/（㎡·K）；铸件与砂型换热系数为500 W/（㎡·K）；充型压力5 kPa；结晶压力6 kPa。

不同时间的充型模拟结果如图4所示，通过模拟发现，在充型过程中，油管位置降温速度快，型腔未充满前，油管位置温度已经低于液相线温度，另外，油管处有对流现象产生，结合铸件缺陷形态判断，该处型腔有可能存在对流憋气的问题，因此，浇注温度低和对流憋气是造成该缺陷的主要原因。

图4 原方案充型过程模拟结果

3方案优化

针对以上问题分析，制定优化方案2。将浇注温度由原来的（735±5）℃提升至（750±5）℃，将浇注速度由35 mm/s提升至40 mm/s，针对对流位置可能存在憋气的问题，在油管处砂型设置排气孔，如图5所示，其余方案不变。

图5 砂型上排气孔位置

将工艺条件变更后，重新进行充型过程模拟，可见在油管充型完成时，油管处温度仍高于液相线温度，方案优化后，不同时间的充型模拟结果如图6所示。

图6 方案优化后充型过程模拟结果

方案优化后，浇注了6件产品，经检验，更改方案后浇注的6件产品，外观良好，油管处均成形，未出现冷隔、浇不足缺陷，如图7所示。

图7 更改方案后产品

4结论

（1）采用树脂砂型低压铸造，可以生产出局部壁厚3 mm的ZM6合金薄壁油管类铸件；

（2）在工艺设计过程设定浇注温度时，最好使用CAE模拟分析温度场，铸件薄壁位置的合金温度在充型结束前，尽量控制在液相线温度以上；（3）ZM6镁合金薄壁件出现浇不足缺陷后，除考虑浇注温度外，还应加强排气，因镁合金易氧化，提高浇注速度应慎重，避免因浇注速度过快造成二次氧化夹渣缺陷。

作者：

张笙辉 冀辉
康硕（山西）智能制造有限公司

李胜君 郑建 王家文
营口经济技术开发区金达合金铸造有限公司

本文来自：铸造杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴