低压铸造铜合金压力值：低压铸造中铜合金浇不足缺陷

低压铸造铜合金压力值：低压铸造中铜合金浇不足缺陷在铸造充型过程中，会发生液固转变现象，因而铸造模拟中需要考虑金属的糊状区行为。在凝固初期（固相率较低），枝晶间尚未形成有效连接，枝晶会跟随液相流动；在凝固中期（固相率中等），枝晶间初步连接，液相在枝晶间流动，小的枝晶也会随液相而流动；在凝固后期（固相率较高），枝晶间牢固连接，液相不再流动。2 数值模拟分析1 试验与工艺基于铜合金水龙头件对浇不足缺陷进行数值模拟，铸造工艺采用低压铸造。图1为铸造的模具系统与浇不足缺陷示意图，模具系统包括模具、砂芯和升液管，模具材质为铜合金QCr0.5，砂芯材料为树脂砂，升液管材料为45钢，铸件材质为铜合金LTN60-1，预估铸件质量为6.5 kg。图1中铸件左侧产生了浇不足现象，工艺上推测是左侧铸件较薄、冷却较快，因而金属液较早达到了临界固相率，停止了流动；模拟上可选用不同的液固转变模型进行计算分析，从而对比判断模型在预测浇不足缺陷上的可靠性。图1模具系统与

导读：浇不足是铜合金低压铸造中常见的缺陷之一，采用数值模拟不仅可以预测铸件最终的浇不足形态，还可以进一步分析浇不足的产生与演化过程，而预测浇不足的关键是处理好合金糊状区对金属液流动的影响。本课题针对铜合金修正了糊状区的变粘度-多孔介质-临界固相率模型，基于变物性参数计算并对比分析了其与变粘度-临界固相率模型模拟结果的差异性。实际生产表明，修正后的变粘度-多孔介质-临界固相率模型可以准确预测出铸件的浇不足缺陷，数值计算模型是更可靠的。

关键词：铜合金；低压铸造；浇不足；糊状区模型；数值模拟

目前由于充型过程中模具的不透明性以及金属液的高温状态，难以直接观测到浇不足缺陷的形成与演变过程。采用数值模拟不仅可以预测浇不足的最终分布，亦能分析浇不足的形成过程，对于优化铸造工艺有着重要意义。在数值模拟中准确预测浇不足的关键是处理好合金糊状区对金属液流动的影响，而现有的处理手段多为设定临界固相率、变粘度等方式，这难以准确地表征铸造过程中流动行为的变化 因而确定一种准确的糊状区流动计算模型尤为重要。

针对在铸造充型过程中合金糊状区液固转变对金属液流动的影响以及浇不足的模拟研究方面，国内外做了大量研究。本课题针对铜合金低压铸造中的浇不足缺陷，详细介绍了变粘度-临界固相率与变粘度-多孔介质-临界固相率两种糊状区流动模型。同时修正了变粘度-多孔介质-临界固相率模型，使其适用于铜合金低压铸造，并基于变物性参数，在芸峰CAE平台上实现了流动模拟中的浇不足缺陷计算程序。为了判断模型的可靠性，与实际生产对比分析了采用两种糊状区模型的流动计算结果，进而证明了修正后的变粘度-多孔介质-临界固相率模型的准确性。

1 试验与工艺

基于铜合金水龙头件对浇不足缺陷进行数值模拟，铸造工艺采用低压铸造。图1为铸造的模具系统与浇不足缺陷示意图，模具系统包括模具、砂芯和升液管，模具材质为铜合金QCr0.5，砂芯材料为树脂砂，升液管材料为45钢，铸件材质为铜合金LTN60-1，预估铸件质量为6.5 kg。图1中铸件左侧产生了浇不足现象，工艺上推测是左侧铸件较薄、冷却较快，因而金属液较早达到了临界固相率，停止了流动；模拟上可选用不同的液固转变模型进行计算分析，从而对比判断模型在预测浇不足缺陷上的可靠性。

图1模具系统与浇不足缺陷

2 数值模拟分析

在铸造充型过程中，会发生液固转变现象，因而铸造模拟中需要考虑金属的糊状区行为。在凝固初期（固相率较低），枝晶间尚未形成有效连接，枝晶会跟随液相流动；在凝固中期（固相率中等），枝晶间初步连接，液相在枝晶间流动，小的枝晶也会随液相而流动；在凝固后期（固相率较高），枝晶间牢固连接，液相不再流动。

基于上述凝固的3个阶段，采用两种方式定义凝固初期和中期的糊状区流动模型：一是凝固初期和中期同时定义变粘度模型；二是凝固初期定义变粘度模型，凝固中期定义多孔介质模型。这就产生了两种组合模型：变粘度-临界固相率模型和变粘度-多孔介质-临界固相率模型。

根据上述流动计算模型，基于芸峰CAE平台完成了流动模拟中的浇不足缺陷计算程序。为了对比判断模型的准确性，分别采用变粘度-临界固相率与变粘度-多孔介质-临界固相率两种糊状区流动计算模型对图1中的模具系统进行低压铸造模拟，二者工艺参数设置等完全一致。

3 试验结果与讨论

采用变粘度-临界固相率的方法计算铜合金件低压铸造的流动状态时，金属液高度在充型过程中左低右高，这主要是由于左侧型腔厚度较小，冷却较快，金属液粘度更大。充型到80.5%时，流体前沿温度达到合金液相线温度，随着温度继续降低，流体粘度逐渐增大，因而流动阻力增大，但对左侧金属液的阻碍作用不明显；流体前沿的凝固达到临界固相率时，金属液停止流动，左侧型腔近乎充满，。

(a) 充型60.7%；(b) 充型80.5%；(c) 停止流动

图2 变粘度-临界固相率模型不同充型率下的流体温度

采用变粘度-多孔介质-临界固相率的方法计算铜合金件低压铸造的流动状态时，在充型过程中，铸件左右两侧的高度差距较大，左侧金属液流动较慢、液面较低。充型到79.2%时，流体前沿达到了液相线温度，流体粘度逐渐增大；流体前沿温度继续降低，固相率处于上、下临界固相率之间时，使用多孔介质模型处理糊状区的拖拽作用；流体前沿达到临界固相率时，金属液停止流动，显然模型预测铸件左侧存在浇不足缺陷。

(a) 充型60.7%；(b) 充型79.2%；(c) 停止流动

图3变粘度-多孔介质-临界固相率模型不同充型率下的流体温度

通过对上述两种糊状区模型的模拟结果与实际浇不足缺陷进行对比发现，采用变粘度-临界固相率模型时，最终的充型高度比实际生产要高，没有预测出铸件的浇不足缺陷，即变粘度模型在模拟糊状区枝晶的阻碍作用上有较大误差。而采用变粘度-多孔介质-临界固相率模型时，准确模拟出了铸造的浇不足缺陷。两种模型的差异主要在于中等固相率阶段的处理，明显地，仅仅靠增加粘度很难模拟出枝晶对金属液流动的影响，且粘度增加到一定程度会增加计算发散的风险，因而考虑多孔介质的模型对于浇不足缺陷的预测是更为可靠的。

(a) 变粘度-临界固相率模型；(b) 变粘度-多孔介质-临界固相率模型；(c) 实际浇不足缺陷

图4两种模型的模拟结果与实际结果对比

4 结论

详细介绍了变粘度-临界固相率与变粘度-多孔介质-临界固相率两种糊状区组合流动模型。修正了糊状区的变粘度-多孔介质-临界固相率模型，使其适用于铜合金，并基于变物性参数实现了铸造充型的浇不足缺陷计算程序。对比分析了变粘度-临界固相率模型与变粘度-多孔介质-临界固相率模型在计算铜合金低压铸造浇不足缺陷时模拟结果上的差异。实际生产表明，修正后的变粘度-多孔介质-临界固相率模型可以准确预测出铸件的浇不足缺陷，流动计算模型是更可靠的。

来源：吴棣 黄伟明 廖敦明 等.铜合金低压铸造中浇不足缺陷的数值模拟[J].特种铸造及有色合金，2021，41(1)：119-123.