基于a390铝合金连续拉棒制备的研究方法
阅读说明：本技术 基于a390铝合金连续拉棒制备的研究方法 (Research method for continuous pull rod preparation based on A390 aluminum alloy ) 是由 朱鑫涛 蒋海春 王富 吴子宁 朱玉棠 赵保解 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于金属合金拉棒铸造应用技术领域,具体公开了基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法,包括以下步骤,步骤1、相图研究,微观组织均匀性控制检测,热处理态的A390合金微观组织由初生Si相和(α+Si)共晶组成,其中Si相的形貌、尺寸和分布状态对零件的最终性能会产生巨大的影响,选取两种A390合金制作的零件进行合金微观组织检测。步骤2、数值模拟模型,通过数值模拟的方法研究A390铝合金圆锭DC半连续铸造过程的冷却速率在铸锭横截面上的分布,获得铸锭从表面到中心的凝固冷却速率分布是研究冷却速率与变质关系。本发明的有益效果在于：采用数值模拟分析A390铝合金圆锭的冷却速率分布,研究不同冷却速率下的变质效果,并提出铸造工艺改进。(The invention belongs to the technical field of metal alloy pull rod casting application, and particularly discloses a research method for preparation of an A390 aluminum alloy continuous pull rod, which comprises the following steps of 1, phase diagram research, microstructure uniformity control detection, a heat treatment state A390 alloy microstructure composed of a primary Si phase and (alpha + Si) eutectic, wherein the morphology, the size and the distribution state of the Si phase have great influence on the final performance of a part, and two parts made of A390 alloy are selected for alloy microstructure detection. And 2, a numerical simulation model is used for researching the distribution of the cooling rate of the A390 aluminum alloy round ingot DC semi-continuous casting process on the cross section of the ingot by a numerical simulation method, and the obtained solidification cooling rate distribution of the ingot from the surface to the center is the research on the relation between the cooling rate and the deterioration. The invention has the beneficial effects that: numerical simulation is adopted to analyze the cooling rate distribution of the A390 aluminum alloy round ingot, the deterioration effect under different cooling rates is researched, and the improvement of the casting process is provided.)
技术领域
本发明属于金属合金拉棒铸造应用技术领域，具体涉及基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法。
背景技术
随着新能源汽车时代的来临，受限于移动储能发展的瓶颈，对于汽车零部件轻量化的需求日益增加。
铝基过共晶合金因其具备可媲美铁基合金的力学性能，低密度和高的耐磨性等特点，逐渐被用于取代传统的铁基合金制备汽车零部件，以满足汽车整体轻量化的市场需。相比于常规铸件，不但比普通铸铁件轻，而且通过硅的球墨化消除了组织偏析，并通过固溶处理得到均匀的组织和细小的晶粒，能显著提高合金的力学性能和热工艺性能，被广泛应用于汽车行业，特别是汽车轻量化何新能源汽车的应用中。
高硅过共晶铝合金具有热膨胀系数小、体积稳定性高、高强耐磨、耐蚀性等优点，是替代汽车等交通工具发动机系统、空调系统和制动系统关键零部件用铁基材料的首选材料。A390铝合金是其高硅过共晶型一种铸造性能优异，通常采用DC(direct chill，DC)半连铸的工艺制备圆锭，再经过挤压、锻造等工序，制造斜盘及其他在高温条件下工作的零件。高硅铝合金由于其凝固潜热大，结晶范围宽，极易导致铸锭初生硅组织粗大，形貌差，组织不均匀，制备难度大，严重制约了高性能新能源汽车领域的发展。
A390铝合金的典型组织包括初生α-Al、Al-Si共晶组织以及少量Mg2Si、CuAl2及其他含Fe和Ni的复杂合金相。共晶硅的形态、大小和分布是影响合金力学性能尤其是伸长率的重要因素。未经变质的共晶硅呈粗大板条状或长针状，变质后的理想共晶硅组织为细小均匀的纤维状或颗粒状。对共晶硅的变质能显著改善A390铝合金的力学性能、耐磨性、电学性能和导热性能等。因此，在A390铝合金生产过程中变质处理是非常重要的一道工序。
目前工业生产中广泛采用的方法是在熔体中加入变质剂对A390铝合金进行变质处理，这是因为加入变质剂的方法具有变质效果稳定、可操作性强、无需额外增加设备等优点，适合于工业化生产。常用的变质剂有钠(Na)、锶(Sr)、锑(Sb)、钙(Ca)、钡(Ba)、稀土变质剂对共晶硅的变质效果，与凝固冷却速率密切相关。在变质剂添加量相同的条件下，冷却速率越高，共晶硅组织越细小，变质效果越好，并且各变质元素对冷却速率的敏感性有明显差异。由于冷却速率对共晶硅变质的影响，要获得变质效果良好、组织均匀的高质量铸锭，对铸锭在铸造时的冷却速率进行研究十分必要。尤其是在DC半连续铸造生产大规格铸锭时，在铸锭横截面不同位置的冷却速率相差较大。。
因此，基于上述问题，本发明提供基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法，采用数值模拟分析A390铝合金圆锭的冷却速率分布，研究不同冷却速率下的变质效果。
技术方案：本发明的基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法，包括以下步骤，步骤1、相图研究，微观组织均匀性控制检测，热处理态的A390合金微观组织由初生Si相和(α+Si)共晶组成，其中Si相的形貌、尺寸和分布状态对零件的最终性能会产生巨大的影响，选取两种A390合金制作的零件进行合金微观组织检测。步骤2、数值模拟模型，通过数值模拟的方法研究A390铝合金圆锭DC半连续铸造过程的冷却速率在铸锭横截面上的分布，获得铸锭从表面到中心的凝固冷却速率分布是研究冷却速率与变质关系。
本技术方案的，所述步骤1中，选取日本生产的A390零件、国产A390合金试制零件进行检测。
本技术方案的，所述步骤2中，模型取固相率fs＝0.3作为区分浆状区和糊状区的分界点，此时的温度定义为凝固搭接温度Tcoh，此温度以上为浆状区，此温度以下为糊状区；按照DC半连铸过程中流场与温度场之间的强耦合关系，采用Fluent软件建立DC半连续铸造非稳态流场温度场耦合模型，将两相区分为浆状区(slurry zone)和糊状区(mushyzone)两部分，在浆状区材料行为更接近于流体，在糊状区材料行为更接近于固体；冷却速率为合金凝固搭接温度Tcoh至固相线温度Ts区间的平均冷却速率，Rc＝ΔT＝Tcoh-Ts；Δttcoh-ts；式中：Rc为冷却速率，K/s；ΔT为温度差值，K；Δt为时间差值，s；Tcoh为凝固搭接温度，K；Ts为固相线温度，K；tcoh为温度降至凝固搭接温度的时间，s；ts为温度降至固相线温度的时间。
与现有技术相比，本发明的基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法的有益效果在于：采用数值模拟分析A390铝合金圆锭的冷却速率分布，研究不同冷却速率下的变质效果，并提出铸造工艺改进建议。
附图说明
图1是两种A390合金制作的零件(传统铸造方法)进行合金微观组织示意图；
图2是半固态铸锭示意图；
图3是本发明的基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法的主要边界条件示意图；
图4是二次冷却水的换热系数设置示意图；
图5、图6和图7是利用本方法铸造的零件与日本A390合金制作的零件进行比对的示意图；
图8是硬度分析比对示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明的基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法，包括以下步骤，步骤1、相图研究，微观组织均匀性控制检测，热处理态的A390合金微观组织由初生Si相和(α+Si)共晶组成，其中Si相的形貌、尺寸和分布状态对零件的最终性能会产生巨大的影响，选取两种A390合金制作的零件进行合金微观组织检测(如图1、图5、图6和图7所示)。步骤2、数值模拟模型，通过数值模拟的方法研究A390铝合金圆锭DC半连续铸造过程(如图2所示)的冷却速率在铸锭横截面上的分布，获得铸锭从表面到中心的凝固冷却速率分布是研究冷却速率与变质关系。
本发明的基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法优选的，所述步骤1中，选取日本生产的A390零件、国产A390合金试制零件进行检测。
本发明的基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法优选的，所述步骤2中，模型取固相率fs＝0.3作为区分浆状区和糊状区的分界点，此时的温度定义为凝固搭接温度Tcoh，此温度以上为浆状区，此温度以下为糊状区；按照DC半连铸过程中流场与温度场之间的强耦合关系，采用Fluent软件建立DC半连续铸造非稳态流场温度场耦合模型，将两相区分为浆状区(slurry zone)和糊状区(mushy zone)两部分，在浆状区材料行为更接近于流体，在糊状区材料行为更接近于固体；冷却速率为合金凝固搭接温度Tcoh至固相线温度Ts区间的平均冷却速率，Rc＝ΔT＝Tcoh-Ts；Δt tcoh-ts；式中：Rc为冷却速率，K/s；ΔT为温度差值，K；Δt为时间差值，s；Tcoh为凝固搭接温度，K；Ts为固相线温度，K；tcoh为温度降至凝固搭接温度的时间，s；ts为温度降至固相线温度的时间。
实施例
本发明的基于A390铝合金连续拉棒制备的研究方法的主要边界条件如下(如图3所示)：
1：对称边界；
2：入口边界，设置为铝液入口速度(单位：m/s)和浇注温度(单位：K)；
3：热顶区，相对于水冷模具的换热量，热顶部分散热量较小，可忽略不计，
设置为绝热边界；
4：一冷换热区，设置一次冷却水区模具与铸锭之间的界面换热系数h，单
位为W·(m2·K)–1，
在一冷换热区，铸锭与模具之间的换热系数h随着固相率f的变化而变化，当fs为0时，液相与模具之间的接触良好，此时换热系数为最高值；当固相率fs达到100％即完全凝固时，铸锭与模具之间由于凝固收缩产生“气隙”，两者之间的换热系数降低至最低值，h1＝3000×(1-fs)+50×fs；5：二冷换热区，设置二次冷却水与铸件之间的喷水冷却换热系数h，单位为W·(m2·K)–1，出口边界，设置底座的移动速度即铸造速度以及底座与环境的综合换热系数h3。在二冷换热区，在不同的铸锭温度区间，二次冷却水与铸锭之间的换热机制不同，高温区间沸腾换热机制起作用，低温区间对流换热机制起作用，该处边界的换热作简化处理，设定综合换热系数：h为恒定值500W·(m2·K)–1，二次冷却水的换热系数设置(如图4所示)；
结果与分析：在相同的DC半连续铸造工艺条件下，随着铸锭直径的增大，在铸锭表面至距表面60mm范围内，仍然能保持在4K/s以上的高冷却速率，但铸锭心部的冷却速率显著降低。
Φ120mm铸锭在铸锭中心处的最低冷却速率也高达4.1K/s，300mm铸锭则降低为1.9K/s，而φ500mm铸锭则进一步降低为1.0K/s。
由于铸锭直径越大，内部的热量通过已凝固金属传输至表面的传热热阻越大液相线温度Tl、搭接温度Tcoh、固相线温度Ts的等温线描述液穴形貌。由液穴形貌可知，随着铸锭直径增大，液穴逐渐变深，同时固相线温度Ts的等温线的斜率变大，液相线温度Tl、搭接温度Tcoh、固相线温度Ts的等温线之间的距离变大，表明凝固时间增大。
φ120mm铸锭尺寸相对较小，从铸锭表面至中心的冷却速率差异不大，从铸锭表面至铸锭中心处，冷却速率仅从4.7K/s降至4.1K/s。φ300mm、φ500mm铸锭的冷却速率在横截面上的分布规律一致。从铸锭表面至次表层冷却速率迅速增大，在次表层达到最大值，从次表层至心部冷却速率随着距表面距离的增大逐渐降低，这是因为铸锭表面至次表层的这部分金属是在模具区完成凝固形成坯壳，由于冷却水通过模具间接作用，特别是表层凝固后由于凝固收缩坯壳与模具之间迅速形成“气隙”，冷却强度不大；而随着铸锭下移，二次冷却水直接作用于铸锭坯壳，此时冷却强度最大，对应的凝固前沿位置即冷却速率最高的铸锭次表层；从铸锭次表层至铸锭中心，随着铸锭直径的增大，铸锭内部热量需通过表层已凝固坯壳的热传导传输到表面，再通过表面冷却水散热，因而内部金属的冷却强度随着距离表面距离的增大而减小。
相同的DC半连续铸造工艺条件下，随着铸锭直径的增大，在铸锭表面至距表面60mm范围内，仍然能保持在4K/s以上的高冷却速率，但铸锭心部的冷却速率显著降低。Φ120mm铸锭在铸锭中心处的最低冷却速率也高达4.1K/s，φ300mm铸锭则降低为1.9K/s，而φ500mm铸锭则进一步降低为1.0K/s。由于铸锭直径越大，内部的热量通过已凝固金属传输至表面的传热热阻越大，因此铸锭内部的冷却速率越低。
上述的模拟拉棒速度为100mm/min，当拉棒的棒子直径在50mm-500mm之间时，水的换热对合金微观组织的影响不大，超过500mm对合金微观组织具有明显影响；而当拉棒的棒子直径在50mm-120mm之间时，对合金微观组织具有明显影响的是向下拉的速度和浇筑的温度，即要取得良好的合金微观组织(初生Si相和(α+Si)共晶)，比预设温度要提高30-40摄氏度。
如图5、图6和图7所示是利用本方法铸造的零件与日本A390合金制作的零件进行比对的示意图。如图8所示是硬度分析比对，(1)A390铝合金圆锭半连铸过程中，从铸锭表面至中心，冷却速率整体呈下降趋势，随着铸锭尺寸的增大，铸锭中心部分的冷却速率则显著降低；(2)采用Sr作为共晶硅变质剂，冷却速率对变质效果的影响显著，在冷却速率高于2K/s的条件下，Sr变质可获得较高的共晶硅变质效果；(3)在本研究范围内，对φ50mm-φ120mm铸锭的冷却速率分布的影响程度最大的工艺参数是铸造速度，浇注温度次之，冷却强度的影响最小，但铸造速度也仅影响距离铸锭表面小于R/2以内的冷却速率分布，而对铸锭内部的影响非常有限，无法显著提高铸锭心部的冷却速率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
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