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如何理解压铸过程中的气穴现象?

发布时间:1608353019 点击次数:664次

在压铸生产过程中,熔融金属与模具之间会不断发生流动和传热的相互作用。这些相互作用过程会对模具造成不同程度的损伤,影响其使用寿命。我们把这种互动的失败过程称为“侵蚀”,即逐渐入侵和恶化的过程。

一、我们可以将压铸侵蚀大致分为三种:冲蚀、气蚀和直接腐蚀。侵蚀的类型根据侵蚀泉和类型的不同

这种腐蚀在直接腐蚀是指金属液与模具质料接触后发生化学反映时发生的腐蚀一般是由于空腔外表缺少屏蔽层。压铸金属直接渗透到模具外观中,而模具外观上的金属元素(铁)也扩散到压铸金属中。在这些过程中,金属间化合物出现在模具外观和压铸金属之间。

冲蚀又称冲刷一般指金属液在充型历程中由于速渡过高而形成紊流直接冲刷型腔外貌而造成破坏的现象。侵蚀主要分为液体冲击侵蚀和固体颗粒侵蚀。其中,液蚀是由于液体对型腔外观的影响而产生的具有偏向特性(各向异性)的局部蚀坑。固体颗粒的侵蚀是指熔融金属中可能含有的固体颗粒,如夹杂物、金属间化合物和预结晶颗粒的侵蚀和磨损。

气蚀又称为空蚀或穴蚀是指金属液在高速流动和压力变化下在型腔外貌上发生窟窿状腐蚀破坏的现象。气蚀过程中形成的空穴在高压区被压碎并产生撞击力(锤击),这直接损害空穴外观并加速腐蚀速率。气蚀的特点是在金属表面形成许多微小的凹坑,然后逐渐扩展成“孔洞”。

图1压铸模具外观综合失效行为

二、空化形成的基本原因化学腐蚀和冲蚀的原理比力更容易理解。接下来的问题是空化形成的根本原因。我们可以接受什么手段来控制空化的形成?

在流动的液体中,当政府部门的压力由于某种原因突然降到液体的汽化压力以下时,液体就会汽化。此时,溶解在液体中的气体逸出并形成气泡(或液泡)。这个过程叫做而气蚀由于空化自己到场并促进了腐蚀因此是相对特殊的。.

当气泡随液流进入压力较高的区域时,气泡急剧收缩,突然坍缩,原气泡周围的液体运动导致局部压力突然增大。如果液流中不断形成和生长的液泡在固体壁周围频繁坍塌,壁就会受到巨大压力的反复打击,造成材料的疲劳损伤甚至外观侵蚀。可以看出,空化和压力变化的剧烈程度直接决定了泡沫的破坏力。在一定程度上,压力变化的尺度越大,气泡的空化能力越大。

事实上,现有的对气泡空化行为的分析大多是理论分析,而在实验中可以观察到的空化现象是基于特定场景的气蚀的本质是在压力变化下气泡收缩、溃灭发生的力或能量对型腔外貌的损坏。

事实上,研究液体中气泡的空化行为主要是研究压力变化时气泡与金属壁的相互作用行为。而且险些所有实验或认识都是基于水中气泡的动力学行为而针对金属液内部气泡或空化行为的研究则很是有限。一般来说,我们可以将气泡的综合行为等同于外部压力的影响,然后将气泡的破坏作用等同于该压力对壁的影响。

我们在研究中发现在变化压力作用下气泡会发生周期性的膨胀和收缩在此历程气泡会联动周围流体一起对金属壁面发生“破坏”行为。,直径约为150微米的气泡在气泡边缘会产生-30kPa的负压,压力的降低会导致金属的熔点下降,使空腔的外观更容易被腐蚀。同时,我们也发现气泡对金属壁的压力损伤效应接近于“啃咬”,而不是我们一直理解的瞬时损伤。

图2

81a5054292aaadbb08c24bd6c8.gif">▲图3

通过数值模拟技术我们可以模拟并选取最优的充填速度工艺和一连铸造节奏在尽可能大的水平上减小充型和凝固历程引发的模具侵蚀并提高模具寿命。

所谓的“蚕食”指的是气泡是在和型腔外貌接触中不停地将金属侵蚀掉而不是瞬间将金属打断。从这个角度讲气泡或空化对金属的破坏更靠近于疲劳损伤而不是脆性断裂。固然从时间跨度上讲单个气泡的“蚕食”历程连续的时间很是短约为0.1ms左右可是却足以在金属外貌上形成一个“麻点”而这个麻点在后续的历程中会更容易引起新的气泡的驻留(由于曲率效应)和继续“蚕食”因此在铸型外貌一旦形成了初始的“麻点”那么后续的气蚀速度就会加速。

三、如何控制气蚀的形成

对于模具来讲气蚀是有害的但实际上我们可以凭据气蚀的特点来优化产物的生产工艺。典型的应用场景就是超声破碎工艺:在一个金属液熔池中接纳超声探头不停发生气泡并使用周期压力变化使得气泡不停收缩和膨胀从而发生对凝固组织的破碎和细化效果。在超生破碎中破碎的组织一般是初生相也就是枝晶有时也包罗共晶组织。接纳超声气泡破碎凝固微观组织其原理和气蚀对模具型腔外貌的破坏作用类似都是使用了气泡空化历程发生的“等效压力”的作用。

▲图4

▲图5

▲ 接纳高速摄像仪拍摄的气泡对晶体的破坏行为通过提高视频时间分辨率(图5更高)可以看出这种破坏是基于疲劳损伤而非机械折断

对于压铸来讲金属液内部在充型中的压力变化是很是猛烈的这包罗金属液在冲头作用下高速充填型腔的历程也包罗后续的增压历程。在这两个交替历程中金属液发生的气泡会不停地被压缩、溃灭从而发生足够的破坏力并引发模具的气蚀以及冲蚀。因此我们需要在压铸中思量种种因素对模具侵蚀的影响包罗模具质料、模具润滑、模具外貌处置惩罚(如氧化处置惩罚)以及金属液压射速度、金属液温度和合金化学身分等。

结业于清华大学(本、博)牛津大学、英国皇家学会研究会员恒久从事数字化工业方面的研究包罗高性能算法、高能X射线检测、图像处置惩罚以及相关工业领域的质料和焦点工艺开发等立志缔造有国际竞争力的自主化CAE软件挣脱国际垄断提升和振兴民族工业水平。

作者:郭志鹏

▲接纳高速摄像仪拍摄的气泡与固体之间的交互历程(拍摄频率为1秒80000帧)形貌了压力变化下气泡对固体的不停“蚕食” (图2视频为放慢后1秒播放100帧图3视频为放慢后1秒播放25帧)