累积铸造新方法及其数值仿真研究

摘要

本论文重点研究累积铸造新方法，该方法先在型腔中放置金属预制芯部，然后向型腔中浇入金属液，冷凝后获得铸件，其中的预制芯部和后续浇注的金属可以是相同（相近）金属，也可以是不同金属。当预制芯部和后续浇注的金属是相同（相近）金属时，以加快金属液冷凝速度、调节铸件凝固顺序、提升铸件组织性能为主要目的；当预制芯部和后续浇注的金属是不同金属时，以获得双（多）金属复合铸件为主要目的。　　国内外均有累积铸造方面的相关研究，制备了金属铝和金属铜、高铬铸铁和碳钢、硬质合金和高锰钢等复合铸件。其关键是浇注的金属液与芯部之间的界面牢固结合。　　本论文在收集整理利用国内外相关文献的基础上，以论文作者团队的发明专利申请《一种铸造厚壁件的方法》为主线，重点研究了累积铸造新方法设计、典型形状及材质累积铸造数值仿真等，主要结果如下：　　①研究分析了方形、圆柱形、球形型腔中预制不同形状芯部累积铸造工艺特点。数值仿真结果表明：各种形状的型腔中，无论芯部预制形状是同类，还是不同类，都能通过调整芯部体积，获得无（少）缺陷的铸件；相对而言，球形芯部较圆柱形、方形芯部更易于获得无（少）缺陷的铸件；预制芯部和后续浇注的金属是相同（相近）金属时，芯部体积占整个铸件的20~25%为宜。　　②累积铸造中，精细调节预制芯部的形状、体积、位置、初始温度等，可以实现铸件的快速冷凝并获得高收得率。数值仿真结果表明：在φ150mm*150mm圆柱形型腔中预置上部钟形、下部飞碟形芯部，芯部初始温度25℃，浇注1360℃灰口铸铁后，铸件凝固时长1345s，仅为常规顶冒口铸造的39%，铸件收得率71%，较常规顶冒口铸造高出23%，未见铸造缺陷。　　③探索了累积铸造制备铝合金包覆镁合金复合铸件。数值仿真表明：以圆台形AZ91D镁合金为预制芯部，φ150mm*150mm圆柱形为铸型，浇注660℃的AC7B铝合金后，AZ91D镁合金芯部的表层温度可升至510℃左右，进入AZ91D镁合金固液两相区温度区间，具备界面冶金强结合的可行性。

目录

1 绪论

1.1.1 汽车轻量化的重要意义

1.1.2 汽车铸件的轻量化

1.2 厚大件铸造方法现状与趋势

1.3 异种金属复合现状与趋势

1.3.1 金属界面结合理论

1.3.2 异种金属液-液复合

1.3.3 异种金属固-液复合

1.3.4 异种金属固-固复合

1.4 研究目的及意义

2 累积铸造新方法设计及典型形状铸件铸造工艺数值仿真

2.1.1 累积铸造新方法释义

2.1.2 累积铸造新方法实施途径

2.2.1 数值仿真方案

2.2.2 方形铸件累积铸造工艺数值仿真

2.2.3 圆柱形铸件累积铸造工艺数值仿真

2.2.4 球形铸件累积铸造工艺数值仿真

2.3 本章小结

3 实现快速冷凝及高收得率的累积铸造工艺设计

3.1.1 铸件结构设计

3.1.2 铸造工艺数值仿真结果及分析

3.2.1 常规顶冒口铸造工艺设计

3.2.2 常规顶冒口铸造数值仿真结果及分析

3.2.3 累积铸造与常规顶冒口铸造方法的对比分析

3.3 本章小结

4 累积铸造铝合金包覆镁合金复合铸件数值仿真

4.1 铝合金包覆镁合金复合铸件结构及铸造工艺设计

① 铝合金包覆镁合金复合铸件结构设计

② 铝合金包覆镁合金复合铸件累积铸造工艺方案设计

4.2 铝合金包覆镁合金复合铸件累积铸造工艺数值仿真

① 充型过程预测

② 凝固时间预测

③ 铸造缺陷预测

④ 预制芯部不同位置时间-温度图预测

5 总结与展望

参考文献

附录

A. 学位论文数据集

致谢