[发明专利]模拟铝铸件中的氧化物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及预测铝铸件中的铝氧化物，更具体地，涉及模拟和预测在充模过程中形成的铝新(young)氧化物的尺寸和体积分数的方法和技术。

背景技术

当暴露于包含氧气的大气中时，氧化物膜在铝合金上形成。具体地，铝在空气(反应式(1))或水分(反应式(2和3))的存在下容易氧化，在任何暴露的铝金属表面，包括液体和固体表面上迅速形成薄的、强的保护性氧化物膜。

4Al + 3O₂→ 2Al₂O₃(1)

3H₂O + 2Al → Al₂O₃ + 3H₂ (2)

H₂→ 2[H]_熔体(3)。

因为铝氧化物热力学非常稳定，它通常存在于所有铝合金中。因此，任何炉料包含不可避免的量的氧化铝作为典型的涂层，构成外来夹杂物来源。在铸造工艺的充模过程中，当熔体前沿的自由表面接触空气时，特别是当液体熔体速度产生湍流时，形成额外的铝氧化物。往往将已存在于熔融炉中的氧化物（称为“老氧化物”）和在充模过程中生成的那些（称为“新氧化物”）加以区分Campbell, J., Castings, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2003；Q.G. Wang,C.J. Davidson, J.R. Griffiths,和P.N. Crepeau,“Oxide Films,Pores 和 The Fatigue Lives of Cast Aluminum Alloys”, Metall. Mater. Trans. 第37B (2006)卷，第887-895页。对于新氧化物，夹带的原因被记述为“表面湍流”，表示现象，如两个或更多个流动前沿结合在一起(双层氧化膜(bifilms)、流痕、褶皱和冷隔)，液体的表面积收缩(氧化物表面折叠)，或气泡穿过液体。

新氧化物比老氧化物对材料性能更有害。由于新氧化物中干侧对干侧折叠的氧化物膜之间缺乏润湿，夹带的氧化物在凝固过程中展开，并且就像凝固中的铝铸件中的空隙或裂缝一样。这些裂缝不仅可以是孔形成的初始位置，而且也可以被冻成固体，并且可以显著降低铸件的拉伸和疲劳强度。双层氧化膜也可以引起热撕裂。夹带的氧化物被认为会增加熔体粘度，从而减小流动性，从而对铸件的注入有负面影响。表面氧化物皮会显著增加熔体的表面张力，并增加形成冷隔、流痕、滞流的可能性。

在许多情况下，如高压压铸，容易发生铝熔体的湍流。如果液态金属的速度在该流中的一些点上足够高以致在重力下落回并包埋其自己表面的一部分，则会出现包埋的新氧化物的问题。对于Al、Mg、Ti和Fe合金该临界速度被认为是0.45m/s-0.5 m/s。Campbell, J., Castings, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2003。可取的是保持在该临界速度下以显著减少铸件中的氧化物的数量。然而，在重力铸造工艺中，浇注杯或直浇口中的速度很容易超过0.5 m/s。由此甚至在金属进入铸造或流道系统之前氧化物就形成了。这些氧化物会被带到铸造中并且与在流道或铸造腔中形成的氧化物具有同样不利的影响。低压铸造工艺提供对填充速度的改进的控制，因此通常减少了氧化物形成。然而，在浇口中的速度仍然可能超过0.5 m/s，导致夹带的氧化物的形成。

为了最小化并最终消除最终铸铝产品中的氧化物，期望预测铸铝零件中的氧化物缺陷以能够开发优化的浇口/冒口系统、过滤和填充剖面(fill profile)。

尽管有强烈的实际需要来模拟和预测在充模过程中形成的铝新氧化物的大小和体积，但还没有报道可靠的方法或技术。

发明内容

鉴于上述和其他问题，本公开包括本发明的特征，其使得能够在充模过程中预测和模拟氧化物形成。

根据本发明的一个实施方案，提供了模拟铝铸件中的铝氧化物缺陷的方法，其包括确定铝熔体中的多个铝颗粒的自由表面积，存储每个铝颗粒的自由表面积，跟踪充模过程中的自由表面积变化，和基于充模过程中的自由表面积变化计算夹带的或表面的氧化物膜的总面积。