金屬型微精密鑄造工藝的研究

楊闖+

摘要：本文基于微鑄造工藝，采用金屬型模具，以鋅合金(Zn-

Al-Cu)為研究材料，應(yīng)用離心鑄造方法制備微尺度拉伸工件。微尺度拉伸工件長(zhǎng)度4mm，最小寬度為0.2mm，最小厚度為100μm。最終3個(gè)微尺度拉伸工件都沒(méi)有完全成形，據(jù)此，金屬型微精密鑄造工藝的成形能力亟待提高，各工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：微精密鑄造金屬型鋅合金

1 概述

現(xiàn)代社會(huì)業(yè)已進(jìn)入了科學(xué)與技術(shù)高速發(fā)展的全新階段，傳統(tǒng)的鑄造方法已不能夠滿足高精密的快速材料制備領(lǐng)域，新型鑄造方法逐漸嶄露頭角。微鑄造工藝作為一種新型技術(shù)，發(fā)展時(shí)間較短。最早由德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心開(kāi)發(fā)[1-4]，該工藝不僅可以滿足尺寸精度要求，且可以極大地改善鑄件質(zhì)量，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)工件快速制造，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了現(xiàn)有鑄造方法的不足。國(guó)內(nèi)對(duì)于微鑄造的研究尚屬于起步階段，上海大學(xué)[5]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[6]都對(duì)該工藝進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，但都沒(méi)有達(dá)到理想的效果，要達(dá)到實(shí)用化目的還有很長(zhǎng)的路要走。

本論文基于微鑄造工藝，應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的金屬型模具，采用離心鑄造技術(shù)制備微尺度合金拉伸件，進(jìn)而確定離心金屬型微精密鑄造工藝。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)材料采用鋅合金(Zn-Al-Cu)合金，合金成份如表1所示。該合金作為常用的工業(yè)壓鑄合金，具有良好的鑄造性能及優(yōu)異的綜合性能。

表1試驗(yàn)中鋅合金實(shí)際成份

■

試驗(yàn)設(shè)備采用改裝的液態(tài)金屬離心微成形系統(tǒng)，如圖1所示[7]。

■

圖1液態(tài)金屬離心微成形系統(tǒng)示意圖[7]

2.2 試驗(yàn)方法

基于微鑄造的工藝，本文采用離心鑄造的方法，即將液態(tài)金屬澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型里，在離心力作用下充型并凝固成鑄件的鑄造方法。

本試驗(yàn)采用的微精密鑄造工藝可以分成幾步：第一

步，金屬鑄型的加工。如圖1中所示，工件最終在圖1中D，即金屬型中成形。為了研究微精密鑄造工藝，金屬模具設(shè)計(jì)有三個(gè)微拉伸工件，示意圖如圖2所示。其中三種不同厚度的微拉伸工件，分別為100μm、200μm和300μm，工件尺寸如圖2所示。第二步，模具安裝。將金屬鑄型裝入石墨模具中，安裝好模具，對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為280℃。第三步，液態(tài)金屬離心澆注過(guò)程。鋅合金放入陶瓷坩堝，通過(guò)電阻爐加熱熔化，加熱溫度為440℃，并保溫60min，使其充分熔化，并保證成份恒定。離心轉(zhuǎn)速分別為2700rpm，3000rpm和3300rpm。待金屬加熱到指定溫度，轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，立即把熔融的金屬注入帶有金屬鑄型的石墨模具中。第四步，取出金屬鑄型。待冷卻到室溫，打開(kāi)金屬鑄型，取出微拉伸工件。

■

圖2模具內(nèi)工件示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)制備的工件屬于微尺度拉伸件，長(zhǎng)度為4mm，最小寬度為0.2mm，最小厚度為100μm。通過(guò)模具預(yù)熱溫度280℃，離心系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3300rpm，把溫度為440℃液態(tài)金屬澆入旋轉(zhuǎn)模具中，制備的工件如圖3所示。

由圖3中可以看出，厚度為300μm拉伸件成形一部分，長(zhǎng)度達(dá)到3mm，厚度為200μm，拉伸件成形長(zhǎng)度也達(dá)到2.5mm，而厚度為100μm拉伸件幾乎沒(méi)有成形。

4 結(jié)論

金屬型微精密鑄造工藝在模具預(yù)熱溫度280℃，離心轉(zhuǎn)速3300rpm，澆鑄溫度為440℃的工藝條件下，300μm厚拉伸件成形長(zhǎng)度3mm，200μm厚拉伸件成形長(zhǎng)度2.5mm，而100μm厚拉伸件沒(méi)有成形。3個(gè)工件都沒(méi)有完全成形，由此，金屬型微精密鑄造工藝的成形能力亟待提高，各工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]G.Bumeister,K.Mueller,R.Ruprech and J.Haussel.Production of Metallic High Aspect Ratio Microstructures by Microcasting.Microsystem Technologies. 2002,8:105-108.

[2]G.Bumeister,R.Ruprech and J.Haussel.Microcasting of Parts Made of Metal Alloys.Microsystem Technologies. 2004,10:261-264.

[3]G.Bumeister,R.Ruprech and J.Haussel.Replication of LIGA Structures using Microcasting.Microsystem Technologies. 2004,10:484-488.

[4]G.Baumeister,S.Rath and J.Hausselt.Microcasting of Al Bronze and a Gold Base Alloy Improved by Plaster-bonded Investment. Microsystem Technologies. 2006,12(8):773-777.

[5]李海斌，翟啟杰.微鑄造技術(shù)[J].現(xiàn)代鑄鐵，2004，24(2)：1-3.

[6]李邦盛，任明星，傅恒志.微精密鑄造工藝研究進(jìn)展[J].鑄造，2007，56(7)：673-678.

[7]楊闖.微熔模精鑄過(guò)程微尺度成形及充型流動(dòng)規(guī)律研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010:90.

基金項(xiàng)目：黑龍江工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助

（201311802090）。

endprint

摘要：本文基于微鑄造工藝，采用金屬型模具，以鋅合金(Zn-

Al-Cu)為研究材料，應(yīng)用離心鑄造方法制備微尺度拉伸工件。微尺度拉伸工件長(zhǎng)度4mm，最小寬度為0.2mm，最小厚度為100μm。最終3個(gè)微尺度拉伸工件都沒(méi)有完全成形，據(jù)此，金屬型微精密鑄造工藝的成形能力亟待提高，各工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：微精密鑄造金屬型鋅合金

1 概述

現(xiàn)代社會(huì)業(yè)已進(jìn)入了科學(xué)與技術(shù)高速發(fā)展的全新階段，傳統(tǒng)的鑄造方法已不能夠滿足高精密的快速材料制備領(lǐng)域，新型鑄造方法逐漸嶄露頭角。微鑄造工藝作為一種新型技術(shù)，發(fā)展時(shí)間較短。最早由德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心開(kāi)發(fā)[1-4]，該工藝不僅可以滿足尺寸精度要求，且可以極大地改善鑄件質(zhì)量，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)工件快速制造，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了現(xiàn)有鑄造方法的不足。國(guó)內(nèi)對(duì)于微鑄造的研究尚屬于起步階段，上海大學(xué)[5]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[6]都對(duì)該工藝進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，但都沒(méi)有達(dá)到理想的效果，要達(dá)到實(shí)用化目的還有很長(zhǎng)的路要走。

本論文基于微鑄造工藝，應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的金屬型模具，采用離心鑄造技術(shù)制備微尺度合金拉伸件，進(jìn)而確定離心金屬型微精密鑄造工藝。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)材料采用鋅合金(Zn-Al-Cu)合金，合金成份如表1所示。該合金作為常用的工業(yè)壓鑄合金，具有良好的鑄造性能及優(yōu)異的綜合性能。

表1試驗(yàn)中鋅合金實(shí)際成份

■

試驗(yàn)設(shè)備采用改裝的液態(tài)金屬離心微成形系統(tǒng)，如圖1所示[7]。

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圖1液態(tài)金屬離心微成形系統(tǒng)示意圖[7]

2.2 試驗(yàn)方法

基于微鑄造的工藝，本文采用離心鑄造的方法，即將液態(tài)金屬澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型里，在離心力作用下充型并凝固成鑄件的鑄造方法。

本試驗(yàn)采用的微精密鑄造工藝可以分成幾步：第一

步，金屬鑄型的加工。如圖1中所示，工件最終在圖1中D，即金屬型中成形。為了研究微精密鑄造工藝，金屬模具設(shè)計(jì)有三個(gè)微拉伸工件，示意圖如圖2所示。其中三種不同厚度的微拉伸工件，分別為100μm、200μm和300μm，工件尺寸如圖2所示。第二步，模具安裝。將金屬鑄型裝入石墨模具中，安裝好模具，對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為280℃。第三步，液態(tài)金屬離心澆注過(guò)程。鋅合金放入陶瓷坩堝，通過(guò)電阻爐加熱熔化，加熱溫度為440℃，并保溫60min，使其充分熔化，并保證成份恒定。離心轉(zhuǎn)速分別為2700rpm，3000rpm和3300rpm。待金屬加熱到指定溫度，轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，立即把熔融的金屬注入帶有金屬鑄型的石墨模具中。第四步，取出金屬鑄型。待冷卻到室溫，打開(kāi)金屬鑄型，取出微拉伸工件。

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圖2模具內(nèi)工件示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)制備的工件屬于微尺度拉伸件，長(zhǎng)度為4mm，最小寬度為0.2mm，最小厚度為100μm。通過(guò)模具預(yù)熱溫度280℃，離心系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3300rpm，把溫度為440℃液態(tài)金屬澆入旋轉(zhuǎn)模具中，制備的工件如圖3所示。

由圖3中可以看出，厚度為300μm拉伸件成形一部分，長(zhǎng)度達(dá)到3mm，厚度為200μm，拉伸件成形長(zhǎng)度也達(dá)到2.5mm，而厚度為100μm拉伸件幾乎沒(méi)有成形。

4 結(jié)論

金屬型微精密鑄造工藝在模具預(yù)熱溫度280℃，離心轉(zhuǎn)速3300rpm，澆鑄溫度為440℃的工藝條件下，300μm厚拉伸件成形長(zhǎng)度3mm，200μm厚拉伸件成形長(zhǎng)度2.5mm，而100μm厚拉伸件沒(méi)有成形。3個(gè)工件都沒(méi)有完全成形，由此，金屬型微精密鑄造工藝的成形能力亟待提高，各工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]G.Bumeister,K.Mueller,R.Ruprech and J.Haussel.Production of Metallic High Aspect Ratio Microstructures by Microcasting.Microsystem Technologies. 2002,8:105-108.

[2]G.Bumeister,R.Ruprech and J.Haussel.Microcasting of Parts Made of Metal Alloys.Microsystem Technologies. 2004,10:261-264.

[3]G.Bumeister,R.Ruprech and J.Haussel.Replication of LIGA Structures using Microcasting.Microsystem Technologies. 2004,10:484-488.

[4]G.Baumeister,S.Rath and J.Hausselt.Microcasting of Al Bronze and a Gold Base Alloy Improved by Plaster-bonded Investment. Microsystem Technologies. 2006,12(8):773-777.

[5]李海斌，翟啟杰.微鑄造技術(shù)[J].現(xiàn)代鑄鐵，2004，24(2)：1-3.

[6]李邦盛，任明星，傅恒志.微精密鑄造工藝研究進(jìn)展[J].鑄造，2007，56(7)：673-678.

[7]楊闖.微熔模精鑄過(guò)程微尺度成形及充型流動(dòng)規(guī)律研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010:90.

基金項(xiàng)目：黑龍江工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助

（201311802090）。

endprint

摘要：本文基于微鑄造工藝，采用金屬型模具，以鋅合金(Zn-

Al-Cu)為研究材料，應(yīng)用離心鑄造方法制備微尺度拉伸工件。微尺度拉伸工件長(zhǎng)度4mm，最小寬度為0.2mm，最小厚度為100μm。最終3個(gè)微尺度拉伸工件都沒(méi)有完全成形，據(jù)此，金屬型微精密鑄造工藝的成形能力亟待提高，各工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：微精密鑄造金屬型鋅合金

1 概述

現(xiàn)代社會(huì)業(yè)已進(jìn)入了科學(xué)與技術(shù)高速發(fā)展的全新階段，傳統(tǒng)的鑄造方法已不能夠滿足高精密的快速材料制備領(lǐng)域，新型鑄造方法逐漸嶄露頭角。微鑄造工藝作為一種新型技術(shù)，發(fā)展時(shí)間較短。最早由德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心開(kāi)發(fā)[1-4]，該工藝不僅可以滿足尺寸精度要求，且可以極大地改善鑄件質(zhì)量，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)工件快速制造，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了現(xiàn)有鑄造方法的不足。國(guó)內(nèi)對(duì)于微鑄造的研究尚屬于起步階段，上海大學(xué)[5]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[6]都對(duì)該工藝進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，但都沒(méi)有達(dá)到理想的效果，要達(dá)到實(shí)用化目的還有很長(zhǎng)的路要走。

本論文基于微鑄造工藝，應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的金屬型模具，采用離心鑄造技術(shù)制備微尺度合金拉伸件，進(jìn)而確定離心金屬型微精密鑄造工藝。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)材料采用鋅合金(Zn-Al-Cu)合金，合金成份如表1所示。該合金作為常用的工業(yè)壓鑄合金，具有良好的鑄造性能及優(yōu)異的綜合性能。

表1試驗(yàn)中鋅合金實(shí)際成份

■

試驗(yàn)設(shè)備采用改裝的液態(tài)金屬離心微成形系統(tǒng)，如圖1所示[7]。

■

圖1液態(tài)金屬離心微成形系統(tǒng)示意圖[7]

2.2 試驗(yàn)方法

基于微鑄造的工藝，本文采用離心鑄造的方法，即將液態(tài)金屬澆入旋轉(zhuǎn)的鑄型里，在離心力作用下充型并凝固成鑄件的鑄造方法。

本試驗(yàn)采用的微精密鑄造工藝可以分成幾步：第一

步，金屬鑄型的加工。如圖1中所示，工件最終在圖1中D，即金屬型中成形。為了研究微精密鑄造工藝，金屬模具設(shè)計(jì)有三個(gè)微拉伸工件，示意圖如圖2所示。其中三種不同厚度的微拉伸工件，分別為100μm、200μm和300μm，工件尺寸如圖2所示。第二步，模具安裝。將金屬鑄型裝入石墨模具中，安裝好模具，對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為280℃。第三步，液態(tài)金屬離心澆注過(guò)程。鋅合金放入陶瓷坩堝，通過(guò)電阻爐加熱熔化，加熱溫度為440℃，并保溫60min，使其充分熔化，并保證成份恒定。離心轉(zhuǎn)速分別為2700rpm，3000rpm和3300rpm。待金屬加熱到指定溫度，轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，立即把熔融的金屬注入帶有金屬鑄型的石墨模具中。第四步，取出金屬鑄型。待冷卻到室溫，打開(kāi)金屬鑄型，取出微拉伸工件。

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圖2模具內(nèi)工件示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)制備的工件屬于微尺度拉伸件，長(zhǎng)度為4mm，最小寬度為0.2mm，最小厚度為100μm。通過(guò)模具預(yù)熱溫度280℃，離心系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3300rpm，把溫度為440℃液態(tài)金屬澆入旋轉(zhuǎn)模具中，制備的工件如圖3所示。

由圖3中可以看出，厚度為300μm拉伸件成形一部分，長(zhǎng)度達(dá)到3mm，厚度為200μm，拉伸件成形長(zhǎng)度也達(dá)到2.5mm，而厚度為100μm拉伸件幾乎沒(méi)有成形。

4 結(jié)論

金屬型微精密鑄造工藝在模具預(yù)熱溫度280℃，離心轉(zhuǎn)速3300rpm，澆鑄溫度為440℃的工藝條件下，300μm厚拉伸件成形長(zhǎng)度3mm，200μm厚拉伸件成形長(zhǎng)度2.5mm，而100μm厚拉伸件沒(méi)有成形。3個(gè)工件都沒(méi)有完全成形，由此，金屬型微精密鑄造工藝的成形能力亟待提高，各工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]G.Bumeister,K.Mueller,R.Ruprech and J.Haussel.Production of Metallic High Aspect Ratio Microstructures by Microcasting.Microsystem Technologies. 2002,8:105-108.

[2]G.Bumeister,R.Ruprech and J.Haussel.Microcasting of Parts Made of Metal Alloys.Microsystem Technologies. 2004,10:261-264.

[3]G.Bumeister,R.Ruprech and J.Haussel.Replication of LIGA Structures using Microcasting.Microsystem Technologies. 2004,10:484-488.

[4]G.Baumeister,S.Rath and J.Hausselt.Microcasting of Al Bronze and a Gold Base Alloy Improved by Plaster-bonded Investment. Microsystem Technologies. 2006,12(8):773-777.

[5]李海斌，翟啟杰.微鑄造技術(shù)[J].現(xiàn)代鑄鐵，2004，24(2)：1-3.

[6]李邦盛，任明星，傅恒志.微精密鑄造工藝研究進(jìn)展[J].鑄造，2007，56(7)：673-678.

[7]楊闖.微熔模精鑄過(guò)程微尺度成形及充型流動(dòng)規(guī)律研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010:90.

基金項(xiàng)目：黑龍江工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助

（201311802090）。

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