金屬型離心微鑄造技術(shù)與工藝研究

楊 闖，喬春玉，許建平，楊慧敏，林 鵬

(黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

金屬型離心微鑄造技術(shù)與工藝研究

楊 闖，喬春玉，許建平，楊慧敏，林 鵬

(黑龍江工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

文中探討了金屬型離心微鑄造技術(shù)，并針對工藝參數(shù)對微尺度件成形規(guī)律進(jìn)行深入研究。依據(jù)金屬型離心微鑄造技術(shù)，在離心轉(zhuǎn)速3000 r/min，模具預(yù)熱溫度270 ℃條件下，制備出長4 mm的微尺度件，最小截面尺寸為40 μm×300 μm。同時得出，在微尺度條件下，鑄型預(yù)熱溫度一定時，隨著離心轉(zhuǎn)速的增加，液態(tài)金屬在金屬型中充填長度增加，晶粒越來越細(xì)小，硬度逐漸增大，而在離心轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值后，充填長度反而下降。離心轉(zhuǎn)速一定時，隨著預(yù)熱溫度的增加，晶粒越來越粗大，同時硬度越來越低。

微鑄造；金屬型；離心轉(zhuǎn)速；鑄型預(yù)熱溫度

社會的高速發(fā)展促進(jìn)了微加工工藝不斷更新，由此衍生出微型機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)[1]?，F(xiàn)如今，微細(xì)加工技術(shù)主要分為三類[2]：①微細(xì)機(jī)電加工技術(shù)。②光化掩模加工技術(shù)。③微鑄造技術(shù)。微鑄造技術(shù)由德國卡爾斯魯厄研究中心開發(fā)[3-6]，作為近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，逐漸引起人們的重視。國內(nèi)對于該技術(shù)的研究才剛剛起步[7-10]。因此，本文擬對金屬型離心微鑄造技術(shù)進(jìn)行深入探討，進(jìn)而對微尺度件組織與力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本文試驗材料采用鋅合金(質(zhì)量百分比Al2.5%，Cu0.1%，其余為Zn)。該合金常作為壓鑄鋅合金，具有良好的鑄造性能及優(yōu)異的綜合性能。

1.2 試驗方法

1.2.1 金屬型離心微鑄造方法

基于離心鑄造的工藝步驟，金屬型離心微鑄造方法可以分成以下4步：

1)金屬鑄型的制作。為了研究金屬型微鑄造工藝，本文設(shè)計金屬型為3個微拉伸試樣，每試樣長4 mm。其中3種不同試樣厚度分別為100 μm、200 μm和300 μm[9]。

2)石墨模具的制作。由于金屬型較小，在微鑄造過程中，必須通過某結(jié)構(gòu)把金屬型固定在液態(tài)離心成形系統(tǒng)上。本文選用的是石墨系統(tǒng)，既起到固定金屬鑄型的作用，同時保證金屬鑄型在離心澆鑄系統(tǒng)中穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

3)液態(tài)金屬離心澆鑄過程。將鋅合金放入陶瓷坩堝，通過電阻爐加熱熔化，加熱溫度為420 ℃，并保溫1 h，使其充分熔化。通過控制不同鑄型預(yù)熱溫度和不同離心轉(zhuǎn)速，待金屬加熱到預(yù)熱溫度，轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，把液態(tài)金屬澆入帶有金屬鑄型的石墨模具中。

4)取出微尺度件。

1.2.2 試驗方案

本文確定鋅合金的澆鑄溫度為420 ℃，并保溫1 h。

本文試驗設(shè)備采用自行組裝的液態(tài)金屬離心微成形系統(tǒng)，離心系統(tǒng)轉(zhuǎn)速最高可達(dá)5000 r/min[9]。

水利工程施工現(xiàn)場管理的目標(biāo)是組織高效率的施工，使生產(chǎn)要素優(yōu)化組合、合理配置，保證施工生產(chǎn)的均衡性。由于水利工程建設(shè)投資大、工期長、工序復(fù)雜、任務(wù)重、參與單位多等，為確保工程建設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度，加強(qiáng)水利工程施工現(xiàn)場管理尤為重要。

試驗方案分為兩種，一種是在離心轉(zhuǎn)速不變條件下，改變鑄型預(yù)熱溫度。即離心轉(zhuǎn)速達(dá)到3000 r/min時，模具預(yù)熱溫度分別為250 ℃、260 ℃、270 ℃、280 ℃、290 ℃、300 ℃、310 ℃、和320 ℃。另一種是在鑄型預(yù)熱溫度不變的條件下，改變離心轉(zhuǎn)速。即鑄型預(yù)熱溫度為280 ℃時，離心轉(zhuǎn)速分別為2000 r/min、2300 r/min、2500 r/min、2700 r/min、3000 r/min、3300 r/min、3500 r/min和3700 r/min。當(dāng)達(dá)到試驗條件后，將鋅合金澆鑄到模具中，完成后冷卻至室溫，取出微尺度件，分別測量各微尺度件的充填長度。

1.2.3 組織觀察與性能測試

微尺度件經(jīng)粗磨、細(xì)磨和拋光，經(jīng)氧化鉻18 g、硫酸4 mL、蒸餾水78 mL配比的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕后，在Olympus BX51M金相顯微鏡上對微尺度件進(jìn)行顯微組織觀察。

硬度通過HV-1000顯微硬度計測定，硬度計的加載載荷為HV10。在微尺度件的尾部，即金屬液最先流進(jìn)的部分，測定5點(diǎn)，取平均值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 微尺度件的成形

在離心轉(zhuǎn)速3000 r/min，鑄型預(yù)熱溫度為270 ℃條件下，制備的鋅合金微尺度拉伸工件如圖1所示。由圖1可以看出，300 μm厚的微尺度拉伸工件的充填長度為4.0 mm，即全部充填。200 μm厚的微尺度件充填長度為3.8 mm，沒有全部充滿。而100 μm厚的微尺度件則完全沒有充填。

圖1 離心轉(zhuǎn)速3000 r/min，鑄型預(yù)熱270 ℃微鑄造成形件

2.2 不同工藝參數(shù)對微尺度件成形的影響

2.2.1 不同鑄型預(yù)熱溫度的影響

圖2 微尺度件充填長度與鑄型預(yù)熱溫度的關(guān)系

2.2.2 不同離心轉(zhuǎn)速的影響

在模具預(yù)熱溫度為270 ℃，改變離心轉(zhuǎn)速2000 r/min，2300 r/min，2500 r/min，2700 r/min，3000 r/min，3300 r/min、3500 r/min和3700 r/min，100 μm厚的微尺度件沒有成形，200 μm和300 μm厚的微尺度件隨著離心轉(zhuǎn)速的增加，成形效果逐漸變好。如果以300 μm厚微尺度件充填長度代表成形效果，由圖3可以看出，在模具預(yù)熱溫度和時間一定的前提下，離心轉(zhuǎn)速越高，微尺度件充填長度越長。離心轉(zhuǎn)速達(dá)到3000 r/min時為最佳，微尺度工件成型非常好，表面圓潤有光澤，而且充盈飽滿，周圍的毛刺較少。

圖3 工件充填長度與離心轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由圖3還可以看出，離心轉(zhuǎn)速超過3300 r/min，微尺度件充填長度會明顯減少，微尺度件周圍毛刺也較多。這是由于離心轉(zhuǎn)速過大所致，過大的離心轉(zhuǎn)速會使液態(tài)金屬溫度驟降，溫度快速降低導(dǎo)致液態(tài)金屬充填能力變差。在本文中，過大的離心轉(zhuǎn)速并不能提高液態(tài)金屬的充填能力。

2.3 不同工藝參數(shù)對微尺度件組織的影響

2.3.1 不同鑄型預(yù)熱溫度的影響

圖4為離心轉(zhuǎn)速在3000 r/min，不同鑄型預(yù)熱溫度下微尺度件的顯微組織。由圖4(a)可以看出，鑄型預(yù)熱溫度為250 ℃時，晶粒比較細(xì)小，輪廓很清晰。隨著鑄型預(yù)熱溫度的提高，晶粒尺寸逐漸增大。由圖4(d)可以看出，鑄型預(yù)熱溫度為320 ℃時，晶粒比較粗大，晶粒輪廓變得模糊。這主要是因為過高鑄型預(yù)熱溫度導(dǎo)致液態(tài)金屬和鑄型之間溫度差變小，使得液態(tài)金屬的凝固時間變長，進(jìn)而產(chǎn)生粗大的晶粒。

圖4 離心轉(zhuǎn)速3000 r/min時微尺度件的顯微組織

2.3.2 不同離心轉(zhuǎn)速的影響

圖5為鑄型預(yù)熱溫度為270 ℃，不同離心轉(zhuǎn)速下微尺度件的顯微組織。由圖5(a)～圖5(d)可以看出，不同離心轉(zhuǎn)速合金的組成相無明顯變化，仍是以η-Zn相為主。只是隨著離心轉(zhuǎn)速增加，晶粒不斷細(xì)化，且變得更加均勻。

而從圖5(a)～圖5(c)中可以看出,離心轉(zhuǎn)速從2000 r/min增加到3000 r/min時，試樣晶粒的細(xì)化十分明顯。而對比圖5(c)和圖5(d)可以看出，離心轉(zhuǎn)速3000 r/min時獲得的晶粒大小與3700 r/min時晶粒大小相差并不明顯，即在離心轉(zhuǎn)速達(dá)到3000 r/min以上時，增加離心轉(zhuǎn)速并沒有使晶粒更為細(xì)化。

2.4 不同工藝參數(shù)對微尺度件力學(xué)性能的影響

2.4.1 不同鑄型預(yù)熱溫度的影響

圖6所示為離心轉(zhuǎn)速為3000 r/min，硬度隨預(yù)熱溫度變化曲線。由圖6可以看出，在離心轉(zhuǎn)速一定的條件下，鑄型預(yù)熱溫度在250 ℃時微尺度件硬度最高。隨著鑄型預(yù)熱溫度的增加，微尺度件硬度不斷減小。這主要是因為鑄型預(yù)熱溫度上升，導(dǎo)致液態(tài)金屬冷卻速度下降，從而導(dǎo)致凝固組織變得粗大，這一點(diǎn)由圖4也可以看出。

圖6 離心轉(zhuǎn)速3000 r/min時硬度隨預(yù)熱溫度變化曲線

2.4.2 不同離心轉(zhuǎn)速的影響

在鑄型預(yù)熱溫度一定的條件下，硬度隨離心轉(zhuǎn)速變化規(guī)律則與預(yù)熱溫度相反。如圖7所示，鑄型預(yù)熱溫度為270 ℃時，微尺度件硬度隨著離心轉(zhuǎn)速的增加而增加，即硬度的變化與離心轉(zhuǎn)速成正比。這主要是因為隨著離心轉(zhuǎn)速的增加，液態(tài)金屬的冷卻速度加大，從而使得液態(tài)金屬冷卻速度增加，導(dǎo)致晶粒細(xì)化(見圖5)，進(jìn)而使微尺度件的硬度上升。

圖7 鑄型預(yù)熱溫度270 ℃時硬度隨離心轉(zhuǎn)速變化曲線

3 結(jié) 論

1) 本文通過金屬型離心微鑄造技術(shù)，在離心轉(zhuǎn)速3000 r/min，鑄型預(yù)熱溫度270 ℃條件下，制備出長4 mm的微尺度件，最小截面尺寸為40 μm×300 μm。

2) 在微尺度條件下，鑄型預(yù)熱溫度一定時，隨著離心轉(zhuǎn)速的增加，液態(tài)金屬的充填長度增加。但達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時，隨著離心轉(zhuǎn)速增加，充填長度反而下降。

3) 在微尺度條件下，離心轉(zhuǎn)速一定時，隨著鑄型預(yù)熱溫度的增加，晶粒越來越粗大，同時硬度越來越低。在鑄型預(yù)熱溫度一定時，隨著離心轉(zhuǎn)速增加，晶粒越來越細(xì)小，同時硬度逐漸增大。

[1]楊闖,許建平.TiB_2/Cu復(fù)合材料組織與性能的研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2011,23(4): 52-55.

[2]孫大勇.先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2000：484.

[3]BUMEISTER G,MUELLER K,RUPRECH R,et al.Production of Metallic High Aspect Ratio Microstructures by Microcasting[J].Microsystem Technologies.2002,8(3): 105-108.

[4]BUMEISTER G,RUPRECH R,HAUSSEL J.Microcasting of Parts Made of Metal Alloys[J].Microsystem Technologies.2004,10(3): 261-264.

[5]BUMEISTER G,RUPRECH R,HAUSSEL J.Replication of LIGA Structures using Microcasting[J].Microsystem Technologies.2004,10(4): 484-488.

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

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

[8]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.

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

[10]楊闖,孟凡超,郭扎根，等.金屬型微精密鑄造工藝的研究[J].中小企業(yè)管理與科技，2014(6):319.

Study on technology and process of centrifugal micro casting based on permanent mold

YANG Chuang,QIAO Chun-yu,XU Jian-ping,YANG Hui-min,LIN Peng

(Colloge of Materials and Chemistry Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050，China)

The centrifugal microcasting based on permanent mold is presented.The influences of the microcasting parameters on forming regularity of microscale parts produced by microcasting are investigated.On the basis of the technology,the microscale specimens with a nominal length of 4mm and a smallest cross section of 40 μm×300 μm are prepared under the condition of the rotational speed 3000r/min and the temperature 270 ℃.Additionally,it is found that,in the micro scale conditions,liquid metal filling length in permanent mold increases with the increase of centrifugal speed under constant preheating temperature.Then constantly increasing centrifugal speed leads to finer grain size and higher hardness.When the centrifugal speed reaches a certain value,the filling length decreases.At the same time,larger grain and lower hardness are found with the increasing of preheating temperature under constant preheating temperature.

microcasting; permanent mold; centrifugal speed; preheating temperature

2014-08-18

黑龍江工程學(xué)院博士基金項目(2011BJ10)

楊 闖(1974- )，男，講師，博士研究生，研究方向：材料加工成形.

TG249

A

1671-4679(2014)06-0048-04

劉文霞]