鉛蓄電池用鉛鈣合金流動性測量新方法的研究

畢曉軍，袁志莉，王 毅，陳志雪，畢思聰

（1.風(fēng)帆股份有限公司有色金屬分公司，河北 保定 071100；2.北京科技大學(xué)，北京 100083）

0 前言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，鉛鈣合金已替代鉛銻合金成為蓄電池板柵的主流材料。鉛鈣合金的鑄造性能是鉛蓄電池板柵成型的一個重要技術(shù)指標(biāo)，而鉛鈣合金的流動性很大程度上決定了合金的鑄造性能[1]。影響合金流動性的內(nèi)在因素是合金成分，同類合金成分不同時，由于微觀結(jié)晶機(jī)制不同而使流動性出現(xiàn)很大差異。液體合金的過冷度、型腔溫度等外在因素也對合金流動性產(chǎn)生一定作用[2]。目前普遍采用的合金流動性的測試法是螺旋試樣法，該方法使用三角形截面螺旋形型腔，在一定條件下合金液體在螺旋型腔中流動成型，得到螺旋形試樣，以螺旋試樣的長度衡量合金流動性的好壞[3]。這種方法由于型腔簡單，因此適應(yīng)性較廣，但也由于型腔簡單，與板柵鑄型的差距較大，不能反映板柵鑄造過程中既有縱向又有橫向流動的流動性能。

本文在原有測定合金流動性方法的基礎(chǔ)上，改變充型試樣形狀，使之接近板柵鑄型，在測定合金流動性充型時，能真實地反映出板柵制作過程中，合金液體既有縱向流動特性又有橫向流動特性兩方面的特性。

1 試驗部分

1.1 設(shè)計思路及方案

為了更好地反映鉛鈣合金板柵實際鑄造時合金流動性及充型能力，本文提出合金流動性測試模具的設(shè)計思路和方案如下：

⑴測試模具采用金屬型，材質(zhì)為 Q235。金屬型模具質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定，表面粗糙度小并與實際生產(chǎn)方式保持一致。

⑵設(shè)計水平分型和垂直分型兩種分型方式的測試模具。水平分型模的分型面是型腔水平方向的最大尺寸所在的面。垂直分型模是型腔在垂直方向的最大尺寸。

⑶根據(jù)兩套模具的分型特點，設(shè)計型腔的形狀。為了減小金屬型的尺寸和節(jié)約材料，二者的型腔在長度上需要具有一定的彎曲，這樣能夠在較小的金屬型內(nèi)開設(shè)更大的型腔長度。水平分型模的型腔設(shè)計成螺旋形，型腔在上下模中對稱分布。垂直分型模的型腔設(shè)計成“S”形，型腔在左右模中對稱分布。為了適應(yīng)板柵的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，型腔為三流道，且等距離地設(shè)置橫流道，使型腔呈現(xiàn)一定意義上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

⑷在澆注系統(tǒng)的設(shè)計中，由模具的型腔形狀決定了水平螺旋形模具采用頂注式澆注系統(tǒng)，垂直S 形模采用底注式澆注系統(tǒng)[4]。

⑸由型腔的形狀確定水平螺旋形模的外形為圓形，垂直 S 形模的外形為矩形。模具的最大外形尺寸由型腔和經(jīng)驗壁厚確定。

1.2 水平螺旋形模具

1.2.1 水平螺旋形模具的制作

根據(jù)板柵件的尺寸確定流動性試樣的尺寸，但考慮到加工難度，試樣的截面尺寸適度加大，同時結(jié)合板柵的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鑄件也要由傳統(tǒng)的單流道改成三流道，試樣的直徑初步設(shè)定為 φ3 mm，橫流道的弧長間距為 20 mm，總長度為 1.5 m。根據(jù)設(shè)計思路及方案，制作了水平螺旋形模具（圖1）。

圖1 水平螺旋形模具

1.2.2 水平螺旋形模具測試

利用水平螺旋形模具在澆鑄溫度為 520 ℃ ，模具保溫溫度分別為 25 ℃ 和 250 ℃ 的條件下測試鉛鈣合金流動性，合金中ω(Ca) 為 0.09%～0.11%，ω(Al) 為 0.02%～0.03%（圖2）。

圖2 模具保溫溫度為 (a)25 ℃ 和 (b)250 ℃ 的水平螺旋形模具澆鑄試樣

根據(jù)圖2，在鉛鈣合金澆鑄溫度為 520 ℃，水平螺旋形模具保溫溫度為 25 ℃ 的情況下，鑄件試樣平均長度為 16 mm；在合金澆鑄溫度為 520 ℃，模具保溫溫度為 250 ℃ 的情況下，鑄件試樣的平均長度為 37 mm。由此可見，模具的保溫溫度決定鉛鈣合金流動的距離。但在此兩個溫度下，合金流動的距離都非常短，且在澆鑄實驗中，鑄件從模具中取出時易變形，鑄件脫模是一個很大的問題。

1.3 垂直 S 型模具

1.3.1 垂直 S 型模具的制作

垂直 S 形模具的型腔由傳統(tǒng)的單流道改成三流道，流道直徑初步設(shè)定為 φ3 mm，橫流道間距為 10 mm，總長度為 1.5 m。在垂直于水平面的方向上設(shè)計成“S”形，可以在減小金屬型尺寸的基礎(chǔ)上增大鑄件長度，模具的分型面同樣選在最大平面上。垂直 S 形模具的直澆道全長 251 mm，上端直徑 φ25 mm 是由澆口杯的凸臺確定，直澆道與澆口杯連接的部分采用 H8/f9 間隙配合。在垂直方向上的總高度以型腔的垂直高度為準(zhǔn)。其尺寸見圖3。

圖3 垂直 S 形模具的直澆道

直澆道窩與直澆道的末端相連，一側(cè)連接著型腔。形狀是底部帶有 R5 圓倒角的圓柱形空腔，直徑為 φ20 mm，深 32 mm。在該模具中，直澆道窩可以緩和金屬液的高度沖擊，使之能夠從一側(cè)平穩(wěn)地流入型腔。

圖4 垂直 S 型模具

1.3.2 垂直 S 型模具的測試

圖5表示利用垂直 S 形模具分別測試鉛鈣合金在澆鑄溫度為 520 ℃，模具保溫溫度為 25 ℃ 和250 ℃ 的條件下所得到的澆鑄試樣。

圖5 模具保溫溫度為 (a)25 ℃ 和 (b)250 ℃ 的垂直 S 形模具澆鑄試樣

根據(jù)圖5，在鉛鈣合金澆鑄溫度為 520 ℃，垂直 S 形模具保溫溫度為 25 ℃ 的情況下，鑄件試樣的平均長度為 93 mm，在合金澆鑄溫度為 520 ℃，模具保溫溫度為 250 ℃ 的情況下，鑄件試樣的平均長度為 144 mm。由此可見，使用垂直 S 型模具在此兩個溫度下，合金流動的距離都比使用水平螺旋形模具長。但與過長的直澆道相比長度仍不理想，且鑄件下部存在縮孔、縮松等缺陷。分析為澆口杯、直澆道過長導(dǎo)致合金液散熱太快，未進(jìn)型腔溫度就已大大降低，同時細(xì)長的澆道導(dǎo)致澆注速度從澆口流入后突然增大，使縮孔體積增大。

1.4 模具的改進(jìn)

1.4.1 改進(jìn)方案

由于水平螺旋形模具的鑄件脫模困難，所以舍棄該套模具。針對垂直 S 形模具中存在澆口杯熱量損失、鑄件缺陷嚴(yán)重等問題，對模具進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計并制造第三套流動性測試模具，改進(jìn)方案如下：

⑴采用垂直分型方式便于鑄件脫模，左右模完全對稱，模具外形為矩形，尺寸由型腔尺寸確定，模具壁厚采用經(jīng)驗值；

⑵為了減少鉛鈣合金液在澆口杯中的熱量損失，在該套模具中不再另設(shè)澆口杯，使?jié)部诒c直澆道、型腔連在一起，全部開設(shè)在金屬型內(nèi)部，并采用頂注式；

⑶把型腔改為“U”形，其直徑尺寸由原來的φ3 mm 改為 φ5 mm，左右對稱。減少了彎曲數(shù)量，并且增大型腔尺寸，可減少缺陷的產(chǎn)生，提高鑄件強(qiáng)度；

⑷排氣孔與型腔的末端相連，高度由直澆道與澆口杯的總高度確定，對稱開設(shè)在左右模中。模具采用對角定位與四角緊固。

1.4.2 模具制作

根據(jù)改進(jìn)方案，制作了改進(jìn)模具。改進(jìn)模具是一套垂直分型模，外形尺寸為 60×230×280 mm3，左右模完全對稱，不會存在合模困難的問題，見圖6。

圖6 改進(jìn)模具示意圖

1.4.3 模具測試

改進(jìn)后的模具分別在 25 ℃、 150 ℃、200 ℃、250 ℃ 保溫，澆鑄溫度為 430 ℃、480 ℃、520 ℃時，鉛鈣合金的澆鑄試樣如 7。從圖7可以看出，鉛鈣合金流動的距離隨模具的保溫溫度及澆鑄溫度的升高而增長，并且具有明顯的差別。

圖7 模具保溫溫度為(a)25 ℃、(b)150 ℃、(c)200 ℃、(d)250℃澆鑄試樣

1.4.4 利用 ProCAST 軟件模擬驗證[5]

1.4.4.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)定包括虛擬模具、材料熱物性參數(shù)、澆鑄條件、運(yùn)行條件等參數(shù)的設(shè)置。

設(shè)置虛擬模具的三維坐標(biāo)起點與終點要與設(shè)計的模具金屬型尺寸相符，設(shè)置好參數(shù)后計算出虛擬模具并保存。鑄件與模具的界面接觸換熱系數(shù) h，根據(jù)經(jīng)驗選擇一個固定值h=2000。模具材料選擇數(shù)據(jù)庫中提供的低碳鋼。材料的熱物性參數(shù)[6]見表1。澆鑄條件、運(yùn)行條件按照實驗數(shù)據(jù)設(shè)定，其余的參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值。

表1 鉛鈣合金熱物性參數(shù)

1.4.4.2 模擬驗證

參數(shù)設(shè)置好后，按實際的實驗條件分別在 25 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃ 下保溫，澆鑄溫度為 430 ℃、480 ℃、520 ℃，鉛鈣合金的模擬澆鑄見圖8。

圖8 模具保溫溫度為 (a)25 ℃、(b)150 ℃、(c)200 ℃、(d)250℃ 模擬試樣

測量和計算圖中模擬澆鑄結(jié)果與實際澆鑄試樣的平均長度，列出不同實驗溫度下二者的平均長度以及差值，如表2所示。根據(jù)表2，模具在不同溫度下保溫時，模擬澆鑄結(jié)果與實際澆鑄試樣的長度差值隨澆鑄溫度升高而減小。模具在 25 ℃ 保溫時，澆鑄試樣的長度比模擬澆鑄結(jié)果長，是因為模具溫度接近室溫，基本不存在熱量損失，但模具下半部分靠近保溫爐的底部，溫度比上半部分高，而熱電偶測得 25 ℃ 是上半部分的溫度，在模擬澆鑄時模具上下均溫 25 ℃，因此使實際澆鑄試樣的長度大于模擬澆鑄結(jié)果。模具在較高溫度下保溫時，實際澆鑄試樣的長度都不如模擬澆鑄結(jié)果是因為模具保溫溫度一旦升高，在打開爐蓋和澆鑄過程中，澆口杯接近室溫，存在一定的熱量散失，使?jié)茶T試樣的長度短于模擬澆鑄結(jié)果。利用該模具測試模具保溫溫度為 250 ℃，澆鑄溫度為 520 ℃時的合金流動性，得到的實際澆鑄試樣最接近理想狀態(tài)，與模擬澆鑄結(jié)果的偏差約為 0.5%，同生產(chǎn)鉛鈣板柵時的溫度相符，且鑄件的縮孔、縮松明顯減少。因此該模具可以用于測試鉛鈣板柵合金的流動性。

表2 模擬澆鑄結(jié)果與實際澆鑄試樣的平均長度與差值

2 結(jié)論

本課題為了研究測試鉛鈣板柵合金流動性的方法，設(shè)計并制造了三套金屬型重力鑄造模具，并利用其進(jìn)行澆鑄實驗。由于前兩套測試鉛鈣合金流動性的模具得到的澆鑄試樣長度不理想，因此對原因進(jìn)行了分析，并對模具加以改進(jìn)，設(shè)計并制造第三套測試模具。由該模具得到的澆鑄試樣長度在不同保溫溫度及澆鑄溫度下存在明顯的差別，并且都在模具型腔長度范圍內(nèi)，同時利用 ProCAST 軟件對鉛鈣合金進(jìn)行了模擬驗證，在與實際生產(chǎn)溫度相符時，實際澆鑄試樣最接近理想狀態(tài)，與模擬澆鑄結(jié)果只有 0.5%的偏差。因此，此套改進(jìn)的“U 型”模具可以用于鉛鈣合金板柵流動性的測定。

[1] 朱松然.鉛蓄電池技術(shù)[M].2 版.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[2] 伊?xí)圆?鉛酸蓄電池制造與過程控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[3] 趙軍, 陳光晌, 劉旭麟.同心三螺旋線合金流動性測定儀的研制及應(yīng)用[J].大連工學(xué)院學(xué)報, 1987,26(3): 51-58.

[4] 中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會.鑄造手冊[M].第 5 卷.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1994.

[5] 李化芳, 韓軍武, 代秋芬.仿真技術(shù)在鑄造合金流動性實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù), 2011,32(5): 726-727.

[6] 馬慶芳, 方榮生, 項立成, 等.實用熱物理性質(zhì)手冊[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社, 1986.