鏤空鑄型對QT400-18 組織和力學(xué)性能的影響

張龍江，馬秉平，劉天平，蘇少靜，納建虹

（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

近年來3D 打印技術(shù)在鑄造方面的應(yīng)用越來越廣泛，但應(yīng)用最多的主要是兩個方面：一是打印模樣，另一方面是打印鑄型和砂芯。目前為止，砂型鑄造已有約6000 年的歷史，但砂型鑄型一般都是密實的，長期以來也沒有發(fā)生本質(zhì)的變化。傳統(tǒng)密實鑄型的冷卻能力主要靠自身的蓄熱（鑄型的質(zhì)量一般是鑄件的幾倍到幾十倍），因此金屬液澆注后首先發(fā)生激冷，但隨著溫度的降低，鑄型冷卻能力逐漸下降，到后期冷卻能力非常微弱，因此，后期鑄件的冷卻速率非常緩慢，這大大延長了鑄件的打箱時間，嚴重影響了鑄件的生產(chǎn)效率。雖然可以采用提前落砂的方法讓鑄件在空氣中冷卻來提高生產(chǎn)效率，但這容易導(dǎo)致鑄件變形甚至開裂。

鏤空鑄型可以解決密實鑄型有關(guān)冷卻速度與冷卻效率的問題。鏤空鑄型包括隨鑄件壁厚特征而變化的殼型、特定結(jié)構(gòu)和桁架支撐等結(jié)構(gòu)，徹底改變鑄型的密實結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)隨鑄件局部幾何特征的鑄型設(shè)計，實現(xiàn)鑄件成形中各部位的控制冷卻或差異化冷卻，從而提高鑄件凝固過程的冷卻速度，凝固后的溫度均勻性和冷卻速率，最終提高鑄件性能，并降低鑄件的殘余應(yīng)力和變形。鏤空殼型厚度、支撐桁架結(jié)構(gòu)的確定是鏤空鑄型設(shè)計的關(guān)鍵。殼型在鑄造過程中受到金屬熔體的靜壓力的作用，凝固以后受到鑄件的重力作用，受到鑄件收縮產(chǎn)生的壓力或張力的影響。鏤空鑄型受到鑄件的加熱影響，鑄型溫度升高使得殼型強度降低，這些都是殼型厚度的考慮因素。鏤空鑄型要求要保證在受高溫和力的作用下能夠有效約束高溫液態(tài)金屬成形。傳統(tǒng)的鑄造方式很難實現(xiàn)鏤空鑄型的成型，3D 打印技術(shù)在鑄造上應(yīng)用的發(fā)展使鏤空鑄型得以實現(xiàn)。

此外，鏤空結(jié)構(gòu)鑄型還具有打印效率高、材料用量少的優(yōu)點，有利于節(jié)能降耗和環(huán)保。由于鏤空鑄型與傳統(tǒng)鑄型相比具有許多優(yōu)異的特點，使得鏤空結(jié)構(gòu)的鑄型得到了越來越廣泛的關(guān)注。鏤空結(jié)構(gòu)鑄型通過設(shè)計冷卻控制系統(tǒng)，實現(xiàn)鑄件凝固冷卻過程的調(diào)整，從而調(diào)控鑄件的顯微組織、機械性能和殘余應(yīng)力，獲得性能優(yōu)異、應(yīng)力低、無變形的產(chǎn)品。本文以QT400-Y1825 試塊為研究對象，通過對照試驗研究鏤空鑄型與傳統(tǒng)鑄型對鑄件質(zhì)量的影響，以推動鏤空鑄型的應(yīng)用。

1 試驗方法與條件

密實鑄型和鏤空鑄型都由3D 打印制成，打印機為共享集團自主研發(fā)的IDream-2215 型號打印機。打印完成后的鑄型經(jīng)過清砂、流涂、烘干工序。然后，將QT400-18 的鐵水在1 350 ℃下澆入鑄型中。保溫12 h 后，開始打箱。本對比試驗除鑄型不同外，其余工藝參數(shù)均保持一致。為保證實驗結(jié)果的可重現(xiàn)性，實驗重復(fù)了3 次。本文所用到的檢測設(shè)備有光學(xué)顯微鏡、布式硬度檢測儀和伺服液壓控制檢測系統(tǒng)，參考的標準有ISO 6506-1-2005 和GB/T 228-2002.

2 密實與鏤空鑄型試樣

圖1 所示為QT400-18 材質(zhì)Y25 試塊的密實鑄型和采用表面加強筋方式鏤空的鏤空鑄型，密實鑄型的重量為16.2 kg，采用表面加強筋方式鏤空后，鏤空鑄型的重量為7.5 kg，以上重量使用三維軟件UG 測量，密度取1.5 g/cm3.可以看出鏤空后，鑄型減重明顯，由16.2 kg 減至7.5 kg，減重率為53.7%，砂鐵比由1.15 降低至0.53.

圖1 密實和鏤空后QT400-18 材質(zhì)Y25 試塊鑄型圖

說明，經(jīng)過科學(xué)合理的鏤空設(shè)計，3D 打印鑄型重量可以顯著降低，3D 砂型打印的成本與重量成正相關(guān)，也就是說，重量越輕，3D 打印砂型的成本就越低，從而大大降低了3D 打印成本。3D 打印砂型鏤空化設(shè)計，為推動3D 打印砂型在鑄造等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。同時，打印時間明顯縮短，密實鑄型（230 s）的打印時間是鏤空鑄型（108 s）的2 倍以上。

3 密實與鏤空鑄型對試塊冷卻速率的影響

圖2 為密實鑄型和鏤空鑄型QT400-18Y25 試塊澆注后的測量降溫速率和對應(yīng)的冷卻曲線圖（該曲線由溫度記錄儀自動生成，每分鐘記錄一次溫度），其澆注溫度為1 350 ℃，打箱溫度為400 ℃.圖2 表明鑄型鏤空后，試棒冷卻速率在不同階段是變化的。澆注完成到750 ℃以上時，密實和鏤空鑄型的冷卻速率基本相當，這是因為此時試棒冷卻只是依靠鑄型吸熱和導(dǎo)熱。當溫度降低至750 ℃，鏤空鑄型的冷卻速率開始加快，此時，密實鑄型和鏤空鑄型的冷卻速率分別為348 ℃/s 和259 ℃/s.

圖2 QT400-18Y25 試塊在密實和鏤空鑄型下的冷卻速率

4 密實與鏤空鑄型對金相組織和力學(xué)性能的影響

圖3 為QT400-18Y25 試塊在密實和鏤空鑄型下的金相組織，表1 給出了QT400-18Y25 試塊在密實和鏤空鑄型下的基體組織、球化率、石墨數(shù)量和石墨大小等金相組織。從中可以看出，鑄型鏤空后，QT400-18Y25 試塊的基體組織主要還是鐵素體和珠光體的混合組織，比例為25%P+75%F，變化不大；石墨尺寸沒有變化，石墨平均尺寸都在6 左右，石墨數(shù)量為94 和90，也差別不大；但是球化率有差別，密實鑄型的球化率為82%，鏤空后的球化率為91%.跟據(jù)上面冷卻速率試驗，這主要可能是因為鏤空后試棒的冷卻速率加快所致。

圖3 不同鑄型獲得的QT400-Y25 試塊金相組織

同時，表1 給出了QT400-18Y25 試塊在密實和鏤空鑄型下的布氏硬度、屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率等力學(xué)性能。QT400-18Y25 試塊在密實和鏤空鑄型下布氏硬度為152 HBW、161HBW，屈服強度為318 MPa、319 MPa，抗拉強度為498 MPa、508 MPa，斷后伸長率分別為17.7%、18.5%.可以看出布式硬度、屈服強度和斷后延伸率基本不變，抗拉強度變提高了10 MPa.根據(jù)上面金相組織的分析，這主要是因為鏤空后試棒的球化率提高所致。

5 結(jié)論

鑄型鏤空后，QT400-18 試塊的基體組織、石墨平均尺寸、石墨數(shù)量都變化不大；但是球化率有差別，密實鑄型的球化率為82%，鏤空后的球化率為91%，這是因為鏤空后試棒的冷卻速率加快所致。

表1 QT400-Y25 試塊在密實和鏤空鑄型下的金相組織和力學(xué)性能

QT400-18 試塊在密實和鏤空鑄型下布氏硬度、屈服強度和斷后延伸率差別不大，抗拉強度鏤空鑄型提高了10 MPa，主要是因為鏤空后試棒的球化率提高所致。

在砂型3D 打印中，適當位置設(shè)計鏤空鑄型可以調(diào)節(jié)砂型冷卻速度,為砂型冷卻速度的控制提供了一種思路。