鏤空鑄型對QT400-18 組織和力學性能的影響

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 打印技術在鑄造方面的應用越來越廣泛，但應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，長期以來也沒有發生本質的變化。傳統密實鑄型的冷卻能力主要靠自身的蓄熱（鑄型的質量一般是鑄件的幾倍到幾十倍），因此金屬液澆注后首先發生激冷，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效率，但這容易導致鑄件變形甚至開裂。

鏤空鑄型可以解決密實鑄型有關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、特定結構和桁架支撐等結構，徹底改變鑄型的密實結構，實現隨鑄件局部幾何特征的鑄型設計，實現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力和變形。鏤空殼型厚度、支撐桁架結構的確定是鏤空鑄型設計的關鍵。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金屬成形。傳統的鑄造方式很難實現鏤空鑄型的成型，3D 打印技術在鑄造上應用的發展使鏤空鑄型得以實現。

此外，鏤空結構鑄型還具有打印效率高、材料用量少的優點，有利于節能降耗和環保。由于鏤空鑄型與傳統鑄型相比具有許多優異的特點，使得鏤空結構的鑄型得到了越來越廣泛的關注。鏤空結構鑄型通過設計冷卻控制系統，實現鑄件凝固冷卻過程的調整，從而調控鑄件的顯微組織、機械性能和殘余應力，獲得性能優異、應力低、無變形的產品。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鑄型對鑄件質量的影響，以推動鏤空鑄型的應用。

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的IDream-2215 型號打印機。打印完成后的鑄型經過清砂、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，其余工藝參數均保持一致。為保證實驗結果的可重現性，實驗重復了3 次。本文所用到的檢測設備有光學顯微鏡、布式硬度檢測儀和伺服液壓控制檢測系統，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Y25 試塊鑄型圖

說明，經過科學合理的鏤空設計，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，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 打印砂型鏤空化設計，為推動3D 打印砂型在鑄造等領域的產業化應用具有重要意義。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 結論

鑄型鏤空后，QT400-18 試塊的基體組織、石墨平均尺寸、石墨數量都變化不大；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，適當位置設計鏤空鑄型可以調節砂型冷卻速度,為砂型冷卻速度的控制提供了一種思路。