干砂消失模铸造铝硅合金凝固方式的研究
?
488?
May2007
VoI.56N0.5
干砂消失模铸造铝硅合金凝固方式的研究
吴献明,吴维冈
(1.北海粮油工业(天津)有限公司,天津300454;2.哈尔滨工业大学材料科学与
学院,黑龙江哈尔滨150001)
摘要:在对干砂消失模铸造共晶铝硅合金凝固动态曲线测试的基础上,结合共晶糊状凝固程度MDE(Mushy
SolidificationDegreeofEutecticAlloy)的概念,总结出干砂消失模铸造铝硅合金凝固方式及其铸件断面模数,浇注温度
变化对凝固方式的影响和相关铸造工艺设计原则,?并通过试验予以验证.
关键词:干砂消失模铸造;凝固方式;共晶糊状凝固程度
中图分类号:TG249.6文献标识码:A文章编号:1001—4977(2007)05—0488—03
StudyontheModeofSolidificationforAI—SiAIIoy
inLostFoamProcess
WUXian—ming’,WUWei—gang
(1.NorthseaGrainsaridOilsIndustries(Tianjin)Co.,Ltd.,Tianjin300454,China;2.Schoolof
MaterialsScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,Heilongjiang,
China)
Abstract:CombinationwiththeconceptMDE,throughtestingofthedynamiccurvesofcasting
solidificationaboutAI.SieutecticalloyinIostfoamprocess.obtainthesolidificationmodeandeffect
ofthecastingsectionmoduleandthepouringtemperatureonMDE.Andpointouttheprincipleof
technologydesigntoAI—Sialloycastingforlostfoamprocess.Everyresulthasbeenvalidated
throughexperiment.’
Keywords:lostf0rmcastinlgprocessing;solidificationmode;mushysolidificationdegreeofeutectic
alloy
消失模铸造过程由于使用无粘接剂干砂铸型,铸
件凝固方式如何改变,各种工艺因素对铸造过程如何
影响,这是笔者研究的主要内容.金属的结晶与凝固
是铸件形成过程中的重要环节,很大程度上决定铸件
的组织,性能及缺陷的形成.铸件的凝固方式主要分
为逐层凝固,糊状凝固和中间凝固方式,对凝固方式
的判断一般依据AtJSt(其中?为结晶温度范围,8温
度梯度)数值的大小叫,由于金属合金特别是共晶型合
金的凝固区间Ate很难准确测量,而且对于薄壁铸件凝
固结晶时断面温度梯度8测量容易产生较大误差,日
本学者石原守央采用如图1所示的方法判断共晶合金凝
固方式[2],曲线1为铸件中心部分凝固曲线,曲线2为铸
件边缘部分凝固曲线,与铸件动态凝固曲线相对应见
图2,其糊状凝固程度(MushyDegreeofEutectic
Soli~fication)定义为MDE=tfft1.若MDE趋近?,此时
趋近0,铸件中心部分与边缘同时凝固,为完全糊状
凝固方式;若MDE趋近0,此时t趋近0,铸件整个断
面无同时凝固的部分,为完全逐层凝固方式.因此,
MDE值越大,糊状凝固程度越强,否则铸件趋于逐层
液
1.0
O.8
O.6
O.4
0.2
0.0
图iMDE计算图
Fig.1ThecurveforMDEcalculation
||1
.
7
/,,董/tt
,
时,min’’‘?,
一
t1At2
凝固动态曲线
图2铸件凝固动态曲线
Fig.2ThedynamicCurvesofcastingsolidification
收稿日期:2007--01-23.,
作者简介:吴献明(1965一),男,河北昌黎人,高级工程师,工学硕士,主
要从事铸造工艺和设备管理工作.
中心
液态区域
固态一液态
共存区域
凝固区域
铸型
铸造吴献明等:干砂消失模铸造铝硅合金凝固方式的研究?489?
凝固方式.笔者主要是将这一概念应用于消失模铸造
共晶铝硅合金凝固方式的试验研究.
1试验条件及方法
试验采用55/l00的洁净石英干砂.经测定,铸型
热物理参数为嘲,导热系数A2=0.66W?m??一,比热
c1.18J?g-1.?一,紧实率p1.6x10g?m,蓄热系数
61131.02J?m???S.模样材料为可发性聚苯乙
烯(EPS),模样经矾土水基涂料浸涂干燥后浇注.试
验过程全部使用ZL102合金电阻坩埚炉熔炼,压入法
加入三元钠变质剂,经0.3%六氯乙烷除气处理浇注.
图3为铸件动态凝固曲线测试装置,测温点选择保证
b>20,/[41.
浇口杯
图3试验装置图
Fig.3Setofexperiment
一
热
/
J
a/2l’
I-嗷大
导线
偶
2试验结果
2.1干砂消失模铸造与普通砂型铸造凝固方式的区别
试验过程中分别采用消失模铸造和普通砂型铸造
760?浇注断面为30mmx30mm铝硅合金试样,获得铸
件动态凝固曲线如图4所示(其中x,Ii=0时为铸件边缘,
)(/Rl=1时为铸件中心).因此有MDEA=t2/t1=(7.25,0.98)/
(0.98—0.84)=44.8,MDEs=tJt1=(5.04—0.85)/(0.85—0.15)=
6.0.可判定为干砂消失模铸造铝硅合金为糊状凝固方
式,普通砂型铸造铝硅合金趋于逐层凝固方式.图5为
该工艺条件下试验获得的消失模铸件和普通砂型铸件宏
观组织.明显可见,干砂消失模铸造为断面均布等轴
晶,而普通砂型铸造断面为由边缘向中心生长的枝状
晶,显然干砂消失模铸造过程为糊状凝固方式,普通砂
型铸造趋于逐层凝固方式,与前述MDE值有较好的对
应关系.
2.2模数,浇注温度对干砂消失模铸造MD瞄的影响
在760?温度下浇注不同断面模数试样,测得
MDE值见表1,采用不同的浇注温度浇注试样测得的
MDE值见表2.试验结果表明,干砂消失模铸造铝硅
合金糊状凝固程度随铸件模数的增大,浇注温度的提
高而加强,且前者对MDE值的影响尤为显着.
2.3干砂消失模铸造铝硅合金停止流动的机理
该工艺过程中,浇入的金属液前沿使得EPS模样
l2345678
时间/rain
(a)消失模铸造
0-33
(b)普通砂型铸造
图4铸件凝固动态曲线
Fig.4Thedynamiccurvesofcastingsolidification
(a)消失模铸件
(b)普通砂型铸件.
图5铸件宏观组织l×
Fig.5Themacrostructureofcasting
表1铸件模数对MDE值的影响
Table1EffectofcastingmoduleonMDE
表2浇注温度对MDE值的影响
Table2EffectofpouringtemperatureonMDE
气化,消耗了本身的热量使前沿整个断面很快进入凝
固区域析出等轴晶,金属液的粘度提高,同时产生的
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气体对金属的流动产生反向压力.当金属液的压力头
无法克服沿程阻力,粘度升高造成的阻力和EPS模样
气化造成的反向压力时,金属液停止流动,完成充型.
图6为取自消失模铸造试样末端的纵向剖面宏观组织,
由于其糊状凝固方式的特性,断面均布等轴晶,证明
其停止流动的机理是符合宽结晶范围合金停止流动的
机理的
图6试样纵向剖面宏观组织2x
Fig.6Thelongitudinalsectionmayostructureofsample
3试验结果分析
消失模铸造铝合金过程中,由于铸件完全凝固时
热量对铸型的穿透能力很小翻,铸型激冷效果较差,合
金液使得EPS模样气化后有足够的热量加热铸型,因此
铸件/铸型温差较小,造成铸件凝固过程中断面温度场
分布十分”平坦”,几乎同时进入凝固区域,整个断面
实现过冷形核,长大.另外,充型过程中,EPS模样气
化,增强液体的紊流,且铝合金导热能力较好,容易
在液体断面形成”平坦”的温度分布,使之呈现糊状
凝固方式.由图4a中可以看出,铸件边缘与中心开始
结晶的时间差较短0.14min(0.98—0.84),结束时间差
也只有0.25min(7.25—7.00),仅此段时间内铸件断面
存在温度差异,在整个凝固过程中,因温度梯度很小,
绝大部分时间里该断面上各点几乎同时达到临界过冷
的要求,处于同时凝固状态,形成糊状凝固方式.
主要工艺因素对于MDE值的影响可作分析如下:
随铸件模数增大,比表面积减少,亦即铸件凝固时有更
(上接第485页)铸铁锤头的耐磨性约为高锰钢Mnl3的
3.65,3.8倍.
(5)多元合金化复合变质处理高铬铸铁锤头的生产
成本低于常规Cr20Mo2CuNi高铬铸铁锤头的生产成本.
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[5]5许龙江.JN801新型高寿命立磨锤头的研制[J].煤矿机械,2000
多的热量要通过较少的面积散发出去,浇注温度提高,
凝固过程中液相线以上金属液有更多的热量加热铸型,
使得铸件/铸型温差降低,热传导作用减弱,这都势必
造成铸件内部温度场分布更加”平坦”,温度梯度减小,
凝固区域变宽,糊状凝固程度加强使Mt)E值增大.
4铸造工艺设计中的一些问题
干砂消失模铸造浇注过程中金属液使得EPS模样
气化,容易造成紊流.因此,浇注系统设计应充分考
虑平稳充型;使用该工艺铸造铝硅合金,结晶过程为
糊状凝固,使铸件中容易产生粗大的等轴晶粒和分散
的缩松.实际生产中,应加强合金的变质处理,避免
过高的浇注温度,热节处加强冷却措施,提高冒口的
补缩压力和有效距离,减少因金属液补充不足造成的
铸件缺陷.
5结论
(1)干砂消失模铸造铝硅合金符合糊状凝固方式
结晶,这与普通砂型铸造凝固过程相比发生了根本的
变化,且糊状凝固程度随铸件模数的增大,浇注温度
的提高而加强,前者对糊状凝固程度的影响尤为显着.
(2)干砂消失模铸造铝硅合金停止流动的机理与
宽结晶温度范围合金停止流动的机理相同,工艺设计
应采用宽结晶温度范围合金规范进行.
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