可熔金屬鑄型鑄造技術的快速凝固特徵研究

《可熔金屬鑄型鑄造技術的快速凝固特徵研究》是依託上海交通大學，由張衛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：可熔金屬鑄型鑄造技術的快速凝固特徵研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張衛
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

控制凝固速度對鑄造成型技術有具有重要影響，凝固速度取決於鑄型的冷卻能力，而鑄件與鑄型之間的氣隙是制約冷卻能力的關鍵所在。基於消除氣隙的考慮，申請者提出了一種新型具有快速凝固特徵的鑄造方法：可熔金屬鑄型鑄造技術，即採用低熔點金屬，如Al，Zn,Sn及其合金等作為鑄型材料，澆鑄完成，鑄件凝固殼形成後，鑄型表面升溫熔化填充氣隙，進而提高鑄件冷卻及凝固速度。針對該技術的基本原理，本項目擬採用自行開發的瞬態界面換熱測量裝置研究鑄型/鑄件熔體、鑄型熔體/鑄件之間的界面換熱係數及其規律，在結合計算機模擬的基礎上，找到鑄型和鑄件關於材料和尺寸的最佳設計準則，使得鑄型/鑄件界面始終保持液態接觸，從而獲得快速凝固效果。本研究可為新材料的開發提供新的方法，因此具有重大的工程價值和科學意義。

結題摘要

改善界面換熱條件可以明顯增加鑄錠凝固速度，進而提高材料性能。基於此，本項目研究了金屬熔體在基體上凝固初期的傳熱機制，利用界面液-固接觸狀態下熱流量大，冷卻速率高這一特性，提出了一種新型可熔金屬鑄型鑄造技術。為驗證該方法的可行性，首先設計熔體滴落實驗模擬金屬與基體接觸瞬態的界面換熱情況，採用基體-熱電偶一體化的T型熱電偶提高解析度。研究了熔體滴落後20ms內界面換熱係數變化規律，研究材料包括Al-Cu、Al-Si、Al-Zn以及Al-Mg合金，結果表明，熔體與基體接觸瞬間界面換熱係數具有最大值，隨後逐漸降低，界面換熱係數變化規律可以用指數函式近似表示。其次使用304不鏽鋼作為實驗材料製備小型鑄錠，採用商業軟體建立簡化模型模擬計算了304不鏽鋼在可熔鑄型凝固過程中的液相率和溫度場變化，結果表明，可熔鑄型在金屬液充型完成開始熔化，此時鑄錠已形成的一薄層凝固殼，避免了鑄型材料和鑄錠材料在液態下的混合，鑄錠凝固過程中可熔鑄型始終保持液態，有效消除了界面氣隙。最後，研究了可熔鑄型方法對X12馬氏體不鏽鋼和M2高速鋼的組織細化效果。M2高速鋼是用於製作高速切削刀具常用鋼種之一，其典型鑄態組織為樹枝狀基體組織間分布有網狀連續的共晶碳化物，高速鋼導熱能力差，碳化物粗大且嚴重損害高速鋼使用性能。通過對比實驗發現，使用可熔鑄型可以提高高速鋼凝固速度達100%，得到更加細小具有複雜層片狀形貌的M2C碳化物，EDS分析發現可熔鑄型熔化後僅有極少量Al元素通過熱擴散滲入鋼錠，深度約為250μm，可通過後續加工除去，因此可熔鑄型不影響原始合金成分。