镂空铸型对HT300 组织和力学性能的影响

张龙江，马秉平，刘天平，苏少静，纳建虹

（共享装备股份有限公司，宁夏 银川 750021）

3D 打印技术是近30 年快速发展的先进制造技术，其优势在于三维结构的快速和自由制造，被广泛应用于新产品开发、单件小批量制造。其中，砂型3D 打印技术，是3D 打印中很重要的一部分，其原理如下：喷头在计算机控制下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层砂子材料上，有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成截面层，一层完成后，工作台再下降一个层厚，铺粉，喷射粘结剂，进行下一层的粘结，如此循环形成产品原型。

尽管砂型3D 打印已经开展了很多研究并取得了很多显著的成果，但砂型铸型一般都是密实的，长期以来也没有发生本质的变化。传统密实铸型的冷却能力主要靠自身的蓄热（铸型的质量一般是铸件的几倍到几十倍），因此金属液浇注后首先发生激冷，但随着温度的降低，铸型冷却能力逐渐下降，到后期冷却能力非常微弱，因此，后期铸件的冷却速率非常缓慢，这大大延长了铸件的打箱时间，严重影响了铸件的生产效率。虽然可以采用提前落砂的方法让铸件在空气中冷却来提高生产效率，但这容易导致铸件变形甚至开裂。镂空结构铸型通过设计冷却控制系统，实现铸件凝固冷却过程的调整，从而调控铸件的显微组织、机械性能和残余应力，获得性能优异、应力低、无变形的产品。

1 试验方法

通过3D 打印机制备密实和镂空砂型，打印设备为共享2500A 型号打印机。使用的材料是50～100 目陶粒砂、呋喃树脂以及配套固化剂。打印参数如下：打印层厚0.44 mm，树脂质量分数2.0%，固化剂质量分数0.44%.

图1 为生产HT300-φ30 mm 试棒专门设计的密实和镂空铸型，镂空铸型采用表面加强筋的镂空方式。密实铸型的重量为16 kg，采用表面加强筋镂空方式的铸型重量仅为4.5 kg，

图1 密实和镂空后HT300-φ30 mm 试棒铸型图

2 密实砂型与镂空铸型对比

可以看出，镂空后铸型重量减重十分明显，重量由16 kg 减至4.5 kg，减重率高达72%.

2.1 试棒冷却速率的影响

图2 为HT300-φ30 mm 试棒浇注后的测量降温速率和对应的冷却曲线图，浇注完成后，即将热电偶插入试棒铁水以下100 mm 左右进行测量温度。其浇注温度为1 400 ℃，打箱温度为300 ℃.图2 表明，铸型镂空后，试棒冷却速率在不同阶段不同。浇注完成到1 250 ℃以上时，密实和镂空铸型的冷却速率基本相当，这是因为此时试棒冷却主要依靠铸型吸热和导热。当温度降低至1 250 ℃～900℃，镂空铸型的冷却速率开始加快，此时，密实铸型和镂空铸型的冷却速率分别为360 ℃/h 和260 ℃/h.当温度进一步降低直至200 ℃，密实和镂空铸型的冷却速率基本趋于一致，这是因为后期散热主要靠空气冷却。

图2 HT300-φ30 mm 试棒在密实和镂空铸型下的冷却速率

2.2 试棒金相组织和力学性能的影响

图3 为HT300-φ30 mm 试棒在密实和镂空铸型下的金相组织，表1 为试棒在密实和镂空铸型下的基体组织、石墨形态和石墨尺寸。从图3 和表1中可以看出，与密实铸型相比，铸型镂空后，试棒的基体组织主要还是珠光体为主，含量＞98%+F，变化不大；石墨大小也没有明显差别，石墨平均尺寸都在4μm左右；但是石墨形态有较大差别，密实铸型的石墨形态为95%A+5%E，镂空铸型的石墨形态90%A+10%D+E，D+E 形石墨占比增加了10%，A型石墨降低了5%。跟据上面冷却速率试验，这主要可能是因为镂空后试棒的冷却速率加快所致。

图3 HT300-φ30 mm 试棒在密实和镂空铸型下的金相组织

同时，表1 还给出了为HT300-φ30 mm 试棒在密实和镂空铸型下的布氏硬度、抗拉强度等力学性能。从表1 可以看出，试棒在密实和镂空铸型下布氏硬度和抗拉强度分别为202HBW、202HBW 和324 MPa、334 MPa，布式硬度基本不变，抗拉强度提高了10 MPa.这主要是因为镂空后试棒的石墨形态中石墨尺寸变小，D 形石墨占比增加。

表1 HT300-φ30 mm 试棒在密实和镂空铸型下的金相组织和力学性能

3 结论

与密实铸型相比，采用表面加强筋镂空后铸型重量减重十分明显，而且由于冷却速度加快，HT300铸件的石墨形态变好导致性能也会相应提高。经过科学合理的镂空设计，3D 打印铸型重量可以显著降低，从而大大降低了3D 打印成本。3D 打印砂型镂空化设计，为推动3D 打印砂型在铸造等领域的产业化应用具体重要意义。