可熔金属铸型铸造技术的快速凝固特征研究

Control of the solidification rate has important effect on casting technology. The solidification rate depends on the cooling ability of the mould. However, the gap between the mould and solidified shell is the key factor of determining the cooling ability.In order to eliminate the gap, a novel casting techonlogy, named as Fusible Metal Mould Casting(FMMC), is presented by the applicant. Its chief feature is that the mould is made of the metals with low melting points, such as Al, Zn, Sn and their alloys. Once the solidified shell of casting formed, the inner mould surface melts,for the temperature is higher than its the meltingpoint. As a result, the gap between the mould and casting is filled by liquid metal and then the high cooling ability can be obtained. Aiming at the priciple, the interfacial heat transfer coefficient and its law between the mould and casting will be studied by the transient interfacial measuring device designed by ourself. Based on the computer simulation,finding the best design criterion for the materials and sizes of the mould and the castings, by which realizing the liquid contact between the castings and mould during the whole solidification process and obtaining the rapid solidification rate. The research will present a new method for the exploitation of new meterials,therefore which is of great value in engineering and science.

控制凝固速度对铸造成型技术有具有重要影响，凝固速度取决于铸型的冷却能力，而铸件与铸型之间的气隙是制约冷却能力的关键所在。基于消除气隙的考虑，申请者提出了一种新型具有快速凝固特征的铸造方法：可熔金属铸型铸造技术，即采用低熔点金属，如Al，Zn,Sn及其合金等作为铸型材料，浇铸完成，铸件凝固壳形成后，铸型表面升温熔化填充气隙，进而提高铸件冷却及凝固速度。针对该技术的基本原理，本项目拟采用自行开发的瞬态界面换热测量装置研究铸型/铸件熔体、铸型熔体/铸件之间的界面换热系数及其规律，在结合计算机模拟的基础上，找到铸型和铸件关于材料和尺寸的最佳设计准则，使得铸型/铸件界面始终保持液态接触，从而获得快速凝固效果。本研究可为新材料的开发提供新的方法，因此具有重大的工程价值和科学意义。

改善界面换热条件可以明显增加铸锭凝固速度，进而提高材料性能。基于此，本项目研究了金属熔体在基体上凝固初期的传热机制，利用界面液-固接触状态下热流量大，冷却速率高这一特性，提出了一种新型可熔金属铸型铸造技术。为验证该方法的可行性，首先设计熔体滴落实验模拟金属与基体接触瞬态的界面换热情况，采用基体-热电偶一体化的T型热电偶提高分辨率。研究了熔体滴落后20ms内界面换热系数变化规律，研究材料包括Al-Cu、Al-Si、Al-Zn以及Al-Mg合金，结果表明，熔体与基体接触瞬间界面换热系数具有最大值，随后逐渐降低，界面换热系数变化规律可以用指数函数近似表示。其次使用304不锈钢作为实验材料制备小型铸锭，采用商业软件建立简化模型模拟计算了304不锈钢在可熔铸型凝固过程中的液相率和温度场变化，结果表明，可熔铸型在金属液充型完成开始熔化，此时铸锭已形成的一薄层凝固壳，避免了铸型材料和铸锭材料在液态下的混合，铸锭凝固过程中可熔铸型始终保持液态，有效消除了界面气隙。最后，研究了可熔铸型方法对X12马氏体不锈钢和M2高速钢的组织细化效果。M2高速钢是用于制作高速切削刀具常用钢种之一，其典型铸态组织为树枝状基体组织间分布有网状连续的共晶碳化物，高速钢导热能力差，碳化物粗大且严重损害高速钢使用性能。通过对比实验发现，使用可熔铸型可以提高高速钢凝固速度达100%，得到更加细小具有复杂层片状形貌的M2C碳化物，EDS分析发现可熔铸型熔化后仅有极少量Al元素通过热扩散渗入钢锭，深度约为250μm，可通过后续加工除去，因此可熔铸型不影响原始合金成分。