細晶鑄造工藝研究

柳松青

（哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150001）

一般來說有3種控制晶粒基本方法：機械方法，化學方法和熱學方法。機械方法，就是當液態金屬凝固時進行連續攪拌。通過攪拌把在凝固時開始形成的枝晶打碎，這樣可產生更多的結晶核心，并抑制晶粒長大。但是，由于凝固受到限制，在晶粒之間產生許多微孔，需要通過熱等靜壓才能使微孔密實。化學方法包括使用孕育劑，這種孕育劑是一種比合金本身熔點低的化合物，能產生局部不均勻和擇優形核位置。雖然使用這種技術可以得到細晶粒，可是孕育劑能帶進一些氧化物成為非金屬夾雜物，使形核位置變成疲勞裂紋源。熱學方法是一種較好的方法，在常規鑄造工藝中最容易實現。通過保持低的澆注溫度，合金能迅速凝固，因此可控制晶粒長大。下面用熱學方法通過實驗來研究細晶鑄造工藝過程。由于熔模鑄造能減少加工切削余量降低成本，提高尺寸精度和表面粗糙度以及材料的機械性能，從而達到升級產品檔次的目的，并且實驗室有熔模鑄造所需要壓蠟機、制殼機、脫蠟機和感應爐等設備，所以，本次實驗采用熔模鑄造的方法。

1 鑄模系統

鑄模材料通常被預熱到1000℃左右高溫，能使耐火材料完全脫氣。然而熔融合金一般是在大約1500℃左右溫度下注入模中，額外的熱量能產生瞬間排氣而帶進模中，這樣就會產生未填充區。因此，在這種溫度下，鑄模材料的滲透性是很重要的。如果使用一種滲透性好的模殼壁，就能迅速排出氣體，使熔融金屬充滿空腔。

一般熔模鑄造工藝使用蠟模和膠狀二氧化硅/鋯石粉作為表面涂層。表面上逐次涂上大約6層左右鋯砂和粘合液，形成相當致密的殼層。由于這種模殼的滲透性低，造成鑄件缺肉是共同的毛病。為了生產不損失強度的多孔結構模殼，曾試過加各種添加劑。有人用木屑代替沙子作為第三層或第四層。當加熱時，木屑被燒掉，留下一個多孔層，但遺憾的是，這層粘結性差，模殼強度受到損失。為解決此問題，本實驗使用直徑大約為1mm玻璃球層代替粉灰層。當模殼被加熱時，玻璃與附近的鋯石顆粒熔合在一起，留下一個多孔層。這種模殼具有好的強度和滲透性。

2 坩堝類型

本實驗采用IN100合金。為了保持鑄件的清潔，合金是在以耐火材料為襯套的坩堝中熔煉的。為了使結渣和氧化物不帶入下次熔煉或積聚在坩堝壁上，這種由鋯石做成的襯套用完一次后就不再使用了。為了防止鋯石中二氧化硅與熔融合金中的H f發生反應而形成H f O2，需要一種不含二氧化硅的坩堝襯套。有人用過氧化鎂基、氧化鋯基和氧化鋁基系統作為代用品，但這些耐火材料大都需要二氧化硅粘合劑才能達到足夠的燒后強度，因此都不令人滿意。

氧化鋁基襯套是用蠟制芯棒和6次涂敷氧化鋁粘合液及灰泥制成的。這種襯套焙燒后熔煉合金，沒有明顯反應，合金水表面無渣。但熱強度低，爐襯有開裂現象。為解決這一問題，把原來鋯石襯套的內表面噴涂氧化鋁粘合劑，然后焙燒。這樣襯套熔煉合金就沒有什么反應，襯套沒有開裂，氧化鋁表面涂層也沒有剝離，因此，這個系統就用在實驗中。

3 實驗工藝

3.1 澆注溫度

先測定合金凝固點的準確值P，以便規定幾個P+T的特定值來改變澆注溫度（T是在凝固點以上的溫度差）。本實驗是通過在熔液內插入熱電偶實際測定凝固時的冷卻曲線這種方法來測定凝固點P。根據以往經驗，IN100合金銳角三角形試樣的實驗澆注溫度選為P+45℃，P+35℃，P+25℃，P+15℃，P+5℃，通過顯微鏡觀察試樣橫截面，可以看出晶粒隨澆注溫度降低而不斷縮小。經過比較發現，澆注溫度低出現缺肉，澆注溫度高晶粒大。當澆注溫度P+15℃左右時，得到令人滿意的細晶，這樣就確定了細晶工藝的澆注溫度。

3.2 過熱溫度

在一般鑄造工藝中，合金都加熱到超過其熔點溫度，并保持一定時間對其進行穩定化處理。這種過熱一般在P+250℃下進行，以達到均質化并溶解所有相，包括難熔元素的碳化物，這樣就能消除合金以前加工全過程的影響。如果實行這樣過熱工藝，合金冷卻到P+15℃左右溫度澆注，那么得到的將是粗大晶粒。因此，過熱時間要適當，過熱溫度要降低，以使合金完全熔化而其中碳化物不熔化，碳化物存在有助于晶粒形核過程。較低溫度另一有益作用是降低合金和與其相接觸的耐火材料之間的化學反應。經過多次試驗，過熱溫度為P+50℃左右，過熱時間為6min左右。

3.3 模溫

用1050℃、1100℃、1150℃和1200℃預熱的模具進行比較試驗，在較高溫度下得到較大的晶粒，溫度低出現一定程度的未充滿。最后選擇了最佳溫度為1100℃.

3.4 冷卻速度

在金屬凝固過程中，一般用冒口來儲備一定量的液態金屬以補償收縮。金屬保持熔融的時間是凝固鑄件補縮的關鍵，這個時間隨冒口的尺寸和位置而變。若時間太短，鑄件可能出現收縮。若時間太長，可能產生晶粒長大。因此，控制模具中的凝固，特別是冒口內的凝固是特別重要的。實驗中使用一種專門設計的大體積的澆口，以便得到高的金屬靜壓力差和大體積的有效液態補縮金屬，達到細晶目的。

4 實驗結果

采用細晶工藝的試樣獲得的晶粒直徑為0.1811mm，167晶粒數/mm3。試樣經過X-射線檢查，沒有發現顯微縮孔。表1為IN100合金常規砂型鑄造與細晶工藝試樣的平均力學性能。

表1 IN100合金試樣的平均力學性能

表1示出IN100合金試樣在260℃下低周疲勞和室溫拉伸數據。所有的試棒都是從試樣部分切取的。可以看出，細晶工藝的試樣壽命增加較多，拉伸性能也得到提高。

5 結論

本實驗采用細晶工藝是一種比較經濟的工藝，能得到細小晶粒結構的試樣，其具有優良的低周疲勞性能，并且破斷性能沒有受到損失。細晶工藝的一個重要成就是性能的再現性，因為無損檢驗方法的不可靠，必須依靠嚴格的過程控制以確保鑄件的密實性。細晶工藝生產出均勻晶粒的鑄件，并使生產程序更為可靠。

［1］袁文明，湯鑫，高溫合金細晶鑄造工藝及其應用［J］.鑄造，1996（6）：39-41.

［2］殷克勤.我國航空渦輪高溫材料及工藝進展［J］.材料工程，1997（9）：3-5.