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近年来，航空、汽车发动机的零部件趋向轻量化、精密化，进而使薄壁铸件获得广泛的应用[1-5]。许多薄壁铸件的壁厚仅1.5~5mm ，这对铸造方法提出了更高的要求。某型号大功率发动机导向管属于薄壁件，材质为耐热不锈钢，合金熔炼温度较高，收缩倾向大。由于不锈钢的铸造性能较差，熔体的粘度大，对复杂薄壁铸件很容易形成气孔、裂纹、冷隔以及浇不足等缺陷[6-10]。前期试验中，采用熔模铸造方法，对制模工艺和成形工艺进行了研究[11-12]，获得了成形效果良好的不锈钢薄壁铸件。本研究主要从铸件的组织性能方面，对不锈钢薄壁铸件熔模铸造的不同浇注方式进行对比研究。
1试验方法及过程
1.1铸件的熔模铸造过程
试验对象为某型号发动机导向管，材质为耐热不
锈钢0Cr18Ni9，零件结构示意见图1。导向管是属于对称结构的薄壁零件，主体部分厚度为3mm ，并且在中间部位含有沟槽。
模具设计过程见文献[12]，模料配比：改性聚乙烯5%，改性松香5%，硬脂酸20%，石蜡70%。制模工艺为注蜡压力5MPa 、保压时间25s 的条件下，注蜡温度
梁艳峰1，董晟全1，丁宏2，李高宏1，张文兴1
（1.西安工业大学材料与化工学院，陕西西安710032；2.中国北方发动机研究所，山西大同037036）
摘要：以某型号大功率发动机薄壁不锈钢零件为对象，对熔模铸造过程中三种浇注方式（
顶注式、底注式与侧注式）的充型过程进行了模拟分析，研究了浇注方式对铸件微观组织和布氏硬度的影响。结果表明，浇注方式对铸件的微观
组织有显著影响。组织中铁素体的分布及数量与铸件轴向各部分凝固顺序有关。底注式铸件的平均硬度高于其他两种浇注方式的铸件。
关键词：薄壁铸件；熔模铸造；浇注方式
中图分类号：TG249.5文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2011）07-0652-04
LIANG Yan-feng 1,DONG Sheng-quan 1,DING Hong 2,LI Gao-hong 1,ZHANG Wen-xing 1
（1.School of Materials &Chemical Engineering,Xi'an Technological University,Xi'an 710032,Shaanxi,China;2.China North Engine Research Institute,Datong 037036,Shanxi,China ）
浇注方式对熔模铸造薄壁铸件组织与性能的影响
Effects of Pouring Ways on Microstructure and Properties of
Thin-Walled Castings by Investment Casting Process
基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目（09JK486）；西安工业大学校长基金项目（XAGDXJJ0909）。收稿日期：2010-12-14收到初稿，2011-02-21收到修订稿
作者简介：梁艳峰（1979-），女，讲师，博士生，研究方向为高性能有色金属及其复合材料成形技术。电话：029-********，
E-mail ：liangyan1979@https://www.doczj.com/doc/093732822.html,
Abstract ：A thin-walled part of stainless steel used in high-powered engine vehicles was selected as the current studying object.The filling processes of three pouring ways （top,bottom and side gate system ）in investment casting were simulated.The effects of pouring ways on the microstructure and the hardness of the castings were investigated.The results show that pouring ways have remarkable effect on the microstructure of castings.The distribution and the amount of ferrite phase in the microstructure are relative to the solidification sequence of each part of the castings along the axial direction.The average hardness value of the castings poured from bottom was higher than those of the castings poured from the top and side.
Key words ：thin-walled castings;investment casting;pouring ways Jul.2011Vol.60No.7
铸
造
FOUNDRY
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58℃、注蜡速度8mL/s、冷却时间10min。浇注方式
分别为顶注式、侧注式与底注式，图2是三种浇注方式
蜡模实图。浇注温度为1620℃，型壳的温度控制在
850~900℃，浇注时间约为3~4s。
1.2充型过程模拟
为了便于比较三种浇注系统的充型过程，应用铸
造模拟软件AnyCasting对铸件的浇注充型过程进行模
拟，模拟的步骤见图3。
1.3金相组织观察与铸件硬度测试
为了分析浇注方式对铸件组织的影响，在所制得的铸件上分别取上、中、下三个部位作为金相分析试样。铸件轴向总高度为160mm，上中下三个部位金相试样的上表面分别距铸件底部150mm、80mm和10mm。金相腐蚀液为王水，腐蚀时间为10s。采用Nikon EPIPHOT300型数字金相显微镜观察显微组织。
使用HB3000型布氏硬度测量计测试铸件上、中、下三个部位的硬度。硬度测试的试样为之前制备的金相试样，数据分析所用的硬度测试值均为3个试样的平均值。2试验结果及其分析
2.1三种浇注方式的充型过程的比较与分析
图4-图6分别是顶注式、侧注式和底注式浇注的充型率为45%和85%时的模拟图。
顶注式浇注时（图4），金属液流经横浇道从内浇道进入到型腔中，受重力作用，流体从内浇口处沿壁进入型腔，随着浇注的继续，进入型腔的液体的量加大，金属液以扇形流线继续充填型腔，最后充型部位在横浇道两侧。
侧注式浇注时（图5），金属液经直浇道从内浇道沿两侧圆周壁向前推进，同时朝内浇道一侧的液面沿垂直型壁上升，沿圆周推进的金属液在内浇道对侧汇聚。
底注式浇注时（图6），金属液首先从直浇道进入，再经横浇道分流从四个分散的内浇道进入型腔，液面平稳上升充型，能将金属液面上的空气很好地排出；在两沟槽处设有四个排气道，兼有排气和引流的作用，使气体不会大量淤积在沟角处，金属液沿内壁和外侧四个排气道持续上升充型，最后充型部位为铸件上部圆周处，此处需设排气道；由于有四个分散均匀内浇道，各处液流分配相当，各方向的液面基本保持平齐，这使得整个充型过程平稳，不易产生卷气、飞溅等，可以大大减少铸件缺陷的产生。
铸造梁艳峰等：
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2.2金相组织分析
图7分别是顶注式铸件、侧注式铸件与底注式铸件的金相组织图。由于铸件材质为0Cr18Ni9合金，因此铸件的金相组织以奥氏体为主，其上分布着条状和岛状α铁素体[13-14]。文献[15-16]指出，温度场影响着基体组织中铁素体的分布，过热区的铁素体分布较少，而前沿激冷区的铁素体分布较多。
图7a中顶注式铸件上部组织中分布着较少的条状和岛状铁素体，而且分布不均匀，有部分氧化夹杂，其原因是铸件上部形成比较严重的过热区，使铁素体的形核率下降，而且浇注时冲溅严重；铸件中部组织与上部相比，组织中条状和岛状铁素体明显增多，杂质也很少；铸件下部在凝固过程中处于前沿激冷区，条状和岛状铁素体分布更多，条状铁素体的间距更小而且分布均匀。
图7b中侧注式铸件中部组织中分布着少量的条状铁素体和岛状铁素体，而且分布不是非常均匀；下部组织中铁素体的分布较中部多一些，而上部的组织中铁素体比中下部分布更多，分布也更加均匀。形成的原因是由于内浇道位于铸件中下部，金属液体只通过此处的内浇道进入型腔，造成铸件中下部过热致使铁素体的形核率下降；而上部处于前沿激冷区，铁素体形核率较高。
图7c中底注式铸件上中下三个部位的微观组织形貌上比较接近，在奥氏体基体上分布着大量的条状和岛状铁素体，分布比较均匀，条状铁素体间距较小。
图7顶注式、侧注式和底注式铸件的金相组织
Fig.7Metallographic microstructures of the castings poured from top，side，and bottom （a）顶注式（b）侧注式（c）底注式
2.3铸件的硬度测试
不同浇注方式所得铸件硬度测试结果见图8。可以看出，底注式铸件在轴向方向上，从下至上硬度有所增大，但增加不大；原因在于上部为前沿激冷区，组织最为细密，硬度也偏大。顶注式铸件轴向硬度变化趋势与底注式相反，上部的硬度值最小。这是因为铸件上部是最后凝固部位，容易出现铸造缺陷。侧注式铸件轴向硬度变化趋势与底注式类似，但中上部变化非常小。10~80mm部位位于内浇道高度位置，比铸件上部过热，组织较差，因此其硬度偏低。总体上，浇注方式对铸件硬度影响显著，底注式铸件的平均硬度高于侧注式和顶注式铸件。
3结论
（1）顶注式、底注式、侧注式三种浇注方式获得的铸件金相组织有明显区别。铁素体的分布及数量与
图8铸件的硬度测试Fig.8Hardness of the castings FOUNDRY
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浇注方式引起的铸件轴向各部分凝固顺序有关。
（2）浇注方式对铸件硬度影响显著，底注式铸件的平均布氏硬度高于顶注式和侧注式铸件。
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（编辑：潘继勇，pjy@https://www.doczj.com/doc/093732822.html,）
铸造梁艳峰等：
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