畢曉軍，袁志莉，王 毅，陳志雪，畢思聰

（1.風(fēng)帆股份有限公司有色金屬分公司，河北 保定 071100；2.北京科技大學(xué)，北京 100083）

0 前言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，鉛鈣合金已替代鉛銻合金成為蓄電池板柵的主流材料。鉛鈣合金的鑄造性能是鉛蓄電池板柵成型的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，而鉛鈣合金的流動(dòng)性很大程度上決定了合金的鑄造性能[1]。影響合金流動(dòng)性的內(nèi)在因素是合金成分，同類合金成分不同時(shí)，由于微觀結(jié)晶機(jī)制不同而使流動(dòng)性出現(xiàn)很大差異。液體合金的過冷度、型腔溫度等外在因素也對(duì)合金流動(dòng)性產(chǎn)生一定作用[2]。目前普遍采用的合金流動(dòng)性的測(cè)試法是螺旋試樣法，該方法使用三角形截面螺旋形型腔，在一定條件下合金液體在螺旋型腔中流動(dòng)成型，得到螺旋形試樣，以螺旋試樣的長(zhǎng)度衡量合金流動(dòng)性的好壞[3]。這種方法由于型腔簡(jiǎn)單，因此適應(yīng)性較廣，但也由于型腔簡(jiǎn)單，與板柵鑄型的差距較大，不能反映板柵鑄造過程中既有縱向又有橫向流動(dòng)的流動(dòng)性能。

本文在原有測(cè)定合金流動(dòng)性方法的基礎(chǔ)上，改變充型試樣形狀，使之接近板柵鑄型，在測(cè)定合金流動(dòng)性充型時(shí)，能真實(shí)地反映出板柵制作過程中，合金液體既有縱向流動(dòng)特性又有橫向流動(dòng)特性兩方面的特性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 設(shè)計(jì)思路及方案

為了更好地反映鉛鈣合金板柵實(shí)際鑄造時(shí)合金流動(dòng)性及充型能力，本文提出合金流動(dòng)性測(cè)試模具的設(shè)計(jì)思路和方案如下：

⑴測(cè)試模具采用金屬型，材質(zhì)為 Q235。金屬型模具質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定，表面粗糙度小并與實(shí)際生產(chǎn)方式保持一致。

⑵設(shè)計(jì)水平分型和垂直分型兩種分型方式的測(cè)試模具。水平分型模的分型面是型腔水平方向的最大尺寸所在的面。垂直分型模是型腔在垂直方向的最大尺寸。

⑶根據(jù)兩套模具的分型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)型腔的形狀。為了減小金屬型的尺寸和節(jié)約材料，二者的型腔在長(zhǎng)度上需要具有一定的彎曲，這樣能夠在較小的金屬型內(nèi)開設(shè)更大的型腔長(zhǎng)度。水平分型模的型腔設(shè)計(jì)成螺旋形，型腔在上下模中對(duì)稱分布。垂直分型模的型腔設(shè)計(jì)成“S”形，型腔在左右模中對(duì)稱分布。為了適應(yīng)板柵的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，型腔為三流道，且等距離地設(shè)置橫流道，使型腔呈現(xiàn)一定意義上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

⑷在澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由模具的型腔形狀決定了水平螺旋形模具采用頂注式澆注系統(tǒng)，垂直S 形模采用底注式澆注系統(tǒng)[4]。

⑸由型腔的形狀確定水平螺旋形模的外形為圓形，垂直 S 形模的外形為矩形。模具的最大外形尺寸由型腔和經(jīng)驗(yàn)壁厚確定。

1.2 水平螺旋形模具

1.2.1 水平螺旋形模具的制作

根據(jù)板柵件的尺寸確定流動(dòng)性試樣的尺寸，但考慮到加工難度，試樣的截面尺寸適度加大，同時(shí)結(jié)合板柵的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鑄件也要由傳統(tǒng)的單流道改成三流道，試樣的直徑初步設(shè)定為 φ3 mm，橫流道的弧長(zhǎng)間距為 20 mm，總長(zhǎng)度為 1.5 m。根據(jù)設(shè)計(jì)思路及方案，制作了水平螺旋形模具（圖1）。

圖1 水平螺旋形模具

1.2.2 水平螺旋形模具測(cè)試

利用水平螺旋形模具在澆鑄溫度為 520 ℃ ，模具保溫溫度分別為 25 ℃ 和 250 ℃ 的條件下測(cè)試鉛鈣合金流動(dòng)性，合金中ω(Ca) 為 0.09%～0.11%，ω(Al) 為 0.02%～0.03%（圖2）。

圖2 模具保溫溫度為 (a)25 ℃ 和 (b)250 ℃ 的水平螺旋形模具澆鑄試樣

根據(jù)圖2，在鉛鈣合金澆鑄溫度為 520 ℃，水平螺旋形模具保溫溫度為 25 ℃ 的情況下，鑄件試樣平均長(zhǎng)度為 16 mm；在合金澆鑄溫度為 520 ℃，模具保溫溫度為 250 ℃ 的情況下，鑄件試樣的平均長(zhǎng)度為 37 mm。由此可見，模具的保溫溫度決定鉛鈣合金流動(dòng)的距離。但在此兩個(gè)溫度下，合金流動(dòng)的距離都非常短，且在澆鑄實(shí)驗(yàn)中，鑄件從模具中取出時(shí)易變形，鑄件脫模是一個(gè)很大的問題。

1.3 垂直 S 型模具

1.3.1 垂直 S 型模具的制作

垂直 S 形模具的型腔由傳統(tǒng)的單流道改成三流道，流道直徑初步設(shè)定為 φ3 mm，橫流道間距為 10 mm，總長(zhǎng)度為 1.5 m。在垂直于水平面的方向上設(shè)計(jì)成“S”形，可以在減小金屬型尺寸的基礎(chǔ)上增大鑄件長(zhǎng)度，模具的分型面同樣選在最大平面上。垂直 S 形模具的直澆道全長(zhǎng) 251 mm，上端直徑 φ25 mm 是由澆口杯的凸臺(tái)確定，直澆道與澆口杯連接的部分采用 H8/f9 間隙配合。在垂直方向上的總高度以型腔的垂直高度為準(zhǔn)。其尺寸見圖3。

圖3 垂直 S 形模具的直澆道

直澆道窩與直澆道的末端相連，一側(cè)連接著型腔。形狀是底部帶有 R5 圓倒角的圓柱形空腔，直徑為 φ20 mm，深 32 mm。在該模具中，直澆道窩可以緩和金屬液的高度沖擊，使之能夠從一側(cè)平穩(wěn)地流入型腔。

圖4 垂直 S 型模具

1.3.2 垂直 S 型模具的測(cè)試

圖5表示利用垂直 S 形模具分別測(cè)試鉛鈣合金在澆鑄溫度為 520 ℃，模具保溫溫度為 25 ℃ 和250 ℃ 的條件下所得到的澆鑄試樣。

圖5 模具保溫溫度為 (a)25 ℃ 和 (b)250 ℃ 的垂直 S 形模具澆鑄試樣

根據(jù)圖5，在鉛鈣合金澆鑄溫度為 520 ℃，垂直 S 形模具保溫溫度為 25 ℃ 的情況下，鑄件試樣的平均長(zhǎng)度為 93 mm，在合金澆鑄溫度為 520 ℃，模具保溫溫度為 250 ℃ 的情況下，鑄件試樣的平均長(zhǎng)度為 144 mm。由此可見，使用垂直 S 型模具在此兩個(gè)溫度下，合金流動(dòng)的距離都比使用水平螺旋形模具長(zhǎng)。但與過長(zhǎng)的直澆道相比長(zhǎng)度仍不理想，且鑄件下部存在縮孔、縮松等缺陷。分析為澆口杯、直澆道過長(zhǎng)導(dǎo)致合金液散熱太快，未進(jìn)型腔溫度就已大大降低，同時(shí)細(xì)長(zhǎng)的澆道導(dǎo)致澆注速度從澆口流入后突然增大，使縮孔體積增大。

1.4 模具的改進(jìn)

1.4.1 改進(jìn)方案

由于水平螺旋形模具的鑄件脫模困難，所以舍棄該套模具。針對(duì)垂直 S 形模具中存在澆口杯熱量損失、鑄件缺陷嚴(yán)重等問題，對(duì)模具進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)并制造第三套流動(dòng)性測(cè)試模具，改進(jìn)方案如下：

⑴采用垂直分型方式便于鑄件脫模，左右模完全對(duì)稱，模具外形為矩形，尺寸由型腔尺寸確定，模具壁厚采用經(jīng)驗(yàn)值；

⑵為了減少鉛鈣合金液在澆口杯中的熱量損失，在該套模具中不再另設(shè)澆口杯，使?jié)部诒c直澆道、型腔連在一起，全部開設(shè)在金屬型內(nèi)部，并采用頂注式；

⑶把型腔改為“U”形，其直徑尺寸由原來的φ3 mm 改為 φ5 mm，左右對(duì)稱。減少了彎曲數(shù)量，并且增大型腔尺寸，可減少缺陷的產(chǎn)生，提高鑄件強(qiáng)度；

⑷排氣孔與型腔的末端相連，高度由直澆道與澆口杯的總高度確定，對(duì)稱開設(shè)在左右模中。模具采用對(duì)角定位與四角緊固。

1.4.2 模具制作

根據(jù)改進(jìn)方案，制作了改進(jìn)模具。改進(jìn)模具是一套垂直分型模，外形尺寸為 60×230×280 mm3，左右模完全對(duì)稱，不會(huì)存在合模困難的問題，見圖6。

圖6 改進(jìn)模具示意圖

1.4.3 模具測(cè)試

改進(jìn)后的模具分別在 25 ℃、 150 ℃、200 ℃、250 ℃ 保溫，澆鑄溫度為 430 ℃、480 ℃、520 ℃時(shí)，鉛鈣合金的澆鑄試樣如 7。從圖7可以看出，鉛鈣合金流動(dòng)的距離隨模具的保溫溫度及澆鑄溫度的升高而增長(zhǎng)，并且具有明顯的差別。

圖7 模具保溫溫度為(a)25 ℃、(b)150 ℃、(c)200 ℃、(d)250℃澆鑄試樣

1.4.4 利用 ProCAST 軟件模擬驗(yàn)證[5]

1.4.4.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)定包括虛擬模具、材料熱物性參數(shù)、澆鑄條件、運(yùn)行條件等參數(shù)的設(shè)置。

設(shè)置虛擬模具的三維坐標(biāo)起點(diǎn)與終點(diǎn)要與設(shè)計(jì)的模具金屬型尺寸相符，設(shè)置好參數(shù)后計(jì)算出虛擬模具并保存。鑄件與模具的界面接觸換熱系數(shù) h，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇一個(gè)固定值h=2000。模具材料選擇數(shù)據(jù)庫中提供的低碳鋼。材料的熱物性參數(shù)[6]見表1。澆鑄條件、運(yùn)行條件按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定，其余的參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值。

表1 鉛鈣合金熱物性參數(shù)

1.4.4.2 模擬驗(yàn)證

參數(shù)設(shè)置好后，按實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件分別在 25 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃ 下保溫，澆鑄溫度為 430 ℃、480 ℃、520 ℃，鉛鈣合金的模擬澆鑄見圖8。

圖8 模具保溫溫度為 (a)25 ℃、(b)150 ℃、(c)200 ℃、(d)250℃ 模擬試樣

測(cè)量和計(jì)算圖中模擬澆鑄結(jié)果與實(shí)際澆鑄試樣的平均長(zhǎng)度，列出不同實(shí)驗(yàn)溫度下二者的平均長(zhǎng)度以及差值，如表2所示。根據(jù)表2，模具在不同溫度下保溫時(shí)，模擬澆鑄結(jié)果與實(shí)際澆鑄試樣的長(zhǎng)度差值隨澆鑄溫度升高而減小。模具在 25 ℃ 保溫時(shí)，澆鑄試樣的長(zhǎng)度比模擬澆鑄結(jié)果長(zhǎng)，是因?yàn)槟＞邷囟冉咏覝兀静淮嬖跓崃繐p失，但模具下半部分靠近保溫爐的底部，溫度比上半部分高，而熱電偶測(cè)得 25 ℃ 是上半部分的溫度，在模擬澆鑄時(shí)模具上下均溫 25 ℃，因此使實(shí)際澆鑄試樣的長(zhǎng)度大于模擬澆鑄結(jié)果。模具在較高溫度下保溫時(shí)，實(shí)際澆鑄試樣的長(zhǎng)度都不如模擬澆鑄結(jié)果是因?yàn)槟＞弑販囟纫坏┥?，在打開爐蓋和澆鑄過程中，澆口杯接近室溫，存在一定的熱量散失，使?jié)茶T試樣的長(zhǎng)度短于模擬澆鑄結(jié)果。利用該模具測(cè)試模具保溫溫度為 250 ℃，澆鑄溫度為 520 ℃時(shí)的合金流動(dòng)性，得到的實(shí)際澆鑄試樣最接近理想狀態(tài)，與模擬澆鑄結(jié)果的偏差約為 0.5%，同生產(chǎn)鉛鈣板柵時(shí)的溫度相符，且鑄件的縮孔、縮松明顯減少。因此該模具可以用于測(cè)試鉛鈣板柵合金的流動(dòng)性。

表2 模擬澆鑄結(jié)果與實(shí)際澆鑄試樣的平均長(zhǎng)度與差值

2 結(jié)論

本課題為了研究測(cè)試鉛鈣板柵合金流動(dòng)性的方法，設(shè)計(jì)并制造了三套金屬型重力鑄造模具，并利用其進(jìn)行澆鑄實(shí)驗(yàn)。由于前兩套測(cè)試鉛鈣合金流動(dòng)性的模具得到的澆鑄試樣長(zhǎng)度不理想，因此對(duì)原因進(jìn)行了分析，并對(duì)模具加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)并制造第三套測(cè)試模具。由該模具得到的澆鑄試樣長(zhǎng)度在不同保溫溫度及澆鑄溫度下存在明顯的差別，并且都在模具型腔長(zhǎng)度范圍內(nèi)，同時(shí)利用 ProCAST 軟件對(duì)鉛鈣合金進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，在與實(shí)際生產(chǎn)溫度相符時(shí)，實(shí)際澆鑄試樣最接近理想狀態(tài)，與模擬澆鑄結(jié)果只有 0.5%的偏差。因此，此套改進(jìn)的“U 型”模具可以用于鉛鈣合金板柵流動(dòng)性的測(cè)定。

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