張龍江，馬秉平，劉天平，蘇少靜，納建虹

（共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

3D 打印技術(shù)是近30 年快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，其優(yōu)勢在于三維結(jié)構(gòu)的快速和自由制造，被廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)、單件小批量制造。其中，砂型3D 打印技術(shù)，是3D 打印中很重要的一部分，其原理如下：噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按照截面輪廓的信息，在鋪好的一層砂子材料上，有選擇性地噴射粘結(jié)劑，使部分粉末粘結(jié)，形成截面層，一層完成后，工作臺再下降一個(gè)層厚，鋪粉，噴射粘結(jié)劑，進(jìn)行下一層的粘結(jié)，如此循環(huán)形成產(chǎn)品原型。

盡管砂型3D 打印已經(jīng)開展了很多研究并取得了很多顯著的成果，但砂型鑄型一般都是密實(shí)的，長期以來也沒有發(fā)生本質(zhì)的變化。傳統(tǒng)密實(shí)鑄型的冷卻能力主要靠自身的蓄熱（鑄型的質(zhì)量一般是鑄件的幾倍到幾十倍），因此金屬液澆注后首先發(fā)生激冷，但隨著溫度的降低，鑄型冷卻能力逐漸下降，到后期冷卻能力非常微弱，因此，后期鑄件的冷卻速率非常緩慢，這大大延長了鑄件的打箱時(shí)間，嚴(yán)重影響了鑄件的生產(chǎn)效率。雖然可以采用提前落砂的方法讓鑄件在空氣中冷卻來提高生產(chǎn)效率，但這容易導(dǎo)致鑄件變形甚至開裂。鏤空結(jié)構(gòu)鑄型通過設(shè)計(jì)冷卻控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鑄件凝固冷卻過程的調(diào)整，從而調(diào)控鑄件的顯微組織、機(jī)械性能和殘余應(yīng)力，獲得性能優(yōu)異、應(yīng)力低、無變形的產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)方法

通過3D 打印機(jī)制備密實(shí)和鏤空砂型，打印設(shè)備為共享2500A 型號打印機(jī)。使用的材料是50～100 目陶粒砂、呋喃樹脂以及配套固化劑。打印參數(shù)如下：打印層厚0.44 mm，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%，固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.44%.

圖1 為生產(chǎn)HT300-φ30 mm 試棒專門設(shè)計(jì)的密實(shí)和鏤空鑄型，鏤空鑄型采用表面加強(qiáng)筋的鏤空方式。密實(shí)鑄型的重量為16 kg，采用表面加強(qiáng)筋鏤空方式的鑄型重量僅為4.5 kg，

圖1 密實(shí)和鏤空后HT300-φ30 mm 試棒鑄型圖

2 密實(shí)砂型與鏤空鑄型對比

可以看出，鏤空后鑄型重量減重十分明顯，重量由16 kg 減至4.5 kg，減重率高達(dá)72%.

2.1 試棒冷卻速率的影響

圖2 為HT300-φ30 mm 試棒澆注后的測量降溫速率和對應(yīng)的冷卻曲線圖，澆注完成后，即將熱電偶插入試棒鐵水以下100 mm 左右進(jìn)行測量溫度。其澆注溫度為1 400 ℃，打箱溫度為300 ℃.圖2 表明，鑄型鏤空后，試棒冷卻速率在不同階段不同。澆注完成到1 250 ℃以上時(shí)，密實(shí)和鏤空鑄型的冷卻速率基本相當(dāng)，這是因?yàn)榇藭r(shí)試棒冷卻主要依靠鑄型吸熱和導(dǎo)熱。當(dāng)溫度降低至1 250 ℃～900℃，鏤空鑄型的冷卻速率開始加快，此時(shí)，密實(shí)鑄型和鏤空鑄型的冷卻速率分別為360 ℃/h 和260 ℃/h.當(dāng)溫度進(jìn)一步降低直至200 ℃，密實(shí)和鏤空鑄型的冷卻速率基本趨于一致，這是因?yàn)楹笃谏嶂饕靠諝饫鋮s。

圖2 HT300-φ30 mm 試棒在密實(shí)和鏤空鑄型下的冷卻速率

2.2 試棒金相組織和力學(xué)性能的影響

圖3 為HT300-φ30 mm 試棒在密實(shí)和鏤空鑄型下的金相組織，表1 為試棒在密實(shí)和鏤空鑄型下的基體組織、石墨形態(tài)和石墨尺寸。從圖3 和表1中可以看出，與密實(shí)鑄型相比，鑄型鏤空后，試棒的基體組織主要還是珠光體為主，含量＞98%+F，變化不大；石墨大小也沒有明顯差別，石墨平均尺寸都在4μm左右；但是石墨形態(tài)有較大差別，密實(shí)鑄型的石墨形態(tài)為95%A+5%E，鏤空鑄型的石墨形態(tài)90%A+10%D+E，D+E 形石墨占比增加了10%，A型石墨降低了5%。跟據(jù)上面冷卻速率試驗(yàn)，這主要可能是因?yàn)殓U空后試棒的冷卻速率加快所致。

圖3 HT300-φ30 mm 試棒在密實(shí)和鏤空鑄型下的金相組織

同時(shí)，表1 還給出了為HT300-φ30 mm 試棒在密實(shí)和鏤空鑄型下的布氏硬度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能。從表1 可以看出，試棒在密實(shí)和鏤空鑄型下布氏硬度和抗拉強(qiáng)度分別為202HBW、202HBW 和324 MPa、334 MPa，布式硬度基本不變，抗拉強(qiáng)度提高了10 MPa.這主要是因?yàn)殓U空后試棒的石墨形態(tài)中石墨尺寸變小，D 形石墨占比增加。

表1 HT300-φ30 mm 試棒在密實(shí)和鏤空鑄型下的金相組織和力學(xué)性能

3 結(jié)論

與密實(shí)鑄型相比，采用表面加強(qiáng)筋鏤空后鑄型重量減重十分明顯，而且由于冷卻速度加快，HT300鑄件的石墨形態(tài)變好導(dǎo)致性能也會相應(yīng)提高。經(jīng)過科學(xué)合理的鏤空設(shè)計(jì)，3D 打印鑄型重量可以顯著降低，從而大大降低了3D 打印成本。3D 打印砂型鏤空化設(shè)計(jì)，為推動3D 打印砂型在鑄造等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具體重要意義。