砂型铸造应用范围广，在铸造领域占有较大比重。但其对能源和资源的消耗极大，且易对环境产生污染。目前，绿色铸造、清洁生产已成为铸造行业的重要任务。为实现铸造过程绿色化，中国机械科学研究总院无模铸造团队[1-2]提出了一种数字化无模冷冻铸造成形方法，该技术用水作为砂型黏结剂，在低温环境下直接铣削成形冷冻砂型，组合成冷冻铸型后浇注成形金属件。杨浩秦等[3-4]基于数字化无模冷冻铸造精密成形技术研究了冷冻砂型的高效制备方法，并对A356 高温铝合金进行浇注实验，确认其铸造性能优于树脂砂型。
然而，冷冻砂型属于单一材质铸型，在传统铸造工艺条件下，铸造工艺中单一材质铸型往往会因结构设计不合理或形状复杂而导致铸造过程中凝固速度不均，使铸件出现缺陷或废品。针对此问题，多材质复合铸型代替传统单一铸型工艺方法可获得高性能、高质量以及结构优良的铸件[5]。刘丽敏等[6-7]系统研究了复杂铸铁件多材质复合铸型工艺机理，获得了多材质复合铸型的调控方法。基于多材质复合铸型的优势，为减少树脂用量，避免水直接与金属接触，中国机械科学研究总院刘丰等[8]提出了一种基于冷冻复合铸型的快速铸造方法，将薄壳树脂砂型外包覆冷冻砂型以提高铸型性能，实现绿色铸造。
铸造仿真技术的应用能有效地对复杂铸件铸造工艺进行仿真分析及优化，发现产品缺陷，优化产品设计及生产工艺，缩短开发周期[9-19]。本文通过数值模拟方法，对冷冻复合铸型铸造工艺进行仿真，确认浇注方案合理性。根据实验需求加工冷冻复合铸型以及普通树脂砂铸型进行对比浇注试验，对最终的铸件进行成形质量检测、力学性能分析。
1 冷冻复合砂型铸造工艺设计
选取的典型件为某铝合金支架，铸件尺寸为400 mm×300 mm×130 mm，铸件所有壁厚均为15 mm，材料为ZL114A。浇注系统包含直浇道、横浇道及补缩冒口，冷冻复合铸型的设计及装配如图1a所示，冷冻复合砂型上模采用树脂砂，下模由树脂砂薄壳和冷冻砂型组合而成，树脂砂薄壳壁厚均为15 mm。普通树脂铸型的设计及装配如图1b 所示。
图1 铸件铸型装配图：(a)冷冻复合铸型，(b)树脂砂铸型
Fig.1 Assembly drawing of the casting mold:(a)frozen composite mold,(b)resin sand mold
2 冷冻复合铸型铸造工艺仿真
2.1 材料参数及边界条件
在模拟之前需要得到砂型的导热系数及比热容随温度变化的曲线。型砂采用承德北雁新材料科技有限公司生产的目数为70/140 的硅砂，孔隙率为41.6%，密度1 547.6 kg/m3；圣泉酚脲烷自硬树脂NP-101HB及NP-102HB，自硬树脂NP-101HB、NP-102HB 的加入量均为硅砂质量的1%，催化剂采用圣泉自硬催化剂NP-103E，NP-103E 的加入量为自硬树脂NP-101HB质量的0.3%，用于加快树脂砂型固化速度；采用纯净水，冷冻砂型含水量为15%，冷冻温度为-40 ℃。其中树脂砂型的导热系数和比热容随温度变化曲线采用湘潭湘仪股份有限公司的DRX-Ⅲ型热线法导热系数测试仪进行测量，结果如图2 所示。冷冻砂型的导热系数通过热探针法测量获得，冷冻砂型的比热容则是通过比热容体积混合方法计算获得，计算方法如式(1)所示，结果如图3 所示。由于冷冻砂型在加热过程中出现冰晶粘结桥融化蒸发的现象，因此其导热系数与比热容变化较大。
图2 树脂砂热物性参数随温度变化规律：(a)导热系数，(b)比热容
Fig.2 Variation in thermal property parameters of resin sand with temperature:(a)thermal conductivity,(b)specific heat capacity
图3 冷冻砂热物性参数随温度变化规律：(a)导热系数，(b)比热容
Fig.3 Variation of thermal physical property parameters of the frozen sand with temperature:(a)thermal conductivity,(b)specific heat capacity
式中，ε0 为干砂的孔隙率；w 为纯冰质量分数；ρdry 为干砂的密度，kg/m3；ρice 为冰的密度，kg/m3。c 为估算冷冻砂型比热容，J/(kg·K)；cdry 为含孔隙干砂的比热容，J/(kg·K)；cice/water 为纯冰/水比热容，J/(kg·K)；cair 为空气比热容，J/(kg·K)。
对冷冻复合铸型的铸造过程进行模拟仿真，其边界条件如表1 所示。计算截至条件为整个铸件所有区域最高温度降至400 ℃时。冷冻复合铸型的初始温度为-40 ℃。金属液浇注温度为710 ℃。在5 s 内完成充型，充型率为99%。铸型的外部条件为常规的空气冷却，室温约为24 ℃。
表1 数值模拟边界条件
Tab.1 Boundary conditions of the numerical simulation
2.2 模拟结果分析
按以上条件对冷冻复合铸型进行浇注模拟，模拟结果如图4 所示。对比金属液在浇注后1～4 s 时的流速图，可以看到金属液在充型过程中，铸件造型部分流动较为缓慢，能够避免浇注过程中金属液流速过快造成夹砂等问题，浇道部分金属液则流速较快，浇注时间的设定及浇道大小设计较为合理。
图4 浇注速度场
Fig.4 Pouring velocity field
缩松及缩孔是铸件的主要缺陷，其数量和分布主要取决于浇注系统是否合理。因此以铸件主要区域是否出现缩松为衡量浇注系统性能的指标。图5为凝固结束后的缩松分布图，可以看出，缩松主要分布于补缩冒口内，少量分布于直浇道内，铸件内部无明显缩松缩孔，满足使用要求。
图5 铸件缩松分布
Fig.5 Shrinkage distribution of casting
由图6 所示的铸件凝固时间分布进一步分析可知，冒口处金属液体的凝固时间最长，代表此部位金属液是最后凝固的，弥补铸件凝固过程中产生的缺陷，可以很好地对铸件区域进行补缩，因此铸造工艺设计较为合理。
图6 铸件凝固时间
Fig.6 Solidification time of the casting
3 冷冻复合铸型铸造及铝合金件性能测试
3.1 铸型制造及浇注试验
为了研究冷冻复合铸型是否能提高铸件性能，对冷冻复合铸型及普通树脂砂铸型进行浇注对比实验。铸型共2 套，一套为冷冻复合铸型，上模与下模薄壳采用普通树脂砂切削加工而成，在下模薄壳外包裹含水量15%(质量分数)的湿砂型送入冷库-40 ℃冷冻12 h，如图7a 所示。另一套为普通树脂砂铸型，采用普通树脂砂型切削加工，如图7b所示。
图7 铸型装配：(a)冷冻复合铸型，(b)树脂砂铸型
Fig.7 Mold assembly:(a)frozen composite mold,(b)resin sand mold
ZL114 浇注温度为710 ℃，在浇注过程中，使用热电偶分别对铸件温度进行监控，以研究两种模具是否对铸件冷却过程有影响。热电偶均安装在铸件中心位置。对冷冻复合铸型以及普通树脂砂铸型温度曲线进行采集，采集结果如图8 所示。在冷却初始阶段有一个快速降温的过程，拟合后冷冻复合铸型浇注铸件的激冷速率为0.538 ℃/s，普通树脂砂铸型浇注铸件的激冷速率为0.386 ℃/s，冷冻复合铸型在凝固过程初始阶段温度下降速度明显高于普通树脂砂铸型，说明相较于普通树脂砂铸型，冷冻复合铸型激冷效果要明显优于树脂砂铸型，有利于铸件成形过程中晶粒组织的细化。而在铸件快速降温之后，由于冷冻复合砂型中靠近树脂砂型部分砂型水分蒸发变为干砂，其蓄热能力远小于树脂砂型，因此冷冻复合铸型的温度下降速率低于树脂砂铸型，起到了良好的保温效果，防止铸件冷却速度过快导致应力集中产生铸件缺陷。铸件成品如图9 所示，铸件形状完好，表面光滑，无明显缺陷。
图8 铸件凝固过程温度曲线：(a)全程温度曲线，(b)局部温度曲线
Fig.8 Temperature curve of the casting solidification process:(a)whole temperature curve,(b)local temperature curve
图9 铸件成品：(a)冷冻复合铸型铸件，(b)树脂砂铸型铸件
Fig.9 Finished castings:(a)frozen composite castings,(b)resin sand castings
3.2 铸件性能检测
对浇注后的铸件进行T6 热处理，提高铸件的力学性能，并对热处理后的典型件进行取样。每个典型件取出8 个拉伸试样，直径为10 mm，用来测量抗拉强度、屈服强度和伸长率。每个典型件中取出4 个10 mm×10 mm×10 mm 的方块，进行金相组织观察，取样方案如图10 所示。
图10 取样方案
Fig.10 Sampling scheme
首先研究冷冻复合铸型和普通树脂砂铸型对铸件屈服强度、伸长率、抗拉强度的影响。选用美国美特斯公司生产的MTS Landmark 370.10 型通用实验机测试拉伸试样的抗拉强度、屈服强度及伸长率，按国家标准GB/T 228.1-2021 金属材料室温拉伸方法对试样进行拉伸试验。测试结果如表2 所示。由表2 可知，冷冻复合铸型浇注出的样件相较于普通树脂砂型浇注出的样件屈服强度提高了12.4%，抗拉强度提高了8.8%，伸长率提高了11.1%，铸件性能有了明显提高。
表2 ZL114A合金力学性能(T6热处理)
Tab.2 Mechanical properties of the ZL114A alloy (T6 heat treatment)
从典型件中取出的金相试样，经砂纸研磨和机械抛光后，利用奥林巴斯公司生产的BX53M 金相显微镜进行观察，并拍摄金相图片，同时在200 倍放大条件下，对试样部分微观区域进行拍摄。由图11可知，ZL114A 铸造铝合金的组织主要由α-Al、片层状的共晶硅、Mg2Si 及杂质铁组成。对比冷冻复合铸型浇注出的铸件和树脂砂铸型浇注出的铸件金相图可以明显看出，冷冻复合铸型浇注出的铸件α-Al 晶粒明显要细于树脂砂铸型浇注出的铸件，并且其晶粒分布更加均匀。由图8 温度曲线图可知，冷冻复合铸型在浇注过程中激冷速率要明显大于树脂砂铸型，快速的激冷效果使得铸件在快速凝固过程中，晶粒组织更加细化，可以有效提高铸件的力学性能。
图11 ZL114A 金相组织：(a)冷冻复合铸型铸件，(b)树脂砂铸型铸件
Fig.11 Metallographic structure of ZL114A:(a)frozen composite casting,(b)resin sand casting
4 结论
(1)冷冻复合铸型使铸件性能优于传统砂型铸造，铸件屈服强度提高了12.4%，抗拉强度提高了8.8%，伸长率提高了11.1%。
(2)冷冻复合铸型浇注出的铸件α-Al 晶粒明显细于树脂砂铸型浇注出的铸件，并且晶粒分布更加均匀。
(3)对比浇注试验表明了冷冻复合铸型工艺的可行性与优越性。
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