發布時間：2022-05-14所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 介紹了航空鋁合金鑄造型芯的種類、粘結劑及硬化原理，通過對不同型芯材料的力學性能、發氣特性、潰散特性及高溫尺寸穩定性的對比分析，結合不同結構型芯的性能需求，總結了不同型芯材料的適用范圍并給出了應用范例，展望了航空鋁合金鑄件用型芯技術的發展方向。
摘 要 介紹了航空鋁合金鑄造型芯的種類、粘結劑及硬化原理，通過對不同型芯材料的力學性能、發氣特性、潰散特性及高溫尺寸穩定性的對比分析，結合不同結構型芯的性能需求，總結了不同型芯材料的適用范圍并給出了應用范例，展望了航空鋁合金鑄件用型芯技術的發展方向。
關鍵詞 航空與鋁合金;復雜結構鑄件;鑄件型芯
隨著航空裝備對品質、可靠性的要求越來越高，高品質的復雜結構鑄件應用越來越廣泛。集成管路與空腔結構的鋁合金鑄件是航空領域典型的復雜結構鑄件，如飛機液壓系統的各種殼體，發動機附件傳動系統的機匣、燃油控制系統的泵閥體，渦軸/渦槳發動機進氣系統機匣等。這類鑄件的鑄造方法涉及精密樹脂砂型鑄造、金屬型鑄造和熔模精密鑄造等，但無論何種鑄造方法，型芯技術都是實現管路與空腔集成復雜結構鑄造成形的關鍵技術之一。
1 航空鋁合金鑄造型芯種類
航空鋁合金鑄造型芯主要有金屬管型芯、有機樹脂砂型芯、水溶樹脂砂型芯、無機粘結劑型芯和水溶陶瓷型芯等。
1.1 金屬管型芯
金屬管型芯是以紫銅管、不銹鋼管或鈦管為原料，采用特 定 的 工 裝 夾 具 分 段 彎 制，再 組 焊 成 所 需 的 型芯[1，2]，如銅管型芯鑄造工藝流程見圖1[3]。紫銅管型芯只能用于砂型鑄造和金屬型鑄造，鑄件澆注清理完成后用熱的濃硝酸將紫銅管腐蝕去除，得到所需的管路。而不銹鋼管型芯、鈦管型芯既可用于砂型、金屬型鑄造，也可以用于熔模精密鑄造，但在鑄件成形后無法從鑄件中清理出來。金屬管型芯通常用于圓形截面細長管路的鑄造成形，管路的最小直徑可達1.5mm。
1.2 有機樹脂砂型芯
有機樹脂砂型芯在鋁合金鑄造中的應用最為廣泛，技術成熟，所用粘結劑為人工合成的有機樹脂。
1.2.1 Pep-set自硬樹脂砂型芯
Pep-set自硬樹脂砂的粘結劑由聚苯醚酚醛樹脂(組分Ⅰ)和聚異氰酸酯(組分Ⅱ)組成，催化劑(組分Ⅲ)為弱堿性的芳香族胺類，如苯基丙基吡啶，硬化過程的化學反應方程式見下式[4]。
Pep-set樹脂砂型芯的硬化過程是里外同時進行，不受型芯結構、截面厚度的影響[5]。其流動性好，硬化后的砂芯強度高，因此鑄型的尺寸精度高、表面粗糙度低，廣泛用于品質要求較高的復雜鑄件[6]。
1.2.2 三乙胺氣體硬化樹脂砂型芯
三乙胺氣體硬化工藝又稱 PUCB 法，粘結劑由酚醛樹脂(組分Ⅰ)和聚異氰酸酯(組分Ⅱ)組成，催化劑為三乙胺[7]。在催化劑作用下，酚醛樹脂中的羥基與聚異氰酸酯中的異氰酸基反應形成固態脲脘樹脂。三乙胺氣體硬化樹脂砂在硬化前具有良好的流動性，采用射芯機可以制作結構形狀復雜、截面細薄的型芯，在汽車領域應用十分廣泛，近年來在航空領域也逐漸開始應用。
1.2.3 呋喃自硬樹脂砂型芯
鋁合金型芯所用的呋喃樹脂粘結劑是高氮、低糠醇呋喃樹脂，如脲醛呋喃樹脂(UF/FA)，以有機磺酸或磷酸為固化劑[8]。呋喃樹脂的固化機理比較復雜，目前對硬化機理的認識尚未統一[8、9]。主流觀點認為呋喃樹脂的分子結構中存在著大量的羥甲基官能團，在酸性介質中，羥甲基與酸離子 H+ 可發生反應形成甲基正碳離子，R甲基正碳離子與 R 不斷地相互作用，使樹脂的分子鏈不斷縮聚延長，樹脂因此而固化，最終形成 R-CH2-[R-CH2]n-R。此外，呋喃環雙鍵在酸的作用下以非氧化破裂形式打開并通過羥基之間的縮聚反應和碳碳雙鍵的加成反應而生成立體結構[10]。
1.2.4 熱固性覆膜砂型芯
熱固性覆膜砂的粘結劑由熱塑性線性酚醛樹脂，以六次甲基四胺[又名烏洛托品，分子式為(CH2)6N4]為固化劑，以硬脂酸鈣為潤滑劑[11]。粘結劑包覆在原砂表面，受熱時酚醛樹脂熔化，在烏洛托品分解產生的亞甲基作用下，由線性結構迅速相互聯結為體型結構而固化。
熱固性覆膜砂在加熱固化前為完全松散狀態，因此具有很好的流動性，固化后強度比較高，特別適用于制作細長或截面細薄的復雜型芯;無論采用射芯機制芯或手工制芯都能制備出輪廓清晰、砂粒緊實的型芯。
1.3 水溶樹脂砂型芯
以有機樹脂為粘結劑的樹脂砂型芯材料及制芯工藝對環境都有一定污染，國外鑄造企業在綠色、清潔生產需求的推動下，在21世紀初開發出了適用于鋁合金鑄造的水溶樹脂粘結劑。水溶樹脂粘結劑實際上是熱固化植物蛋白，采用熱芯盒工藝制芯，澆注后鑄件浸泡在水中，粘結劑溶解使砂芯潰散[12]，如美國 Homel公司與通用汽車公司聯合開發的 GM bond粘結劑[13，14]。國內也逐漸開始應用水溶樹脂粘結劑[15]。水溶樹脂砂型芯由于經水浸泡后即可潰散，因此型芯清理、芯砂回收十分便捷，非常適用于制作復雜的型芯，而且生產過程能耗低、污染小。水溶樹脂砂在大氣環境下容易吸潮而使強度下降，發氣量增加，因此，型芯的存儲需要恒濕環境。
1.4 無機樹脂砂型芯
無機樹脂砂的粘結劑主要有兩類，一類由改性硅酸鈉和促進劑組成，另一類是由改性磷酸鹽和添加劑組成。已經應用的主要有INOTECTM無機粘結劑、COR-DIS無機粘結劑。
改性硅酸鈉分子中-OH 根在加熱情況下發生縮聚反應，形成體形網狀結構，使砂粒粘結在一起[16]。改性磷酸鹽砂有自硬和加熱硬化兩種，常用的是加熱硬化，其硬化機理是磷酸鹽中的-O-H 鍵發生縮聚反應，形成網狀結構，使砂粒結合在一起，硬化反應式如下[17]。
和水溶樹脂砂型芯相似，無機樹脂砂型芯在大氣環境下也容易吸潮而使強度下降，發氣量增加，因此，也需要恒濕的存儲環境。
1.5 水溶陶瓷型芯
水溶陶瓷型芯是以聚乙二醇、石蠟等有機物為濕態粘結劑，水溶性無機鹽為干態粘結劑，石英粉、剛玉粉或鋯英粉為骨料的型芯材料;采用注射成形方法壓制成形，經高溫焙燒后再進行表面防水處理，獲得可以使用的型芯[18]，其制備工藝見圖2。水溶陶瓷型芯具有表面光潔、尺寸精確等特點，可以制作復雜精密的結構，是目前唯一直接用于熔模鑄造形成復雜空腔結構的型芯材料。表1為國外幾種水溶陶瓷型芯材料的配方[18，19]。
2 不同型芯材料的性能
2.1 強度
表2為生產條件下不同材料型芯的強度[13～20]。可以看出，熱固性覆膜砂、三乙胺氣體硬化樹脂砂、水溶樹脂砂、無機樹脂砂都具有較高的強度，而 Pep-set自硬樹脂砂、呋喃自硬樹脂砂的強度略低。
2.2 發氣特性
圖3為生 產 條 件 下 測 試 的 5 種 砂 型 的 發 氣 性 曲線[21～23]�？梢钥闯觯琍ep-set自硬樹脂砂在0～40s內發氣量急劇上升至11mL/g，隨后緩慢上升至12mL/g后逐漸下降;呋喃自硬樹脂砂在0～20s內的發氣量急劇上升至6.5mL/s，20～80s內的發氣量緩慢上升至8.5mL/s后逐漸降低;三乙胺氣體硬化樹脂砂的發氣曲線與呋喃樹脂砂接近，但發氣量略低;熱固性覆膜砂的發氣量在0～100s內以較慢的速度上升至8.5mL/s后就快速下降;無機粘結劑砂在0～20s內上升至4.5mL/s，在20～80s內非常緩慢地上升至5 mL/s后緩慢降低。在0～20s內，Pep-set自硬樹脂砂、呋喃自硬樹脂砂和三乙胺氣體硬化樹脂砂的發氣速度和發氣量接近，均大于熱固性覆膜砂和無機粘結劑型砂的發氣速度和發氣量。水溶樹脂砂的發氣量小于12mL/g，發氣時間較短[15]。
2.3 潰散特性
樹脂砂的潰散機理是粘結劑中的化學鍵在高溫下氧化破壞或在外力作用下斷裂，喪失對砂粒的束縛作用[24]。有機樹脂粘結劑中的化學鍵主要是 C-C、C-O、C-N 鍵，無機粘結劑中的化學鍵有Si-O、P-O 鍵。
C-C、C-O、C-N 鍵的鍵能相當，但不同樹脂粘結劑固化后的網絡結構不同，因此經歷高溫后表現出不同的潰散性。比較而言，熱固性覆膜砂和呋喃樹脂砂的潰散性略差于 Pep-set自硬樹脂砂和三乙胺氣體硬化樹脂砂。Pep-set自硬樹脂砂、三乙胺氣體硬化樹脂砂型芯經焙燒后雖然完全潰散，但隨著溫度降低，這些潰散的芯砂 又 可 以 粘 結 在 一 起，形 成 塊 狀，使 型 芯 清 理 困難[21，24];而呋喃自硬樹脂砂型芯、熱固性覆膜砂型芯經高溫焙燒后，型芯完全潰散，且不隨著溫度降低而改變，在室溫時仍然保持潰散狀態。
Si-O 鍵鍵能較高，目前商業應用的改性硅酸鈉粘結劑是通過添加促進劑，在粘結劑鍵橋中插入預定的斷裂點，當熱量達到一定水平后使鍵橋斷裂;或者是通過添加促進劑改變 Si-O 鍵數量和分布形態，以提高其潰散性能[25]，即便如此，改性硅酸鈉型芯的潰散性仍比有機樹脂粘結劑型芯差。以改性磷酸鹽為粘結劑的型芯砂粒之間的粘結膜為陶瓷結構，具有較高的脆性，抗熱震性差，鑄造過程中由于型芯內外層溫度差極易產生裂紋而失去強度。此外，硬化后的磷酸鹽粘結膜含有結晶水，受熱時水分的遷移使粘結膜發生收縮，產生應力，也促使粘結膜破壞[26]，因此磷酸鹽粘結劑自硬砂具有很好的潰散性。
水溶樹脂砂型芯和水溶陶瓷型芯中的粘結劑在澆注結束后遇水溶解，喪失粘結能力而使型芯潰散，型芯的潰散性一方面取決于粘結劑的溶解性能，另一方面取決于型芯與水的接觸面積，接觸面積越大，型芯越容易潰散。
生產中首先通過機械振動使型芯破碎，清理出大部分型芯，機械振動無法破碎的殘余型芯進一步采用高溫焙燒、高壓水沖洗的方式進行清理。水溶樹脂砂型芯和水溶陶瓷型芯主要通過水溶方式進行清理，對于和水接觸面積小的型芯采用流動水或高壓水沖洗可以加速型芯的潰散。型芯潰散性的好壞主要影響生產效率和型腔內的潔凈度。
2.4 高溫尺寸穩定性
樹脂砂型芯在澆注過程中由于各部位及內外受熱不均勻、粘結劑的氧化分解等原因都會產生一定的變形，對于細長的型芯，這種變形更加明顯，對鑄件尺寸影響更大。有研究表明，呋喃樹脂砂試樣在高溫下產生較大的變形，而三乙胺氣體硬化樹脂砂和酚醛樹脂覆膜砂的變形量較小，且變形方向都經歷逐漸伸長再縮短的過程。這些現象與不同粘結劑固化時的交聯程度、經歷高溫后交 聯 程 度 的 變 化、氧 化 分 解 以 及 原 砂 熱 膨 脹 有關[21～23]。
3 不同型芯材料應用
不同材料型芯具有不同的性能和特點，從而決定了其不同的應用場合。
異形、復雜是航空鋁合金鑄件內腔結構的主要特點，不同結構的型芯對型芯材料的強度、發氣量/發氣速度和潰散性等性能要求具有合理的綜合匹配。
金屬管型芯形成的管路具有尺寸精確、內表面光潔、耐壓性能高等特點，缺點是管路截面形狀受限、制作工藝繁瑣。銅管型芯去除容易對環境產生污染。另外，在腐蝕性環境中，由于 Fe和 Ti的電極電位高于 Al，會對鋁合金基體產生腐蝕。因此，金屬管型芯近年來在鋁合金鑄造中的應用越來越少。
無機樹脂砂具有較高的強度、低發氣量和發氣速度，同時具有很好的潰散性，適用于大部分結構形式的型芯，對于細長、排氣性差的型芯更具有優勢。
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Pep-set自硬樹脂砂由于在澆注階段發氣速度最快，最終的發氣量最大，包裹型芯的金屬液沒有凝固時，型芯產生的氣體若不能及時排除，極易使鑄件產生嗆氣缺陷。因此 Pep-set自硬樹脂砂適用于制作厚大的型芯，必要時需要設置排氣通道。
呋喃樹脂砂強度較低，澆注初期發氣速度較快，總體發氣量不高，適用于厚大型芯。近年來隨著樹脂砂3D打印技術的發展，呋喃樹脂砂成為3D 打印型芯的主要材料。由于3D 打印在型芯中同時可以打印出形狀復雜的排氣通道，以提高型芯的排氣性能，因此，通過提高粘結劑加入量來提高強度，同時在型芯中打印出排氣通道，克服了呋喃樹脂砂強度低、發氣速度快的缺點，目前廣泛應用于細長管路和細薄截面復雜型芯的3D打印。
三乙胺氣體硬化樹脂砂具有較高的強度，在澆注初期的發氣速度較快，但總體發氣量較低，適用于制作截面細薄的復雜型芯和長度較短的管路型芯。
熱固性覆膜砂強度高，在澆注初期發氣速度低，總體發氣量較高，適用于制作截面細薄的復雜型芯、細長管路型芯。由于采用熱芯盒制芯工藝，不適合制作厚大的型芯。
水溶樹脂砂具有較高的強度，但發氣量也較大，由于采用熱芯盒工藝制芯，因此適用于直徑較大的管路型芯或截面較厚的型芯。
無機樹脂砂、水溶樹脂砂易吸潮，對于型芯組合需要較長時間的復雜鑄型必需對型芯和鑄型進行防潮處理。
水溶陶瓷型芯在熔模鑄造中適用于形成復雜精密的空腔、管路等結構，隨模具壓制蠟模，并一直保留在型殼內，直到澆注結束后從鑄件中清理出來。水溶陶瓷型芯制備需要經過漿料注射成型、焙燒過程，細長的型芯容易產生變形，需要在制芯過程中進行矯形和尺寸檢驗，以保證型芯尺寸的準確與穩定。水溶陶瓷型芯的表面防水層在型殼焙燒過程中被破壞，應及時澆注，否則容易吸潮，破壞了型芯的表面粗糙度。 圖4～圖6為部分型芯材料制作的型芯。
4 鋁合金型芯技術未來展望
集成化、薄壁化、精確化是航空鋁合金鑄件結構形式的發展趨勢，高強、易潰散、低發氣、尺寸熱穩定等特性是對未來型芯材料發展的基本要求。
傳統有機樹脂砂型芯在某些性能上雖然存在不足，但結合鑄造工藝可以滿足大部分一般復雜程度鋁合金鑄件的生產，仍將在航空鋁合金鑄件生產中占主要地位。而對于具有細長管路、細薄空腔結構的復雜程度很高的鋁合金鑄件，無機樹脂砂和水溶陶瓷型芯材料的性能則體現出了明顯的優勢。結合3D 打印技術，使型芯整體化，可以顯著改善型芯組合的尺寸精度，從而提高鑄件內部結構的尺寸精度，具有非常廣闊的發展和應用前景。——論文作者：洪潤洲 左 強 范學燚 周永江 張 喆
參 考 文 獻
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