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摘 要： 摘 要 介紹了航空鋁合金鑄造型芯的種類、粘結(jié)劑及硬化原理，通過對(duì)不同型芯材料的力學(xué)性能、發(fā)氣特性、潰散特性及高溫尺寸穩(wěn)定性的對(duì)比分析，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)型芯的性能需求，總結(jié)了不同型芯材料的適用范圍并給出了應(yīng)用范例，展望了航空鋁合金鑄件用型芯技術(shù)的發(fā)展方向。
摘 要 介紹了航空鋁合金鑄造型芯的種類、粘結(jié)劑及硬化原理，通過對(duì)不同型芯材料的力學(xué)性能、發(fā)氣特性、潰散特性及高溫尺寸穩(wěn)定性的對(duì)比分析，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)型芯的性能需求，總結(jié)了不同型芯材料的適用范圍并給出了應(yīng)用范例，展望了航空鋁合金鑄件用型芯技術(shù)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 航空與鋁合金;復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件;鑄件型芯
隨著航空裝備對(duì)品質(zhì)、可靠性的要求越來越高，高品質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件應(yīng)用越來越廣泛。集成管路與空腔結(jié)構(gòu)的鋁合金鑄件是航空領(lǐng)域典型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件，如飛機(jī)液壓系統(tǒng)的各種殼體，發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)匣、燃油控制系統(tǒng)的泵閥體，渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)機(jī)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(shù)都是實(shí)現(xiàn)管路與空腔集成復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄造成形的關(guān)鍵技術(shù)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(jī)樹脂砂型芯、水溶樹脂砂型芯、無機(jī)粘結(jié)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(xì)長管路的鑄造成形，管路的最小直徑可達(dá)1.5mm。
1.2 有機(jī)樹脂砂型芯
有機(jī)樹脂砂型芯在鋁合金鑄造中的應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)成熟，所用粘結(jié)劑為人工合成的有機(jī)樹脂。
1.2.1 Pep-set自硬樹脂砂型芯
Pep-set自硬樹脂砂的粘結(jié)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(xué)反應(yīng)方程式見下式[4]。
Pep-set樹脂砂型芯的硬化過程是里外同時(shí)進(jìn)行，不受型芯結(jié)構(gòu)、截面厚度的影響[5]。其流動(dòng)性好，硬化后的砂芯強(qiáng)度高，因此鑄型的尺寸精度高、表面粗糙度低，廣泛用于品質(zhì)要求較高的復(fù)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(jié)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(yīng)形成固態(tài)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(dòng)性，采用射芯機(jī)可以制作結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、截面細(xì)薄的型芯，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，近年來在航空領(lǐng)域也逐漸開始應(yīng)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(jié)劑是高氮、低糠醇呋喃樹脂，如脲醛呋喃樹脂(UF/FA)，以有機(jī)磺酸或磷酸為固化劑[8]。呋喃樹脂的固化機(jī)理比較復(fù)雜，目前對(duì)硬化機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚未統(tǒng)一[8、9]。主流觀點(diǎn)認(rèn)為呋喃樹脂的分子結(jié)構(gòu)中存在著大量的羥甲基官能團(tuán)，在酸性介質(zhì)中，羥甲基與酸離子 H+ 可發(fā)生反應(yīng)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(huán)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(yīng)和碳碳雙鍵的加成反應(yīng)而生成立體結(jié)構(gòu)[10]。
1.2.4 熱固性覆膜砂型芯
熱固性覆膜砂的粘結(jié)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(jié)劑包覆在原砂表面，受熱時(shí)酚醛樹脂熔化，在烏洛托品分解產(chǎn)生的亞甲基作用下，由線性結(jié)構(gòu)迅速相互聯(lián)結(jié)為體型結(jié)構(gòu)而固化。
熱固性覆膜砂在加熱固化前為完全松散狀態(tài)，因此具有很好的流動(dòng)性，固化后強(qiáng)度比較高，特別適用于制作細(xì)長或截面細(xì)薄的復(fù)雜型芯;無論采用射芯機(jī)制芯或手工制芯都能制備出輪廓清晰、砂粒緊實(shí)的型芯。
1.3 水溶樹脂砂型芯
以有機(jī)樹脂為粘結(jié)劑的樹脂砂型芯材料及制芯工藝對(duì)環(huán)境都有一定污染，國外鑄造企業(yè)在綠色、清潔生產(chǎn)需求的推動(dòng)下，在21世紀(jì)初開發(fā)出了適用于鋁合金鑄造的水溶樹脂粘結(jié)劑。水溶樹脂粘結(jié)劑實(shí)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(jié)劑溶解使砂芯潰散[12]，如美國 Homel公司與通用汽車公司聯(lián)合開發(fā)的 GM bond粘結(jié)劑[13，14]。國內(nèi)也逐漸開始應(yīng)用水溶樹脂粘結(jié)劑[15]。水溶樹脂砂型芯由于經(jīng)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(fù)雜的型芯，而且生產(chǎn)過程能耗低、污染小。水溶樹脂砂在大氣環(huán)境下容易吸潮而使強(qiáng)度下降，發(fā)氣量增加，因此，型芯的存儲(chǔ)需要恒濕環(huán)境。
1.4 無機(jī)樹脂砂型芯
無機(jī)樹脂砂的粘結(jié)劑主要有兩類，一類由改性硅酸鈉和促進(jìn)劑組成，另一類是由改性磷酸鹽和添加劑組成。已經(jīng)應(yīng)用的主要有INOTECTM無機(jī)粘結(jié)劑、COR-DIS無機(jī)粘結(jié)劑。
改性硅酸鈉分子中-OH 根在加熱情況下發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使砂粒粘結(jié)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(jī)理是磷酸鹽中的-O-H 鍵發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使砂粒結(jié)合在一起，硬化反應(yīng)式如下[17]。
和水溶樹脂砂型芯相似，無機(jī)樹脂砂型芯在大氣環(huán)境下也容易吸潮而使強(qiáng)度下降，發(fā)氣量增加，因此，也需要恒濕的存儲(chǔ)環(huán)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(jī)物為濕態(tài)粘結(jié)劑，水溶性無機(jī)鹽為干態(tài)粘結(jié)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(jīng)高溫焙燒后再進(jìn)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(diǎn)，可以制作復(fù)雜精密的結(jié)構(gòu)，是目前唯一直接用于熔模鑄造形成復(fù)雜空腔結(jié)構(gòu)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(qiáng)度
表2為生產(chǎn)條件下不同材料型芯的強(qiáng)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(jī)樹脂砂都具有較高的強(qiáng)度，而 Pep-set自硬樹脂砂、呋喃自硬樹脂砂的強(qiáng)度略低。
2.2 發(fā)氣特性
圖3為生 產(chǎn) 條 件 下 測 試 的 5 種 砂 型 的 發(fā) 氣 性 曲線[21～23]。可以看出，Pep-set自硬樹脂砂在0～40s內(nèi)發(fā)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(nèi)的發(fā)氣量急劇上升至6.5mL/s，20～80s內(nèi)的發(fā)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(fā)氣曲線與呋喃樹脂砂接近，但發(fā)氣量略低;熱固性覆膜砂的發(fā)氣量在0～100s內(nèi)以較慢的速度上升至8.5mL/s后就快速下降;無機(jī)粘結(jié)劑砂在0～20s內(nèi)上升至4.5mL/s，在20～80s內(nèi)非常緩慢地上升至5 mL/s后緩慢降低。在0～20s內(nèi)，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(fā)氣速度和發(fā)氣量接近，均大于熱固性覆膜砂和無機(jī)粘結(jié)劑型砂的發(fā)氣速度和發(fā)氣量。水溶樹脂砂的發(fā)氣量小于12mL/g，發(fā)氣時(shí)間較短[15]。
2.3 潰散特性
樹脂砂的潰散機(jī)理是粘結(jié)劑中的化學(xué)鍵在高溫下氧化破壞或在外力作用下斷裂，喪失對(duì)砂粒的束縛作用[24]。有機(jī)樹脂粘結(jié)劑中的化學(xué)鍵主要是 C-C、C-O、C-N 鍵，無機(jī)粘結(jié)劑中的化學(xué)鍵有Si-O、P-O 鍵。
C-C、C-O、C-N 鍵的鍵能相當(dāng)，但不同樹脂粘結(jié)劑固化后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，因此經(jīng)歷高溫后表現(xiàn)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(jīng)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(jié) 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(jīng)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(shí)仍然保持潰散狀態(tài)。
Si-O 鍵鍵能較高，目前商業(yè)應(yīng)用的改性硅酸鈉粘結(jié)劑是通過添加促進(jìn)劑，在粘結(jié)劑鍵橋中插入預(yù)定的斷裂點(diǎn)，當(dāng)熱量達(dá)到一定水平后使鍵橋斷裂;或者是通過添加促進(jìn)劑改變 Si-O 鍵數(shù)量和分布形態(tài)，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(jī)樹脂粘結(jié)劑型芯差。以改性磷酸鹽為粘結(jié)劑的型芯砂粒之間的粘結(jié)膜為陶瓷結(jié)構(gòu)，具有較高的脆性，抗熱震性差，鑄造過程中由于型芯內(nèi)外層溫度差極易產(chǎn)生裂紋而失去強(qiáng)度。此外，硬化后的磷酸鹽粘結(jié)膜含有結(jié)晶水，受熱時(shí)水分的遷移使粘結(jié)膜發(fā)生收縮，產(chǎn)生應(yīng)力，也促使粘結(jié)膜破壞[26]，因此磷酸鹽粘結(jié)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(jié)劑在澆注結(jié)束后遇水溶解，喪失粘結(jié)能力而使型芯潰散，型芯的潰散性一方面取決于粘結(jié)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(chǎn)中首先通過機(jī)械振動(dòng)使型芯破碎，清理出大部分型芯，機(jī)械振動(dòng)無法破碎的殘余型芯進(jìn)一步采用高溫焙燒、高壓水沖洗的方式進(jìn)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(jìn)行清理，對(duì)于和水接觸面積小的型芯采用流動(dòng)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(chǎn)效率和型腔內(nèi)的潔凈度。
2.4 高溫尺寸穩(wěn)定性
樹脂砂型芯在澆注過程中由于各部位及內(nèi)外受熱不均勻、粘結(jié)劑的氧化分解等原因都會(huì)產(chǎn)生一定的變形，對(duì)于細(xì)長的型芯，這種變形更加明顯，對(duì)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(chǎn)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(jīng)歷逐漸伸長再縮短的過程。這些現(xiàn)象與不同粘結(jié)劑固化時(shí)的交聯(lián)程度、經(jīng)歷高溫后交 聯(lián) 程 度 的 變 化、氧 化 分 解 以 及 原 砂 熱 膨 脹 有關(guān)[21～23]。
3 不同型芯材料應(yīng)用
不同材料型芯具有不同的性能和特點(diǎn)，從而決定了其不同的應(yīng)用場合。
異形、復(fù)雜是航空鋁合金鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，不同結(jié)構(gòu)的型芯對(duì)型芯材料的強(qiáng)度、發(fā)氣量/發(fā)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(nèi)表面光潔、耐壓性能高等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是管路截面形狀受限、制作工藝繁瑣。銅管型芯去除容易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。另外，在腐蝕性環(huán)境中，由于 Fe和 Ti的電極電位高于 Al，會(huì)對(duì)鋁合金基體產(chǎn)生腐蝕。因此，金屬管型芯近年來在鋁合金鑄造中的應(yīng)用越來越少。
無機(jī)樹脂砂具有較高的強(qiáng)度、低發(fā)氣量和發(fā)氣速度，同時(shí)具有很好的潰散性，適用于大部分結(jié)構(gòu)形式的型芯，對(duì)于細(xì)長、排氣性差的型芯更具有優(yōu)勢。
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Pep-set自硬樹脂砂由于在澆注階段發(fā)氣速度最快，最終的發(fā)氣量最大，包裹型芯的金屬液沒有凝固時(shí)，型芯產(chǎn)生的氣體若不能及時(shí)排除，極易使鑄件產(chǎn)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(shí)需要設(shè)置排氣通道。
呋喃樹脂砂強(qiáng)度較低，澆注初期發(fā)氣速度較快，總體發(fā)氣量不高，適用于厚大型芯。近年來隨著樹脂砂3D打印技術(shù)的發(fā)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(shí)可以打印出形狀復(fù)雜的排氣通道，以提高型芯的排氣性能，因此，通過提高粘結(jié)劑加入量來提高強(qiáng)度，同時(shí)在型芯中打印出排氣通道，克服了呋喃樹脂砂強(qiáng)度低、發(fā)氣速度快的缺點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于細(xì)長管路和細(xì)薄截面復(fù)雜型芯的3D打印。
三乙胺氣體硬化樹脂砂具有較高的強(qiáng)度，在澆注初期的發(fā)氣速度較快，但總體發(fā)氣量較低，適用于制作截面細(xì)薄的復(fù)雜型芯和長度較短的管路型芯。
熱固性覆膜砂強(qiáng)度高，在澆注初期發(fā)氣速度低，總體發(fā)氣量較高，適用于制作截面細(xì)薄的復(fù)雜型芯、細(xì)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(qiáng)度，但發(fā)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(jī)樹脂砂、水溶樹脂砂易吸潮，對(duì)于型芯組合需要較長時(shí)間的復(fù)雜鑄型必需對(duì)型芯和鑄型進(jìn)行防潮處理。
水溶陶瓷型芯在熔模鑄造中適用于形成復(fù)雜精密的空腔、管路等結(jié)構(gòu)，隨模具壓制蠟?zāi)＃⒁恢北Ａ粼谛蜌?nèi)，直到澆注結(jié)束后從鑄件中清理出來。水溶陶瓷型芯制備需要經(jīng)過漿料注射成型、焙燒過程，細(xì)長的型芯容易產(chǎn)生變形，需要在制芯過程中進(jìn)行矯形和尺寸檢驗(yàn)，以保證型芯尺寸的準(zhǔn)確與穩(wěn)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(yīng)及時(shí)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(shù)未來展望
集成化、薄壁化、精確化是航空鋁合金鑄件結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展趨勢，高強(qiáng)、易潰散、低發(fā)氣、尺寸熱穩(wěn)定等特性是對(duì)未來型芯材料發(fā)展的基本要求。
傳統(tǒng)有機(jī)樹脂砂型芯在某些性能上雖然存在不足，但結(jié)合鑄造工藝可以滿足大部分一般復(fù)雜程度鋁合金鑄件的生產(chǎn)，仍將在航空鋁合金鑄件生產(chǎn)中占主要地位。而對(duì)于具有細(xì)長管路、細(xì)薄空腔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度很高的鋁合金鑄件，無機(jī)樹脂砂和水溶陶瓷型芯材料的性能則體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。結(jié)合3D 打印技術(shù)，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(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸精度，具有非常廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。——論文作者：洪潤洲 左 強(qiáng) 范學(xué)燚 周永江 張 喆
參 考 文 獻(xiàn)
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