商 毅，郭 蓓

（西安航天發(fā)動機(jī)廠，陜西西安710100）

樹脂砂低壓鑄造工藝研究與應(yīng)用

商 毅，郭 蓓

（西安航天發(fā)動機(jī)廠，陜西西安710100）

研究了樹脂砂低壓鑄造工藝?yán)碚撆c原理，結(jié)合工藝試驗得到了鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造工藝規(guī)范。采用該工藝規(guī)范制造的鋁合金ZL104渦輪泵出口管已用于CZ-5和CZ-7運(yùn)載火箭液氧煤油液體火箭發(fā)動機(jī)之中，CZ-5和CZ-7運(yùn)載火箭已通過了飛行考核，液氧煤油液體火箭發(fā)動機(jī)工作正常。由此表明：鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造工藝是合理、正確和有效的。

鑄造工藝；鋁合金；樹脂砂；低壓鑄造

0 引言

鑄造工藝屬于金屬熱成形工藝，其中包括精密鑄造和砂型鑄造，砂型鑄造分為樹脂砂鑄造和粘土砂鑄造，樹脂自硬砂即樹脂砂鑄造可實現(xiàn)鑄件組織致密、余量少、無余量加工的精密鑄造成型，鑄造成型件的表面粗糙度小，適宜鑄造鋁合金渦輪泵殼體及其出口管等部件。鋁合金密度低，比模量和比強(qiáng)度值高，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能好，抗腐蝕能力強(qiáng)，機(jī)械加工和鑄造工藝性好，廣泛用于航空航天和現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，是輕量化和高速化部件的重要材料之一。薄壁鋁合金渦輪泵出口管鑄件是液體火箭發(fā)動機(jī)的重要部件之一，它是液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵的出口裝置，其出口流道為螺旋形擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)，機(jī)械加工工藝很難完成其復(fù)雜型面的加工，必須依靠樹脂砂低壓鑄造工藝來完成薄壁鋁合金渦輪泵出口管的制造，樹脂砂低壓鑄造工藝技術(shù)可以確保薄壁鋁合金渦輪泵出口管的形狀、尺寸、表面粗糙度等滿足設(shè)計技術(shù)要求。

1 鋁合金渦輪泵出口管鑄件設(shè)計要求

薄壁鋁合金渦輪泵出口管鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計要求見表1。渦輪泵出口管鑄件材料為ZL104鋁合金材料，采用X光射線照相方法和熒光法檢查渦輪泵出口管鑄件質(zhì)量，要求出口管鑄件內(nèi)部不允許有疏松、縮孔及夾雜等缺陷，鑄件表面不允許有線狀缺陷和積聚狀缺陷，不允許用補(bǔ)焊方法進(jìn)行補(bǔ)修，渦輪泵出口管鑄件輪廓尺寸為：(310×240×175)mm，渦輪泵出口管鑄件大部分部位的壁厚為9 mm，最薄處的壁厚為3 mm，最厚處的壁厚為16 mm，即渦輪泵出口管鑄件為變壁厚的出口管。

表1 薄壁鋁合金ZL104渦輪泵出口管鑄件設(shè)計要求Tab.1 Design requirements of thin-wall casting outlet pipe for ZL104 Al alloy turbopump

2 樹脂砂低壓鑄造工藝原理

2.1 樹脂砂低壓鑄造原理

樹脂砂低壓鑄造工藝是將樹脂砂鑄造與低壓鑄造工藝相結(jié)合的一種工藝方法，該方法代替了傳統(tǒng)的粘土砂重力鑄造法。砂型鑄造所使用的鑄型是用型砂制成的，根據(jù)使用的粘結(jié)劑不同可分為2類：潮模砂鑄造和樹脂砂鑄造。樹脂砂型（芯）通常是由原砂、合成樹脂粘結(jié)劑和固化劑等按一定比例混制而成，混好的型（芯）砂經(jīng)過緊實后，在一定的工藝條件下固化成鑄型和砂芯。常用的樹脂砂型為自硬砂型。樹脂砂鑄造是在混砂機(jī)里先加入砂子，再加樹脂到微微有些濕潤，最后加固化劑，固化劑加得越多凝固越快。具體比例要根據(jù)實際工藝情況而定，溫度和濕度對砂型固化均有影響。低壓鑄造是一種介于重力鑄造和壓力鑄造之間的鑄造工藝方法，屬于反重力鑄造工藝范疇，它是指液態(tài)金屬在可控壓力和可控液態(tài)金屬充型速度雙重要素的作用下，合金液(即液態(tài)金屬)自下而上平穩(wěn)地充填型腔，并在一定壓力作用下結(jié)晶、凝固、成形的一種鑄造工藝方法，由于所加的壓力較低（22～70 kPa），所以稱之為低壓鑄造。在合金液充型過程中，由于充型壓力和充型速度可調(diào)、可控，所以合金液充型平穩(wěn)，因而減少或避免了合金液在充型過程中出現(xiàn)沖擊、飛濺、翻騰等現(xiàn)象，從而減少了氧化夾渣等鑄件缺陷的形成，提高了鑄件質(zhì)量。低壓鑄造對鑄模的適應(yīng)性強(qiáng)，不僅可以采用砂型鑄模，還可以采用石墨型、殼型、熔模精鑄殼型、陶瓷型、金屬型以及半金屬型鑄模等。低壓鑄造可鑄合金范圍廣，不僅可以鑄造有色金屬鋅、鋁、鎂等，還可以鑄造黑色金屬球墨鑄鐵、鋼等。

圖2是低壓鑄造的基本原理示意簡圖，在裝有合金液的密封坩堝內(nèi)，通入干燥的壓縮空氣，使其作用在保持一定溫度的合金液面上，隨后坩堝和型腔之間產(chǎn)生壓力差，在該壓力差的作用下，合金液沿升液管經(jīng)澆道自下而上充滿型腔，待型腔充滿后，增大坩堝內(nèi)氣壓，并保壓至鑄件完全凝固成形，然后卸除坩堝內(nèi)壓力，使升液管和澆道中未凝固的合金液回流到坩堝內(nèi)，即可完成一個低壓鑄造過程，冷卻后脫模即可獲得所需鑄件。

2.2 鑄造鋁合金ZL104材料

鑄造鋁合金按照所含基本合金元素的不同分為鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系及鋁鋅系鑄造鋁合金。以Al-Si為基的鋁合金是現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用最廣泛的一種鑄造鋁合金，工業(yè)上稱之為“硅鋁明”，其優(yōu)點是：具有優(yōu)良的鑄造性，能制造大型鑄件或者形狀復(fù)雜的薄壁鑄件而不會產(chǎn)生裂縫；抗腐蝕性能好；密度比其他鑄造鋁合金?。涣W(xué)性能較好。這類合金分為普通硅鋁明和特殊硅鋁明，普通硅鋁明是由硅-鋁2種主要元素組成的Al-Si系二元合金，其典型代表為工業(yè)上所廣泛應(yīng)用的ZL102合金，這種合金中的鋁和硅不形成任何化合物，僅形成有限固溶體，其金相組織是由粗大的針狀硅構(gòu)成的共晶組織和初晶硅所組成，由于硅的脆性很大，所以這種合金的鑄造性能雖好，但力學(xué)性能很差，必須經(jīng)過變質(zhì)處理才有實用價值；同時由于硅在固態(tài)鋁中的溶解度非常小，所以不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，一般僅用于鑄造負(fù)荷不大、形狀復(fù)雜、耐沖擊和耐腐蝕的機(jī)械結(jié)構(gòu)零件。為了進(jìn)一步提高普通硅鋁明的力學(xué)性能，通常再向合金中加入Cu，Mg等元素，這種合金稱為特殊硅鋁明，如 ZL101，ZL104，ZL105，ZL106，ZL107，ZL108，ZL109及ZL111等，這類合金除個別需要變質(zhì)處理外，大部分可不經(jīng)變質(zhì)處理，同時因能形成CuAl2，Mg2Si等化合物，可以熱處理強(qiáng)化，這樣可使合金不但有較好的耐蝕性、耐熱性和良好的鑄造性能，而且還有相當(dāng)高的強(qiáng)度，從而大大擴(kuò)大了硅鋁明合金在工業(yè)上的應(yīng)用。本論文所采用的鑄造鋁合金即為特殊硅鋁明ZL104。

2.3 低壓鑄造澆注工藝原理

低壓鑄造澆注工藝的設(shè)計思想是：保證合金液平穩(wěn)充型，在避免冷隔和澆不足缺陷的條件下采用較低的充型速度和較低的澆注溫度以完成最佳的鑄造成型。低壓鑄造澆注工藝過程原理簡圖見圖3，低壓鑄造澆注工藝過程主要包括升液、充型、增壓結(jié)晶、保壓凝固及卸壓冷卻等階段，各階段的澆注工藝參數(shù)直接影響鑄件質(zhì)量，為了獲得最佳鑄造成型鑄件，按照下述原則確定各階段的澆注工藝參數(shù)。

2.3.1 升液階段澆注工藝參數(shù)理論計算

升液階段是將一定壓力的干燥空氣通入坩堝內(nèi)，使金屬液沿著升液管平穩(wěn)上升至鑄型的澆道處，該過程即為升液階段。升液壓力[6]

式中：h1為鑄型的澆道處至密封罐內(nèi)坩堝里金屬液面之間的距離，mm；γ為鋁合金金屬液密度，γ=2.4×103；μ 為阻力系數(shù)，通常取 μ=1.0～1.5。

升液時間

式中v1為升液速度，mm/s。

2.3.2 充型階段澆注工藝參數(shù)理論計算

充型階段是金屬液由澆道進(jìn)入型腔直至充滿鑄型,充型速度一般根據(jù)鑄件壁厚來確定,充型壓力

式中h2為澆注后密封罐坩堝內(nèi)金屬液面至鑄型最高處的高度，mm。

充型時間

式中：h3為澆口出口處距離鑄型頂部之間的高度，mm；v2為充型速度，mm/s。

2.3.3 增壓、凝固階段澆注工藝參數(shù)選取準(zhǔn)則

增壓、凝固階段是金屬液充滿型腔后，立即進(jìn)行增壓，使金屬液在高于升液、充型的壓力下結(jié)晶凝固，合金液在結(jié)晶壓力的作用下經(jīng)升液管、澆道向鑄件不斷進(jìn)行補(bǔ)縮，從而防止了鑄件出現(xiàn)縮孔和縮松等鑄造缺陷，有利于鑄件組織致密，可提高鑄件力學(xué)和機(jī)械性能。一般來說，結(jié)晶壓力越大，補(bǔ)縮效果越好，不過增大結(jié)晶壓力并不是對所有類型鑄件的補(bǔ)縮均是有效的，比如砂型低壓鑄造結(jié)晶壓力過大會產(chǎn)生鑄件表面粘砂和脹箱等缺陷，還會降低鑄造件的質(zhì)量、鑄造件表面的光潔度以及鑄造件尺寸精度，另外，結(jié)晶壓力過大還會造成跑火現(xiàn)象，使得鑄造生產(chǎn)過程產(chǎn)生不安全的隱患。結(jié)晶壓力一般是根據(jù)鑄型種類、鑄件形狀與結(jié)構(gòu)、鑄造設(shè)備的水平與能力等因素來進(jìn)行選擇的。

根據(jù)鑄造設(shè)備的水平能力以及鑄造工藝試驗，選取結(jié)晶增壓壓力p3=0.01 MPa，結(jié)晶增壓速度v3=0.003 MPa/s。

2.3.4 卸壓、冷卻階段澆注工藝參數(shù)選取準(zhǔn)則

卸壓、冷卻階段是鑄件凝固完畢，卸除坩堝中的壓力，使升液管和澆道中尚未凝固的金屬液回落至坩堝內(nèi)，并冷卻到一定時間，開型，落砂。

依據(jù)以上原則，通過4批次工藝試驗，確定了渦輪泵出口管低壓鑄造工藝參數(shù)如下：

升液速度：v1=40 mm/s；

充型速度：v2=40 mm/s；

結(jié)殼時間：t3=3 s；

結(jié)殼增壓壓力：p4=0.005 MPa；

結(jié)殼增壓速度：v4=0.003 MPa/s；

結(jié)晶時間：t4=500 s；

結(jié)晶增壓壓力：p3=0.01 MPa；

結(jié)晶增壓速度：v3=0.003 MPa/s。

3 樹脂砂低壓鑄造工藝

鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造工藝流程如圖4所示。

由圖4可見，鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造工藝主要工序有：混砂、樹脂自硬砂固化、鑄型噴涂、鑄型透氣孔制作、制芯造型、熔煉、鑄型澆注、保壓結(jié)殼、凝固成形、卸壓及冷卻脫模等。在5T/H型連續(xù)式自動混砂機(jī)上，采用原砂：樹脂=100∶2，樹脂組分Ⅰ (酚醛樹脂)：樹脂組分Ⅱ (聚異氰酸酯)=1∶1配方進(jìn)行混砂，通過PLC(可編程控制器)調(diào)整供應(yīng)樹脂的電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)樹脂配比與各組分的加入量 (組分Ⅰ與組分Ⅱ發(fā)生加成聚合反應(yīng)生成固態(tài)氨基甲乙酯的催化劑為液態(tài)胺(CH3CH2NH2))，混砂過程為機(jī)械連續(xù)自動方式，原砂通過葉片軸承傳動進(jìn)入混砂機(jī)小臂，在小臂入口處，樹脂組分Ⅱ進(jìn)入小臂開始混砂，約3 s后砂子隨葉片攪動行至小臂中央，再加入樹脂組分Ⅰ混合2 s后，由出砂口出砂。樹脂砂固化，樹脂加入量的多少是影響樹脂砂固化速度快慢的最主要因素，樹脂加入量越多，砂粒之間越容易形成粘結(jié)橋，粘結(jié)橋的厚度和接觸面積也隨之增加，型砂“8”字型試樣橫截面積計算的抗拉強(qiáng)度與樹脂橋截面積計算的抗拉強(qiáng)度和斷口中樹脂橋的實際面積占整個斷口截面積的百分比成正比，由此可見，隨著樹脂砂配比中樹脂量的增加，粘結(jié)橋的數(shù)量亦隨之增多，粘結(jié)面積亦隨之增大，則砂型強(qiáng)度亦就越高；在室溫條件下，經(jīng)過27～30 min后，樹脂自硬砂則可建立起初始強(qiáng)度，固化5 h，樹脂自硬砂砂型強(qiáng)度σb值增加較快，砂型強(qiáng)度可達(dá)到終極強(qiáng)度值的90%，固化5～24 h，樹脂自硬砂砂型強(qiáng)度σb值的增加則趨于平緩，最終達(dá)到σb=2.0 MPa，樹脂自硬砂的固化過程是各種原材料分子在加熱和液態(tài)胺催化劑的作用下，初步聚合成具有二維空間的線性鏈狀結(jié)構(gòu)的初聚物分子，而后在在第二種固化劑 (組分Ⅱ)的加入和作用下，促使樹脂分子間的聚合反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行并形成具有非常大分子量的、具有三維空間結(jié)構(gòu)的不溶熔性的體形網(wǎng)狀高分子聚合物，當(dāng)三維結(jié)構(gòu)聚合反應(yīng)發(fā)生在砂子之間時，所形成的網(wǎng)狀樹脂結(jié)構(gòu)就將砂粒彼此粘結(jié)起來，形成堅硬的骨架結(jié)構(gòu)，這也就是通常所說的樹脂產(chǎn)生固化反應(yīng)而硬化了，當(dāng)二維空間結(jié)構(gòu)的線性聚合物分子與砂子混合時，在固化劑 (組分Ⅱ)的作用下，樹脂的聚合反應(yīng)開始時較慢，繼而反應(yīng)加速直到反應(yīng)完全，剛開始的聚合反應(yīng)會被砂子的流動而打斷，即阻礙聚合反應(yīng)生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，反之，網(wǎng)狀聚合物的形成也阻礙了砂子的流動性，最后樹脂自硬砂在鑄造模具中則形成了具有一定強(qiáng)度的、固化成型的型砂。鑄型噴涂，低壓鑄造是在合金液加壓狀態(tài)下充型完成鑄造的，合金液充型能力特別強(qiáng)，砂粒之間的間隙在鑄件充型過程中會鉆鋁，使鑄件表面粗糙，澆注系統(tǒng)切割清理困難，并影響鑄件表面質(zhì)量，為此，在鑄型合箱前必須給鑄型內(nèi)壁刷涂料以保護(hù)鑄件和澆注系統(tǒng)型腔表面，并讓涂料材料分子填平型腔內(nèi)表面砂粒間的間隙，鑄造鑄型涂料有水基和醇基2種，水基涂料需用烘箱烘烤以去除水分，水基涂料與自硬砂樹脂不互溶，涂覆性差，醇基涂料與自硬砂樹脂均為有機(jī)物，互溶性好，容易刷涂，刷涂后只要點火就可將乙醇燒除，操作簡單，鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造選用常州945醇基涂料，涂刷工藝為：醇基涂料使用前充分?jǐn)嚢瑁猛?4型粘度杯測量并控制醇基涂料的流速，醇基涂料流速的要求值為16～18 s應(yīng)流過100 ml常州945醇基涂料；第一遍采用軟質(zhì)毛刷刷涂，點燃、干燥后修光；第二遍采用SATA型噴槍噴涂，噴槍移動速度保持在約40 mm/s；檢查涂層表面質(zhì)量，涂層表面要求均勻光潔、無漏涂和凸起點等；采用常州945醇基涂料鑄造鋁合金ZL104渦輪泵出口管，鑄件表面光亮平整，無起皮現(xiàn)象。鑄型透氣孔制作，鑄型內(nèi)壁涂覆醇基涂料后，鑄型透氣性降低，澆注時型腔中的氣體不易逸出，為此，需制作鑄型透氣孔，鑄型透氣孔制作要求為：在Φ85×60 mm的砂芯外壁隨機(jī)分布10-Φ3 mm的排氣孔，在鑄型頂部 (60×600)mm的平面范圍內(nèi)隨機(jī)分布30-Φ3 mm的排氣孔，此時，鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造制芯造型完成，實踐表明：采用該排氣孔設(shè)計方案，鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造澆注過程正常，鑄件表面狀態(tài)良好。鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造過程包括4個階段：升液和充型階段、保壓結(jié)殼階段、加壓凝固階段及保壓凝固階段，根據(jù) (公式1)和 (公式3)可分別計算升液壓力p1和充型壓力p2，計算結(jié)果為：p1≈0.015 MPa和p2≈0.033 MPa。通過工藝試驗，可得到：升液速度v1=40 mm/s，充型速度v2=40 mm/s，結(jié)殼增壓壓力p4=0.005 MPa，結(jié)殼增壓速度v4=0.003 MPa/s，結(jié)晶增壓壓力p3=0.01 MPa，結(jié)晶增壓速度v3=0.003 MPa/s，低壓澆注溫度t=675±5℃。

4 試驗驗證

采用上述鋁合金ZL10渦輪泵4出口管樹脂砂低壓鑄造工藝規(guī)范，按照圖4鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造工藝流程對5爐20件鋁合金ZL104渦輪泵出口管鑄件進(jìn)行了X-ray、熒光和液/氣壓試驗驗證，鋁合金ZL104渦輪泵出口管鑄件液/氣壓試驗系統(tǒng)原理如圖5所示。

試驗表明：20件鋁合金ZL104渦輪泵出口管鑄件經(jīng)過X-ray檢查，合格件為16件，合格率為80%；X-ray檢查合格的16件鑄件熒光滲透檢查結(jié)果為全部合格，合格率為100%；16件鋁合金ZL104渦輪泵出口管鑄件經(jīng)過機(jī)械精加工后進(jìn)行了液壓強(qiáng)度和氣密試驗，試驗壓力為2 MPa，保壓時間5 min，未發(fā)生滲漏現(xiàn)象；氣密試驗，試驗壓力0.5 MPa，保壓時間5 min，未發(fā)生滲氣現(xiàn)象，16件鋁合金ZL104渦輪泵出口管鑄件通過了液/氣壓試驗。采用該工藝規(guī)范制造的鋁合金ZL104渦輪泵出口管已用于CZ-5和CZ-7運(yùn)載火箭液氧煤油液體火箭發(fā)動機(jī)之中，CZ-5和CZ-7運(yùn)載火箭已通過了飛行考核，液氧煤油液體火箭發(fā)動機(jī)工作正常，由此表明：鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造工藝是合理、正確和有效的。

5 結(jié)論

本文通過研究樹脂砂低壓鑄造工藝?yán)碚撆c原理，并結(jié)合鑄造工藝試驗，得出液氧煤油液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造工藝規(guī)范，即升液壓力p1≈0.015 MPa，充型壓力p2≈0.033 MPa，升液速度v1=40 mm/s，充型速度v2=40 mm/s、結(jié)殼增壓壓力p4=0.005 MPa，結(jié)殼增壓速度v4=0.003 MPa/s，結(jié)晶增壓壓力p3=0.01 MPa，結(jié)晶增壓速度v3=0.003 MPa/s及低壓澆注溫度T=675±5℃，采用該工藝規(guī)范制造的鋁合金ZL104渦輪泵出口管已用于CZ-5和CZ-7運(yùn)載火箭液氧煤油液體火箭發(fā)動機(jī)之中，CZ-5和CZ-7運(yùn)載火箭已通過了飛行考核，液氧煤油液體火箭發(fā)動機(jī)工作正常，由此表明：鋁合金ZL104渦輪泵出口管樹脂砂低壓鑄造工藝是合理、正確和有效的。

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（編輯：馬 杰）

Research and application of low-pressure casting process of resin sand

SHANG Yi,GUO Bei
（Xi’an Space Engine Factory,Xi’an 710100,China）

The low-pressure castingprocess specifications ofresin sand for outlet pipe mounted on ZL104 Al alloy turbopump were obtained based on the study of the theory and principle for low-pressure casting technology of resin sand as well as relevant process tests.ZL104 Al alloy turbopump outlet pipe manufactured with the above specifications has been used in the LOX/kerosene liquid rocket engine of CZ-5 and CZ-7 launch vehicles.CZ-5 and CZ-7 launch vehicles have passed flight tests,and their LOX/kerosene liquid rocket engines operates normally,which indicates that the resin sand low-pressure castingtechnologyfor the outlet pipe mounted on ZL104 Al alloyturbopump is reasonable,correct and effective.

casting process;Al alloy;resin sand;low-pressure casting

V261.3-34

A

1672-9374(2017)04-0063-07

2016-01-13；

2017-06-26

商毅（1982—），男，工程師，研究領(lǐng)域為鑄造技術(shù)