CN1301170C - 用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，它包括以下工艺步骤：配制铝热铸焊药剂；用呋喃树脂砂快速制造铸造用模具；将铝热铸焊药剂置于带下孔树脂坩埚内；将TiC引燃焊剂埋入铝热铸焊药剂内，部分外露，点燃外露部分，铝热铸焊药剂在坩埚内引发自蔓延铝热反应，获得浇注用铁水熔体；将铁水熔体直接浇注到呋喃树脂砂模具的型腔中，得铸件，所述的铝热铸焊药剂由以下重量百分比的原料组成：粒度为200～300目的铝粉19～25%；粒度小于100目、含碳量小于0.5%的氧化铁55～60%；成分组成是锰铁、硅铁、铁钉头的合金剂3～12%，CaCO₃CaF₂-Al₂O₃造渣剂余量和呈碱性的辅助熔剂2～5%。本发明适用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造。

Description

用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法

技术领域：

本发明涉及一种自蔓延快速铸造方法，主要适用于装甲车辆零件战场应急快速成型。属金属铸造技术领域。

背景技术：

装甲装备战场应急抢修是保持装甲车辆的战场生存率和提高战斗力的再生能力的有效手段。战场上严重战伤零件的换件修理是很重量的一种修理方法。往往也是必须采取的方法。但随车备件有限，迫切需要一种在无需电、不用气体且设备简单的条件下快速制作零件或零件毛坯技术，以解决换件时缺件难题。

在SHS领域中，通过选择高放热燃烧体系，使之提供的燃烧温度超过反产物熔点，再将由此获得的高温熔体冷却，从而获得铸锭。这种铸造技术定义为SHS铸造。该技术主要涉及二点：一是利用SHS生成熔体；二是通过铸造技术对熔体进行处理。相比于其它SHS技术，SHS铸造技术设备简单，工艺易于操作而且因在SHS过程中所产生的高温熔体使气相较易排出，产品致密度较高，所以SHS铸造技术是SHS各技术中倍受世人重视的技术之一，其中，铝热反应由于其高放热而被广泛用于SHS铸造技术。树脂砂是以树脂为粘接剂配制的型/芯砂。它与其他型砂相比的主要优点是：铸件表面质量好，尺寸精度高，不需要烘干，生产周期短，几分种即可固化，节省能源；树脂砂型/芯的强度高，透气性好，铸件缺陷少，废品率低；树脂砂流动性好，易紧实；溃散性好，容易落砂、清理，大大减轻了劳动强度。因此，用树脂砂快速制造铸造模具是铸造工艺上的一次大变革。近年来发展尤为迅猛。

控制浇注法是一种简单有效制备半固态材料的新方法，最近在国际上受到广泛注意。它是通过控制浇注过程中的工艺条件来控制材料的凝固过程，从而抑制树枝晶的生长，使原始铸造组织成为等轴晶。随后将此等轴晶组织重熔到半固态区间进行等温组织演化，固态等轴晶转变为球状颗粒。在控制浇注法中，可进行调节的浇注条件很多，如浇注温度，冷却温度，模壁面积，溶体对流等。

发明内容：

本发明的目的在于：融合SHS铸造技术与用快速原型间接制造树脂砂模具技术，开发一套适用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造技术方法。

本发明的目的是这样实现的：一种用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，其特征在于：它包括以下工艺步骤：

——配制铝热铸焊药剂；

——用呋喃树脂砂快速制造铸造用模具；

——将铝热铸焊药剂置于带下孔树脂坩埚内；

——将TiC引燃焊剂埋入铝热铸焊药剂内，部分外露，点燃外露部分，铝热铸焊药剂在坩埚内引发自蔓延铝热反应，获得浇注用铁水熔体；

——将铁水熔体直接浇注到呋喃树脂砂模具的型腔中，得铸件，

所述的铝热铸焊药剂由以下重量百分比的原料组成：粒度为200～300目的铝粉19～25％；粒度小于100目、含碳量小于0.5％的氧化铁55～60％；成分组成是锰铁、硅铁、铁钉头的合金剂3～12％，CaCO₃CaF₂-Al₂O₃造渣剂余量和呈碱性的辅助熔剂2～5％。

本发明用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，所述的坩埚下出口的石棉隔热层为8～10mm厚。

本发明用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，呋喃树脂砂由原砂、呋喃树脂、催化剂和添加剂组成，所述的呋喃树脂加入量占原砂质量的1％～2％；所述的催化剂是磷酸溶液或硫酸溶液、硫酸乙醇溶液、硫酸乙酯、有机磺酸溶液，其加入量占呋喃树脂质量的25～35％，所述的添加剂有硅烷偶联剂或氧化铁粉、甘油，其中：硅烷偶联剂的加入量占呋喃树脂质量的0.2％～0.4％；或氧化铁粉的加入量占呋喃树脂质量的0.1％～5％；或甘油的加入量占呋喃树脂质量的0.2％～0.4％。

本发明用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，所述的原砂酸值＜5；原砂PH值＜7；含泥量w泥控制在0.2％以下；微粒含量w微粒＜2％；角形系数1.0～1.3；呋喃树脂PH值：7左右或呈弱碱性。

本发明用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，所述的硫酸乙醇溶液用1mol硫酸与2mol乙醇混合制成。

本发明用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，所述的有机磺酸溶液有对甲苯磺酸或二甲苯磺酸、苯酚磺酸。

本发明用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，所述的对甲苯磺酸呈水溶液的形式：酸∶水＝6.5∶3.5。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用铝热铸技术与快速原型间接制造树脂砂模具技术相融合，可形成一套适用于机械零件或毛坯应急快速成型的新技术。

2、铝热快速铸造件的组织可通过控制浇注温度进行改善。随着浇注温度的降低，铸件的组织从粗大的晶粒转变为细小的等轴晶，实验发现9mm厚的石棉垫可获得细小的等轴晶。

3、靠自身铝热还原放热反应产生浇注用钢水，无需电和气，通过调整加入的合金元素，可改变钢种满足不同要求。工艺简单、模具型腔及其内表面精细几何形状一次同时完成，省去了传统模具加工中的制图、数控加工和热处理等昂贵、费时的步骤，不需机械加工；模具尺寸精度高，制作速度快，成本低，成型速度20分钟以内，机械性能达到铸钢性能指标，尺寸精度满足应急抢修标准。非常适合应急抢修中的毛坯和零件快速成型。

具体实施方式：

实施例：装甲车的一个铸件进行自蔓延快速铸造应用试验：

铸件重4kg，用铝热铸焊药剂8kg，按先加酸后加树脂的顺序，将呋喃树脂与催化剂等按比例调配，在塑料袋中与硅砂快速混合均匀后翻砂。其具体工艺步骤为：

一、铝热铸焊药剂的配制

1、铝热铸焊药剂的基本构成：

本实验所用铝热铸焊药剂除含有19～25％、粒度为200～300目的铝粉和含有55～60％、粒度为小于100目、含碳量小于0.5％的氧化铁外，另需配入适量的合金剂、造渣剂和辅助熔剂，其各自的成分及功能说明如下：

添料——合金剂

为了获得塑性较好的铸造性，应严格控制配方原料的含碳量，但是为了提高熔敷金属的组织强度，铝热铸焊剂中配入了3～12％、成分组成是锰铁、硅铁、铁钉头的合金剂，从而使溶敷金属金相组织中具有较多的铁素体。

辅料——造渣剂

为了提高金属收得率，促进金属表面成型平展，细化组织晶粒，采用CaCO₃CaF₂-Al₂O₃为造渣剂。

辅料——辅助熔剂

铝热铸焊药剂在冷却较快的条件下，如药量较少、被焊件散热较快，则在熔合区有一部分渣不易被排除，形成夹渣。为了缓慢融合金属的凝固速度，铝热铸焊药剂中配入了2～5％、熔点低、流动性好、呈碱性的辅助熔剂。

二、野战条件下自蔓延快速铸造用器材的选用

为获得高质量的钢水，尝试了采用带下孔的耐高温陶瓷坩埚、带下孔的钢坩埚、石墨坩埚、轻质耐火砖坩埚等多种坩埚，最终确定了一次性带下孔树脂坩埚。

三、引燃点火剂的配制及点火器的选用

1、点火剂的配制

引燃铝热铸焊药剂的材料叫点火剂。由于铝热铸焊药剂必须在较高的温度下才能点燃，传统的高温火柴和镁条等点火剂均不适应战场抢修。多次实验配制了反应速度适中、易点燃且发热量高的TiC点火剂和使用方法：Ti粉和C粉粒度为200目，按化学计量配比混合。使用时部分埋入铝热铸焊药剂内，部分外露，点燃外露部分后迅速盖上防护罩。

2、点火器的选择

引发铝热铸焊药剂自蔓延反应称为点火。在平时可用的外热源很多，包括电火花、强电流、微波、强热流、激光或化学点火剂等。能适应无电无气和各种气候条件的野战条件下的点火器的选择是一个难题。在反复尝试了随车电瓶与电阻丝组合、普通打火机、柴油多种点火方式失败后，发发现了既适用又方便的防火打火机作为点火器，从而成功地解决了点火问题。

四、用呋喃树脂砂快速制造铸造模具

呋喃树脂砂是指在常温下呋喃树脂粘结剂由于催化剂的作用发生化学反应而固化的型砂。呋喃树脂砂一般由原砂、呋喃树脂、催化剂和添加剂等组成，其各自的成分及功能说明如下：

1、原砂

酸值＜5；

PH值＜7；

含泥量：含泥量w泥控制在0.2％以下，最高不超过0.5％。最好采用水洗砂或擦洗砂；

微粒含量：w微粒＜2，最好能控制在0.5％以下；

角形系数：一般要求原砂角形系数在1.0～1.3范围；

粒度：对不刷涂料的型/芯，选用21组和15组混合砂；对刷涂料的型/芯，选用30组和21组混合砂；

含水量：＜2％。

2、呋喃树脂

呋喃树脂的加入量，一般占原砂质量的1％～2％。

呋喃树脂的技术指标：

粘度：尽量低；

游离甲醛含量：尽量低；

含水量：无氮树脂＜2％；中氮树脂＜5％；高氮树脂＜10％；

PH值：7左右或呈弱碱性。

3、催化剂(固化剂)

呋喃树脂都是用酸作催化剂使呋喃树脂砂型硬化的。目前国内外采用较多的催化剂有磷酸溶液、硫酸溶液、硫酸乙酯及有机磺酸溶液(如对甲苯磺酸，二甲苯磺酸，苯酚磺酸等)。因使用硫酸溶液催化作用过强，常用1mol硫酸与2mol乙醇制成硫酸乙醇以减缓催化作用。有机磺酸溶液适用于各种呋喃树脂。对于甲苯磺酸以水溶液(酸∶水＝6.5∶3.5)的形式较好。二甲苯磺酸性能更好。

随催化剂加入量增多，可使用时间和脱模时间缩短。催化剂的加入量，一般占树脂质量的30％左右。

4、添加剂：

有偶联剂，偶联剂为各种硅烷，加入量为树脂量的0.2％～0.4％(质量分数)；有防冲砂：加0.1％～1.5％的氧化铁粉；防气孔：加3％～5％的氧化铁粉；增加砂型/芯韧性：加0.2～0.4％甘油。

五、工艺参数优化试验过程

1、试验过程

浇注温度和冷却条件影响制作的表面质量和内部的组织结构，从而决定了产品的机械性能。通过对不同浇注温度下的试件组织进行金相分析，优化控制浇注工艺参数。

浇注用的铁水在树脂坩埚中通过铝热反应获得。不添加任何晶粒细化剂和变质剂。通过改变坩埚下出口石棉隔热层(二到七层，每层厚1.5mm)的厚度得到不同的浇注温度。熔体直接浇注到树脂砂的原砂砂坑中。从原始铸件中切取试样，用于显微镜组织观察。

2、试验结果与分析

在不同的浇注温度下得到的初始铸造组织。晶粒的大小和形貌随浇注温度的变化而变化。采用石棉垫为二层时浇注，平均晶粒大；石棉垫为三层时，晶粒度略微减小；石棉垫为四层时，组织结构发生突变，视野中绝大部分为不规则排列的柱状晶。石棉垫为五层时，柱状晶向尺寸较小的球状晶变化。石棉垫为六层时，为细小的等轴晶和部分不规则的小柱状晶。石棉垫为七层时，晶粒尺寸和形状与六层相比变化不大。实验得到隔热层为六层的浇注条件最佳。低温浇注可以得到细小晶粒的初始铸造组织。

从二层石棉垫到七层石棉垫的金相照片上都可看到分布在晶界内不同大小的黑色块状物体，通过能谱分析出该区为富SiO₂和富Al₂O₃区，产生的原因是混粉不均和排渣不完全造成的。隔热层越薄这种现象越明显。

Claims (7)

1、一种用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，其特征在于：它包括以下工艺步骤：

——配制铝热铸焊药剂；

——用呋喃树脂砂快速制造铸造用模具；

——将铝热铸焊药剂置于带下孔树脂坩埚内；

——将TiC引燃焊剂埋入铝热铸焊药剂内，部分外露，点燃外露部分，铝热铸焊药剂在坩埚内引发自蔓延铝热反应，获得浇注用铁水熔体；

——将铁水熔体直接浇注到呋喃树脂砂模具的型腔中，得铸件，

所述的铝热铸焊药剂由以下重量百分比的原料组成：粒度为200～300目的铝粉19～25％；粒度小于100目、含碳量小于0.5％的氧化铁55～60％；成分组成是锰铁、硅铁、铁钉头的合金剂3～12％，CaCO₃CaF₂-Al₂O₃造渣剂余量和呈碱性的辅助熔剂2～5％。

2、根据权利要求1所述的一种用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，其特征在于：所述的坩埚下出口的石棉隔热层为8～10mm厚。

3、根据权利要求l或2所述的一种用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，其特征在于：呋喃树脂砂由原砂、呋喃树脂、催化剂和添加剂组成，所述的呋喃树脂加入量占原砂质量的l％～2％；所述的催化剂是磷酸溶液或硫酸溶液、硫酸乙醇溶液、硫酸乙酯、有机磺酸溶液，其加入量占呋喃树脂质量的25～35％，所述的添加剂有硅烷偶联剂或氧化铁粉、甘油，其中：硅烷偶联剂的加入量占呋喃树脂质量的0.2％～0.4％；或氧化铁粉的加入量占呋喃树脂质量的0.1％～5％；或甘油的加入量占呋喃树脂质量的0.2％～0.4％。

4、根据权利要求3所述的一种用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，其特征在于：所述的原砂酸值＜5；原砂PH值＜7；含泥量w泥控制在0.2％以下；微粒含量w微粒＜2％；角形系数1.0～1.3；呋喃树脂PH值：7左右或呈弱碱性。

5、根据权利要求3所述的一种用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，其特征在于：所述的硫酸乙醇溶液用1mol硫酸与2mol乙醇混合制成。

6、根据权利要求3所述的一种用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，其特征在于：所述的有机磺酸溶液有对甲苯磺酸或二甲苯磺酸、苯酚磺酸。

7、根据权利要求6所述的一种用于装甲车辆零件战场应急快速成型的自蔓延快速铸造法，其特征在于：所述的对甲苯磺酸呈水溶液的形式：酸∶水＝6.5∶3.5。