CN101372033A - 装甲车辆铝合金零件或毛坯战场应急自蔓延快速铸造法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装甲车辆铝合金零件或毛坯战场应急自蔓延快速铸造法。它包括以下工艺步骤：将损坏零件通过粘接等方式恢复原形，并以此为正模模型。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，与硅砂快速混合均匀后，翻砂制成母模。将铝热反应药剂置于坩埚内，将TiC引燃焊剂埋入铝热反应药剂内，部分外露，点燃外露部分，引发在坩埚内的铝热反应药剂的自蔓延反应，待反应完毕时，将固体铝合金放入反应产物表面使其熔化，得铝合金液体，将铝合金液体直接浇注到呋喃树脂砂模具的型腔中，得铸件。所述的铝热反应药剂按公式Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe配制。铝粉的粒度为200－300目，氧化铁粒度小于100目。

Description

装甲车辆铝合金零件或毛坯战场应急自蔓延快速铸造法

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铝合金零件或毛坯战场应急快速铸造成型。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。战场上严重战伤铝合金零件的换件修理是很重要的一种修理方法。但随车备件有限，迫切需要一种在无电、无气且设备简单的条件下快速制造铝合金零件或零件毛坯(为野战抢修车机械加工设备提供毛坯)技术，以解决换件时的缺件难题。

基于自蔓延高温合成(SHS)原理，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，再用由此获得的高温熔体熔化固体铝合金，浇注铝合金液体获得铸锭。这种铸造技术定义为铝合金SHS铸造。该技术主要涉及二点：一是利用SHS反应放热熔化固体铝合金生成铝液；二铸造成型。相比于其它铝合金铸造技术，铝合金SHS铸造技术速度快、设备简单、工艺易于操作，可在无电、无气条件下快速制作零件或零件毛坯技术，在军事上具有重要的应用价值。在SHS铸造体系中，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。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，提供一种适用于装甲车辆铝合金零件或毛坯战场应急自蔓延快速铸造法。

本发明的目的是这样实现的：一种装甲车辆铝合金零件或毛坯战场应急自蔓延快速铸造法，其特征在于：它包括以下工艺步骤：

——配制铝热反应药剂

——用呋喃树脂砂快速制造铸造用模具

——将铝热反应药剂置于带钢外套的树脂坩埚内

——将TiC引燃焊剂埋入铝热反应药剂内，部分外露，点燃外露部分，铝热反应药剂在坩埚内引发自蔓延反应，获得高温的铁水与Al₂O₃熔融体，

——将固体铝合金加入到树脂坩埚内刚刚凝固的铁水与Al₂O₃熔融体表面，利用其高温将铝合金熔化，得液态铝合金溶体；

——将液态的铝合金直接浇注到呋喃树脂砂模具的型腔中，得铸件；

所述的铝热反应药剂按公式Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe配制，铝粉的粒度为200-300目，氧化铁粒度小于100目。

本发明用于装甲车辆铝合金零件或毛坯战场应急自蔓延快速铸造法，所述呋喃树脂砂由原砂、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重量的1％-2％；所述的催化剂是磷酸溶液、硫酸溶液、硫酸乙醇溶液、硫酸乙酯溶液或有机磺酸溶液，其加入量占呋喃树脂重量的25-35％，所述的添加剂有硅烷偶联剂、氧化铁粉或甘油，其中：硅烷偶联剂的加入量占呋喃树脂重量的0.2％-0.4％；或氧化铁粉的加入量占呋喃树脂重量的0.1％-5％；或甘油的加入量占呋喃树脂重量的0.2％-0.4％。

本发明装甲车辆铝合金零件或毛坯战场应急自蔓延快速铸造法，所述的原砂：酸值<5，PH值<7，含泥量w泥控制在0.2％以下，w微粒含量<2％，角形系数1.0-1.3。

本发明用于装甲车辆铝合金零件或毛坯战场应急快速铸造法，所述的硫酸乙醇溶液用1mol硫酸与2mol乙醇混合制成，有机磺酸溶液为甲苯磺酸溶液，甲苯磺酸呈水溶液的形式：甲苯磺酸:水＝7:3。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用自蔓延铸造技术与快速原型间接制造树脂砂模具技术相融合，形成一套适用于铝合金零件或毛坯应急快速成型的新技术。

2、靠自身铝热还原放热反应产生高温熔化铝合金得铸件所需的铝合金水，无需电和气，通过调整加入的合金元素比例，可改变铝合金种类，满足不同要求。该工艺简单、模具型腔及其内表面精细几何形状可一次同时完成，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，机械性能达到铸铝的性能指标，尺寸精度满足应急抢修标准。非常适合应急抢修中的铝合金毛坯和零件快速成型。

具体实施方式：

实施例：装甲车的一个铝合金铸件进行自蔓延快速铸造应用试验：

铸件重2kg，用铝热铸焊药剂3kg，待反应完成后加入2.5kg铝合金。其具体工艺步骤为：

一、铝热反应药剂的配制

铝热反应药剂的基本构成：

所述的铝热反应药剂按公式Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe配制。铝粉的粒度为200-300目，氧化铁粒度小于100目。

二、自蔓延快速铸造

1、用呋喃树脂砂快速制造铸造用模具

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，将损坏零件通过粘接等方式恢复原形，并以此为正模模型，通过翻砂制成母模。

2、将铝热反应药剂置于坩埚内

3、将TiC引燃焊剂埋入铝热反应药剂内，部分外露，点燃外露部分，铝热反应药剂在坩埚内引发自蔓延反应，

4、待反应完毕时，将固体铝合金放入反应物表面使其熔化，得液态铝合金溶体；

5、将铝合金液体直接浇注到呋喃树脂砂模具的型腔中，得铸件。

三、野战条件下铝合金毛坯或零件自蔓延快速铸造用器材的选用

为获得高重量的液态铝合金熔体，尝试了采用耐高温陶瓷坩埚、钢坩埚、石墨坩埚、轻质耐火砖坩埚等多种坩埚，最终确定了带钢外套的树脂坩埚。

四、点火剂及点火器

1、点火剂：Ti粉与C粉的混合物，Ti粉和C粉粒度均为200目，按化学计量(原子比为1)配比混合。

2、点火器：防风打火机。

五、用呋喃树脂砂快速制造铸造模具

呋喃树脂砂是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，一般占原砂重量的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，用1mol硫酸与2mol乙醇制成硫酸乙醇溶液以减缓催化作用。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＝7:3)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，一般占树脂重量的30％左右。

4、添加剂：

添加剂的组成和作用有：①偶联剂。偶联剂为各种硅烷，加入量为树脂量的0.2％-0.4％；②防冲砂：加0.1％-1.5％的氧化铁粉；③防气孔：加3％-5％的氧化铁粉；④增加砂型/芯韧性：加0.2-0.4％甘油。以％上均重量百分数。

六、铸造工艺参数的控制

浇注用的液态铝合金熔体在树脂坩埚中通过铝热反应热熔化固体铝合金获得。不添加任何晶粒细化剂和变质剂。熔体直接浇注到树脂砂模具型腔中。浇注温度和冷却条件影响铸件的表面重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。得到近液相线的625℃浇注可得到高质量的铸件。

Claims (1)

1.一种装甲车辆铝合金零件或毛坯战场应急自蔓延快速铸造法，其特征在于：它包括以下工艺步骤：

——配制铝热反应药剂

——用呋喃树脂砂快速制造铸造用模具

——将铝热反应药剂置于带钢外套的树脂坩埚内

——将TiC引燃焊剂埋入铝热反应药剂内，部分外露，点燃外露部分，铝热反应药剂在坩埚内引发自蔓延反应，获得高温的铁水与Al₂O₃熔融体，

——将固体铝合金加入到树脂坩埚内刚刚凝固的铁水与Al₂O₃熔融体表面，利用其高温将铝合金熔化，得液态铝合金溶体，

——将液态的铝合金直接浇注到呋喃树脂砂模具的型腔中，得铸件；

所述的铝热反应药剂按公式Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe配制，铝粉的粒度为200-300目，氧化铁粒度小于100目，所述呋喃树脂砂由原砂、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重量的1％-2％；所述的催化剂是磷酸溶液、硫酸溶液、硫酸乙醇溶液、硫酸乙酯溶液或有机磺酸溶液，其加入量占呋喃树脂重量的25-35％，所述的添加剂有硅烷偶联剂、氧化铁粉或甘油，其中：硅烷偶联剂的加入量占呋喃树脂重量的0.2％-0.4％；或氧化铁粉的加入量占呋喃树脂重量的0.1％-5％；或甘油的加入量占呋喃树脂重量的0.2％-0.4％，其中，所述的硫酸乙醇溶液用1mol硫酸与2mol乙醇混合制成，所述的有机磺酸溶液为甲苯磺酸溶液，甲苯磺酸溶液呈水溶液的形式：甲苯磺酸:水＝7:3，

所述的原砂：酸值<5，PH值<7，含泥量w泥控制在0.2％以下，w微粒含量<2％，角形系数1.0-1.3。