低熔點合金熔模制作葉輪石膏芯的工藝研究

王磊 杜 娟 冷 冰 張福強 曹 軍

（1.山東豪邁機械科技股份有限公司，高密 261500；2.山東省輪胎模具關鍵技術重點實驗室，高密 261500）

閉式葉輪是離心式壓縮機的核心部件之一，具有形狀復雜、壁厚不均勻、葉片數量多、型面扭曲以及精度要求嚴格等特點。為保證葉輪鑄件質量和鑄造精度，鑄造閉式葉輪時通常采用石膏芯-金屬型低壓鑄造的方式。閉式葉輪葉片往往呈三維扭曲狀，使用普通方法制作石膏芯無法脫模，如何制作出精度高、表面粗糙度數值低、一體成型的石膏芯，是閉式葉輪鑄造的技術難點。采用低熔點合金制作葉片模型，熔模制作高精度的石膏芯葉片空腔，并制作出一體成型的葉輪石膏芯，實現了葉輪葉片的精密成型。

1 低熔點合金概述

1.1 低熔點合金的概念

低熔點合金是Bi、Sn、Zn、Pb、Cd、In、Ga、Sb 等元素組成的二元或多元合金的統稱。低熔點合金的熔點沒有嚴格的范圍界限，一般認為熔點低于232 ℃的合金即為低熔點合金[1]。根據是否具有單一熔點，低熔點合金又分為共晶合金和非共晶合金，實際工業化應用中的低熔點合金絕大部分為共晶成分。低熔點合金具有低蒸汽壓、良好的導熱性、易加工、流動性好、成模清晰、固化時尺寸可控以及可重復使用性等優點，廣泛應用于各工業領域，如大型薄板沖壓模具、復雜薄壁零件制造、熔模鑄造模具型芯、相變儲熱材料等方面[2]。

1.2 低共熔點理論

圖1 為Bi-Sn 合金相圖。Bi 的晶格類型為菱面體，晶格類型的差異使其與Sn 無法形成均勻一致的固溶體，只能形成有限固溶體，即Bi 溶于Sn 中的α相或Sn 溶于Bi 中的β相。圖1 中，E點是共晶點，溫度降至138 ℃時，由液相中同時析出α相和β相，進而形成混合物，即為共晶體，其成分含58%的Bi 和42%的Sn[3]。在共晶點E處呈現三相共存，比純Bi、純Sn 的熔點都低，因此被稱為低共熔點。在該點析出的混合物稱為低共熔混合物。低共熔物一般具有比較特殊的致密結構，兩種固相總是呈片狀或粒狀均勻交錯在一起，此時系統具有較好的強度[4]。

圖1 Bi-Sn 合金相圖

2 低熔點合金熔模制作葉輪石膏芯

2.1 低熔點合金葉片成型模具

低熔點合金葉片模具裝配示意如圖2 所示，該模具由上模、下模、角模、上蓋以及限位板等組成。

圖2 低熔點合金葉片模具裝配示意

葉片模具的上蓋及下模設有三維扭曲的凹槽，用于形成葉片的上下兩端，使葉片與石膏芯模具中的裝配槽相配合，進行葉片定位[5]。上模表面為扭曲面，上模之間的縫隙即為形成葉片形狀的空腔。上模上表面與上蓋配合，上蓋一側設有澆口，同角模的直澆道相配合。上蓋的凹槽內部設有通孔，用于排氣及指示模具內部液體的液位高度。

澆注時，低熔點合金液自上蓋澆口處澆入，經直澆道、進液槽進入下模凹槽，充滿整個型腔。待通孔處有合金液流出，即可停止澆注。葉片模具的分塊配合不但能夠實現對三維扭曲葉片的制作，而且易于加工，模具分解方便，在起模過程中能夠最大限度減小模具對成型葉片表面造成的損傷。

2.2 低熔點合金葉片成型工藝

文章所用的低熔點合金為Bi-Sn 合金，其成分占比及物理性能如表1 所示。

由表1 可知，Bi-Sn 低熔點合金的熱膨脹系數接近0，可以認為合金液在凝固過程中既不收縮也不膨脹，因此無須考慮葉片及葉片成型模具的收縮率和退讓性[6]。低熔點合金葉片澆注工藝過程，如圖3 所示。

圖3 低熔點合金葉片澆注工藝過程

對于特定的低熔點合金，成型工藝參數主要包括澆注時的熔液溫度、模具溫度和脫模時間等[7]。通過單一變量法對上述因素在不同水平下進行試驗，并確定最終的工藝參數，如表2 所示。

表2 低熔點合金葉片成型工藝參數

通過研究不同的模具溫度對葉片表面質量的影響，發現模具溫度對合金凝固速度有較大影響。當模具溫度過低時，合金溫度降低過快，葉片易出現冷隔。當模具溫度過高時，合金冷卻速度過慢，造成晶粒粗大，表面粗糙度差。當模具溫度為110 ℃時，葉片表面質量最好。澆注時，不同模具溫度下葉片表面質量對比如圖4 所示。

圖4 不同模具溫度對葉片表面質量的影響

通過多組對比試驗得出低熔點合金葉片最佳澆注工藝參數，如表3 所示。采用表3 工藝參數獲得的低熔點合金葉片模具成型完整、表面質量較好、無明顯缺陷，能夠滿足使用要求。

表3 低熔點合金葉片最佳澆注工藝參數

2.3 石膏芯制作

為制作一體成型的閉式葉輪石膏芯，將石膏芯模具設計為上下模兩部分，在上下模中均有與低熔點合金葉片相配合的裝配槽，如圖5 所示。組裝時，先將低熔點合金葉片裝配在下模的裝配槽中，再將上模豎直下落并與下模配合。裝配完畢后，從石膏芯模具上端灌注石膏漿料并靜置固化，待凝固后拆模[8]。

圖5 葉輪石膏芯模具裝配示意

拆模后的石膏芯自然干燥2 h，干燥后低熔點合金葉片嵌入石膏，局部圖如圖6 所示。自然干燥后，人工修整石膏芯表面缺陷，將石膏芯放入干燥機，升溫至300 ℃進行干燥。由于Bi-Sn 低熔點合金的熔點為138 ℃，在干燥過程中合金會熔化，并在重力作用下流出，應使用專用容器進行回收，以便重復利用。葉片完全熔化后，在石膏芯內部留下與葉片形狀相同的空腔。葉輪鑄造時，金屬液流入空腔形成葉片。石膏芯300 ℃干燥后圖片，如圖7 所示。

圖6 葉輪石膏芯自然干燥后局部圖

圖7 葉輪石膏芯300 ℃干燥后圖片

此方式獲得的葉輪石膏芯成型精度高、內壁光滑、無粉塵等顆粒狀雜質，鑄造葉輪時有利于葉片位置的平穩充型，氣孔等鑄造缺陷少。從實際生產中收集的數據來看，葉片成型率在98%以上。

3 結語

低熔點合金葉片模具采用分塊配合設計，易于加工，方便裝配和拆模操作。石膏芯模具采用上下分體配合設計，并設計相應的裝配槽方便葉片裝配。通過合適的低熔點合金澆注工藝，得到形狀完整、尺寸精確、表面質量良好的低熔點葉片模型。石膏芯在高溫干燥過程中，低熔點合金葉片熔化、流出，從而獲得成型精度高、內壁光滑、無粉塵等顆粒狀雜質的閉式葉輪石膏芯。