CN1004055B - 铸钢件水溶性型芯 - Google Patents

Abstract

铸钢件水溶性型芯，选用电熔刚玉砂或铝钒土熟料砂作为基材，另加氢氧化钡有机粘结剂，在低温下烘干制成，与现有水溶性型芯的制造方法相比，本发明制造成本低廉。方法简单，节约能源，可以改善铸造工人的劳动环境，制成的型芯溃散性能良好，用于钢件铸造，可以获得高质量的铸件。

Description

铸钢件水溶性型芯

本发明属于铸造技术领域。

随着现代工业技术的发展，尤其是航空、航天事业的突飞猛进，铸件的形状日益复杂;对其内腔的复杂程度、尺寸精度及表面光洁度等方面的要求越来越高。现有的技术已难以适应，铸造工作者们迫切需要一种高强度、高精度、耐热性好、易成形、易溃散的型芯来满足生产的要求。在此基础上，水溶性型芯应运而生了，这是一种浇注后不需清理，可直接在水或稀酸中溶解溃散的型芯。

水溶性型芯早在四十年代就有人进行过探索与研究。见不池敬一《铸段造》，1978，（5），1～9。六十年代开始用来解决铝、镁合金的复杂内腔的成形问题，见Casting Technology April1967，（27）那时的水溶芯是用水溶性无机盐为基体材料，故称为水溶性盐芯。这类型芯虽然能用于铝、镁合金的铸造，但它们的熔点低（只有几百度），耐热性差，且易与金属液反应，因此对浇注温度高达1600℃以上的铸钢、耐热合金等高熔点合金的铸造就无能为力了。

高熔点合金的细孔，目前多用以石英为主要成分的硅基陶瓷芯来形成。这种陶瓷芯虽然耐热性很高，也不与金属液反应，但不易脱芯，必须采用热荷性碱或氢氟酸溶液来除芯。除芯工艺复杂，设备庞大、时间长，且对铸造合金有腐蚀作用。见US Patent US3701379。

因此，在水溶性盐芯的基础上，国外发展了一种既具有盐芯的水溶性又具有陶瓷芯的耐热性的型芯，这就是水溶性陶瓷芯。这种型芯可分为两类：

1.以能溶于水或稀酸的耐火陶瓷材料（如MgO、（6、5〕CaO〔8、7〕）为基材，加入一些易发挥的有机增塑剂，成形后高温烧结而成。

2.以难溶耐火材料（多用Al₂O₃系材料）为基材，可溶性盐类为粘结剂，通过各种成形工艺制成。

第一类水溶性陶瓷芯最突出的优点是优异的高温性能及良好的表面光洁度，使之能用于许多高熔点合金的精铸生产中。其缺点是需高温烧结，不但使工艺复杂化，还使型芯水溶性下降。这是因为高温烧结导致烧结体的晶粒粗大、致密;同时也使杂质活性增大，与基体材料形成难溶的新相。故这类型芯的脱芯条件要求较高，一般要在温度相当高的热蒸汽或有机酸中脱芯，有时还需辅之以一定的机械搅动或振动。脱芯后原材料也不易回收，成本高。见US patent US3722574，US Patent US3643728。

第二类水溶性陶瓷芯不需要高温烧结，低温烘干后即可使用，生产工艺简单，原材料易回收，多用于砂型铸造中。其水溶性较第一类型芯好得多，这类型芯的结构是可溶性盐包复于耐火材料颗粒的表面，型芯入水后，由于耐火材料颗粒之间的毛细管现象。产生水的渗透，使粘结层的盐溶解，导致整个型芯的迅速溃散，故这类型芯在80℃左右的热水中就可以脱芯，且速度较快，φ50×50mm的型芯只需1分钟。但这类型芯受其粘结剂盐熔点的限制，使用温度不能太高，受热时间也不能太长，且这类型芯的光洁度不如第一类陶瓷芯，在精铸中使用还有困难。见黄星亮《现代铸造》1982（3），5-12。

本发明的目的在于选择合理的水溶性型芯混合料的配方，使之可以采用一般的制芯方法制造型芯，并具有较好的水溶溃散性，无烧结现象，从而获得光洁的铸件内腔。

本发明的要点在于：

1.原材料选用

（1）型芯基材：采用电熔刚玉砂或铝钒土熟料砂。其化学组成，结构性质见表1

两种原砂常温岩相结构中的刚玉相（α-Al₂O₃）和莫来石相（3Al₂O₃·2SiO₂）结构稳定，致密，且不与钢液反应，因而是铸钢件理想的耐火材料，尤其是铝钒土砂价格低廉（不到刚玉砂的十分之一，也低于石英砂），采用后可有效地降低成本。

（2）.型芯粘结剂：采用氢氧化钡有机粘结剂，由工业Ba（OH）₂·8H₂O和高价醇制成，Ba（OH）₂·8H₂O的化学组成见表2

本铸钢件水溶性型芯经高温且能水溶主要靠Ba（OH）₂，其加入量的多少对水溶性能的好坏影响甚大，一般加入量多，水溶性能好，否则较差，Ba（OH）₂受热后，在不同温度下有不同的反应，最后形成BaO·6Al₂O₃，有水溶性。

Ba（OH）₂在常温水中溶解度小，随着水温的升高，溶解度增加，但当水温达到100℃时，溶解度又下降，因此，为了增加其溶解度，加入高价醇，如甘油，乙二醇，山梨糖醇等，在常温下，高价醇的加入量为1-1.5%，温度升高时，高价醇适当增加，溶解度也增加，从而得到浓的Ba（OH）₂溶液，把这种浓溶液趁热混砂，得到水溶性混合料，混合料成分如下：

（1）.采用刚玉砂作为混合料的基材

（2）.Ba（OH）₂·8H₂O为基材的5-25%

（3）高价醇为基材的5-20%

氢氧化钡有机粘结剂应热态使用，否则本身分层，混拌不均，混合好的型砂，可在密闭容器中保存2-3天，上述电熔刚玉砂也可用铝钒土熟料砂部分或全部代替。

2.型芯的成形方法：

将一定配比的刚玉砂及铝钒土砂干混1～2分钟后，再加定量的有机氢氧化钡粘结剂湿混2～4分钟即得型芯混合料。配好的混合料可在打样器上三锤紧实制芯，也可在型芯模具中捣固成形制芯。制得的芯样200+20℃烘干即可使用。

采用上述方法制造的型芯具有如下性能：

一、常温强度

1.湿强度

φ50×50mm试样，测型芯湿压强度为0.20～0.22kg/cm²。

2.干强度

φ30×30mm试样，200℃，2小时烘干，其抗压强度为70～85kg/cm²，抗弯强度为20～30kg/cm²。

二.高温强度

φ30×30mm试样，200℃，2小时烘干在型砂高温强度测试仪上测定型芯的高温抗压强度。型芯在600～1200℃下的抗压强度在15kg/cm²以上。

三.吸湿性：

制作φ30×30mm试样，烘干后放在温度为20℃相对湿度为80%的恒温恒湿箱中，每隔24小时在最大分度值为20mg的天平称定其重量增加率，并测定其抗压强度下降率，型芯在两天后强度下降率，小于20%，吸湿率小于1.8%。

四.发气性

从烘干后的型芯试样上称取1g的型芯粉末，放入预先加热到1000℃的管式炉中测定其发气量。型芯的总发气量为18ml/g。

五.溃溶性

制作φ30×30mm试样，200℃，2小时烘干后放入预先加热至1300℃的钼丝炉中，保温30分钟后随炉冷却（模拟实际浇注情况）然后放入40℃的水中浸泡20分钟后其抗压强度小于1kg/cm²。

用“水溶性型芯”工艺生产铸钢件可创造显著的经济效益，与树脂锆英砂工艺相比，每生产10件70、075、9z这样的450kg铸件，就可创造10802元的经济效益。与“铸-焊结合”工艺相比，每生产10件70、076、9z这样的490kg铸件。也可创造2080元的经济效益，且用“水溶性型芯”工艺铸造的铸件质量明显高于“铸-焊结合”生产的铸件。特别是对一些其结构不允许分开铸造的＜如70、075、9z）铸件，其经济效益就更为明显。应用“水溶性型芯”还可以改善铸造工人的劳动环境，提高铸件质量，节省能源。

实施例：

ZG15Cr1Mo汽封体是60万汽轮机组的主要部件之一，该汽封体中有一截面积为12.6cm²的半圆形气路，其周围铸件壁厚80mm以上，设计技术要求气路内腔表面光洁无缺陷。采用普通砂芯（包括树脂锆英砂）工艺时，型芯烧结严重，浇注后无法清理。

采用本发明介绍的水溶性型芯工艺时，型芯的配方如下：

电熔刚玉砂 70%

铝钒土砂 30%

Ba（OH）₂·8H₂O 10%

高价醇 8%

混合料的配制工艺是：先将电熔刚玉砂和铝钒土砂在混砂机上干混4分钟后，加入用Ba（OH）₂·8H₂O及高价醇配制好的粘结剂湿混3～5分铸即可制芯。制得的型芯混合料的湿压强度为0.022MPa。

制得的混合料在木制芯盒中手工捣固制芯，制得的型芯放入200～220℃的烘窑中烘干4小时，烘干后抗压强度达8.5MPa，抗弯强度达3.5MPa。

在1620℃下浇注ZG15Cr1Mo汽封体铸件，浇注后铸件冷却至100℃时放入水中，型芯40分钟内脱涂完毕，且气路内腔表面光洁无缺陷，无污物残存，粗糙度在80μm以下的清洁度完全符合设计技术要求。

指　标 种　类

化　　学　　组　　成(%)

耐火度 (℃)

比重

常　　温 岩相结构

Al2O3

SiO2

TiO2

Fe2O3

MgO

CaO

电熔刚玉砂

99.44

无

无

痕迹

0.18

0.21

2050

3.80

α-Al2O3

铝钒土熟料砂

85.59

9.20

3.47

1.30

0.30

0.30

＞1800

2.90

α-Al2O2+莫来石

指标 种类	纯度 (%)	BaCO (%)	盐酸不溶物 (%)	氯化物 (%)	硫酸不溶物 (元/吨)
						化学试剂品	≥97	≤2	≤0.05	≤0.02	≤0.05
工业品	≥98	≤2	≤0.1	≤0.15	-

Claims (2)

1、铸钢件水溶性型芯的制造方法，其特征在于，它以电熔刚玉砂作为基材，首先将基材重量5-25%的Ba（OH）₂8H₂O和5-20%的高价醇（基材以100计）混合，在不使该粘结剂分层的热态下将其与基材（为100）混合，制成型芯混合料，然后，紧实混合料，经200±20℃烘干制成型芯。

2、按照权利要求1所述的水溶性型芯的制造方法，其特征在于所述电熔刚玉砂可以部分或全部用铝钒土熟料砂代替。