CN101837427B - 激光烧结砂及其制备方法和砂芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光烧结砂及其制备方法和砂芯及其制备方法。所述激光烧结砂由混合均匀的第一组份和第二组份组成，所述第一组份由角形系数小于1.3的第一类原砂、热固性树脂和添加剂组成，其中所述热固性树脂和添加剂包覆于第一类原砂的表面；所述第二组份由角形系数小于1.1的第二类原砂、热塑性材料和添加剂组成，其中所述热塑性材料和添加剂包覆于第二类原砂的表面。采用本发明的激光烧结砂在激光烧结的过程中不必添加辅助的支撑结构，从而提高成型效率，减少人工干预；可以不用模具制造任意复杂的砂芯，同时砂芯具有高的烧结初强度，并能满足金属浇铸过程对砂芯热强度和发气量的要求。

Description

激光烧结砂及其制备方法和砂芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种激光烧结砂及其制备方法及砂芯及其制备方法，尤其涉及一种不用模具的激光烧结砂及其制备方法及砂芯及其制备方法。

背景技术

对于复杂砂型铸件的生产，砂芯又称砂型的制造是必不可少的环节。传统的砂芯制作是通过制造模具、射芯和组芯等工艺完成的。使用模具生产的优点是一旦试制合格，便可以大批量投入生产。但是对于单件小批量或是交货期要求非常短的复杂铸件，模具的制造周期和成本费用就成为突出的问题。在现代产品竞争的激烈环境中，对新产品的开发周期要求越来越短，同时个性化小批量的产品需求不断增多。在产品的开发阶段，往往需要制作测试样机进行性能测试，以便对产品设计进行评估和修改。这样的过程，通常需要反复几个周期，如果在产品的设计阶段就开模具，不仅周期长，费用高，而且可能由于设计的更改而造成整个模具的报废。

通常制作砂芯的原料是一种在耐高温砂粒外包覆了热固性树脂的砂料，称为树脂覆膜砂。热固性树脂的主要成分通常是线性酚醛树脂和固化剂。这种覆膜砂在常温呈松散流动状态，在树脂的软化点以上砂粒外的树脂熔化，砂粒彼此产生粘结，在一定的温度和时间条件下，树脂分子间产生交联固化从而将砂粒紧密地粘接起来成为砂芯。

激光制芯是一种直接通过3D CAD数据驱动制作复杂砂芯的方法。它的最大特点是砂芯的成型过程与复杂程度无关，不用制作模具，制造周期短，特别适合于单件小批量复杂铸件的生产和新产品的试制。

激光制芯工艺是采用红外激光作为热源来烧结树脂砂，并以逐层堆积方式成形砂芯的一种快速制芯技术。其基本思想是基于离散枛堆积成形的制造方法，实现从三维CAD模型到实体砂芯的转变。其基本过程包括：

步骤一、在计算机上实现零件模型的离散过程。首先利用CAD技术构建被加工砂芯的三维实体模型，然后利用分层软件将三维CAD模型分解成具有一系列厚度的薄片，再用扫描轨迹生成软件将分层的轮廓信息转化成激光的扫描轨迹信息。

步骤二、在制芯机上实现零件的层面制造枛堆积成形过程。首先，在成型缸内将树脂砂铺平，预热之后，在控制系统控制下，激光束以一定功率和扫描速度在铺好的树脂砂层上扫描。被激光扫描过的区域内，树脂砂表面的树脂熔化和反应固化，将树脂砂烧结成具有一定厚度的实体结构，激光未扫描区域仍是松散的树脂砂，可以作为下一层的支撑并能在成形完成后去除，这样得到砂芯的第一层。当一层截面烧结完成后，供粉活塞下移一定距离，通过铺粉操作，铺上一层新的树脂砂，继续下一层的激光扫描烧结，新的烧结层与前面已成形的部分连接在一起。如此逐层地添加树脂砂，有选择地烧结堆积，最终生成三维实体砂芯。

步骤三、全部烧结完成后，要进行一些后处理工作，如清砂、加热固化等，处理完成后即可获得直接使用的砂芯。

激光烧结的原理和工艺过程在美国专利US5,376,580，US5,132,143，US4,863,538和US5,597,589中已有详述。

用激光烧结方法制造树脂砂芯和砂型的最大优点是不用制造模具，同时也不用考虑砂芯的复杂程度，还可以把多个砂芯组合制造，减少组芯误差。但是，激光制芯方法目前还存在以下不足：

第一、用激光制芯方法制作的砂芯强度相对于用模具法制作的砂芯强度偏低。特别地，经过激光烧结而未经过二次加热固化的初始砂型(Green Part)强度更低，在砂型从设备取出或清理周围浮砂的过程中就很容易损坏，对于长径比较大和自重大的悬臂结构的芯尤其严重。

第二、为了易于取件和清件操作，需要加一些体支撑(Volume Support)结构以防止砂芯的损坏。这不仅增加了激光成型的时间，而且支撑的去除也不易。

第三、为了提高强度，最简单易行的方法是增加树脂的含量，但这必然造成砂型发气量的提高，易造成铸造缺陷。

激光烧结树脂砂的上述缺点，是由成型工艺过程决定的。首先，与射芯方法比较，激光制芯的过程树脂砂原料是逐层堆砌的，由于没有压力，砂粒只能在重力的作用下形成松散的堆积，这样，树脂砂颗粒之间不仅相互接触的点少，而且接触面也少。而铸造型壳或型芯的强度正是由接触面的树脂粘接强度提供的，砂粒的堆积密度低，就必然导致强度低。其次，树脂砂在受热固化前，砂粒外包裹的是一层低聚合度的线性酚醛树脂，其强度很低，激光烧结时，由于激光的扫描速度通常达到2m/s～4m/s，对树脂的加热时间远远小于酚醛树脂的凝胶时间，树脂的线性分子间来不及发生交联反应或只有少量的分子之间发生交联，这样，仅由激光烧结得到的砂型，实际上只是由酚醛树脂受热熔化或形成部分交联将砂粒粘接起来，强度只能达到二次加热固化后强度的1/10～1/5，很容易损坏。

发明内容

本发明针对采用现有激光烧结砂制备的砂芯存在强度不高的不足，提供一种激光烧结砂及其制备方法及砂芯及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种激光烧结砂由混合均匀的第一组份和第二组份组成，所述第一组份和第二组份的重量比为3∶2～19∶1，所述第一组份按其重量的重量百分比计包括95％～98.85％的角形系数小于1.3的第一类原砂、0.9％～3.85％热固性树脂和0.15％～0.95％的添加剂，其中所述热固性树脂和添加剂包覆于第一类原砂的表面；所述第二组份按其重量的重量百分比计包括88％～96％的角形系数小于1.1的第二类原砂、3.9％～11.95％的热塑性材料和0.05％～0.1％的添加剂，其中所述热塑性材料和添加剂包覆于第二类原砂的表面。

本发明的有益效果是：采用本发明的激光烧结砂在激光烧结的过程中不必添加辅助的支撑结构，从而提高成型效率，减少人工干预；可以不用模具制造任意复杂的砂芯，同时砂芯具有高的烧结初强度，并能满足金属浇铸过程对砂芯热强度和发气量的要求。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述热固性树脂为热固性酚醛树脂，所述热塑性材料由蜡质材料和热塑性聚合物中的一种或两种组成；所述蜡质材料包括褐煤蜡、虫蜡、地蜡、沙素蜡、松香基蜡和聚乙烯蜡中的一种或几种，所述热塑性聚合物包括聚乙烯乙酸乙酯共聚物、多元共聚尼龙、丙烯酸酯共聚物、醇溶尼龙、萜烯树脂和聚乙二醇中的一种或几种。

进一步，所述添加剂包括固化剂、润滑剂和偶联剂中的一种或几种；所述固化剂为六亚甲基四胺；所述润滑剂为硬脂酸钙和硬脂酸锌中的一种或两种的混合物；所述偶联剂为氨基、环氧基和乙烯基的硅烷偶联剂中的一种或几种的混合物。

进一步，所述第一类原砂和第二类原砂为硅砂、锆砂、顽辉石砂、刚玉砂、石灰石砂、镁砂、莫来石砂、铬铁矿砂或者碳粒砂。

本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种激光烧结砂的制备方法包括以下步骤：第一步、将热固性树脂和添加剂包覆于第一类原砂的表面形成第一组分，所述第一类原砂为硅砂、锆砂、顽辉石砂、刚玉砂、石灰石砂、镁砂、莫来石砂、铬铁矿砂或者碳粒砂。；第二步、将热塑性材料和添加剂包覆于第二类原砂的表面形成第二组分，所述第二类原砂为硅砂、锆砂、顽辉石砂、刚玉砂、石灰石砂、镁砂、莫来石砂、铬铁矿砂或者碳粒砂。；第三步、按重量比为3∶2～19∶1取第一组份和第二组份在混合装置中混合均匀即可制得激光烧结砂。

进一步，所述添加剂包括固化剂、润滑剂和偶联剂，所述第一步包括以下步骤：首先，将第一类原砂加热至比热固性树脂的熔点高50℃以上的温度后，加入搅拌装置中进行搅拌；接着，将偶联剂加入搅拌均匀的第一类原砂中继续搅拌；接着，将热固性树脂加入搅拌均匀的第一类原砂和偶联剂中继续搅拌；然后，依次将固化剂和润滑剂加入搅拌均匀的第一类原砂、偶联剂和热固性树脂的混合物中继续搅拌；最后，待搅拌均匀的混合物冷却到热固性树脂的软化点后，通过搅拌将混合物打散、出砂和过筛即可制得第一组份。

进一步，所述添加剂包括偶联剂，所述热塑性材料为蜡质材料，所述第二步包括以下步骤：首先，将蜡质材料加热至熔点以上的温度，使其完全融化；接着，将第二类原砂加热至比蜡质材料的熔点高50℃以上的温度后，加入搅拌装置中进行搅拌；然后，依次将偶联剂和完全融化的蜡质材料加入搅拌均匀的第二类原砂中继续搅拌90秒～300秒；最后，待混合物的粘度急剧上升时，迅速对搅拌装置进行通冷却水和通风，待混合物冷却后，将混合物打散、出砂和过筛即可制得第二组份。

进一步，所述添加剂包括偶联剂，所述热塑性材料为热塑性聚合物，所述第二步包括以下步骤：首先，将第二类原砂加热到热塑性聚合物的熔点至少50℃以上的温度；接着，将加热后的第二类原砂加入搅拌装置中高速搅拌，并依次加入偶联剂和热塑性聚合物的粉末充分搅拌90秒～300秒；然后，待混合物的粘度急剧上升时，迅速对搅拌装置进行通冷却水和通风；最后，待混合物凝固为固态后，继续搅拌将混合物打散、出料和过筛即可制得第二组份。

进一步，所述添加剂包括偶联剂，所述热塑性材料为热塑性聚合物，所述第二步包括以下步骤：首先，将可溶解的热塑性聚合物在通用溶剂中充分溶解；接着，将冷的原砂加入搅拌装置中高速搅拌，并依次加入偶联剂和热塑性聚合物溶液后，充分搅拌90秒～300秒；然后，在混合物的粘度急剧上升之前出料，包覆有热塑性聚合物和偶联剂的覆膜砂在松散的状态下使通用溶剂逐渐挥发；最后，待通用溶剂挥发完全后再放搅拌装置中将物料打散、出料和过筛即可制得第二组份。

本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种砂芯的制备方法包括以下步骤：第一步、通过铺砂装置在成型装置的成型室内铺上一层厚度为0.125毫米～0.35毫米的激光烧结砂；第二步、通过计算机控制波长为1.06微米或者10.6微米的激光束按零件的截面形状扫描所述激光烧结砂层；第三步、将成型室中的活塞下移与所述激光烧结砂层厚度相同的距离，通过铺砂装置再铺上一层厚度为0.125毫米～0.35毫米的激光烧结砂；第四步、通过计算机控制波长为1.06微米或者10.6微米的激光束按零件的下一个截面形状扫描所述新铺上的激光烧结砂层；第五步、重复第三步～第四步，直到扫描完零件所有的截面形状，完成砂芯的成型过程；第六步、将成型的砂芯从成型室取出，用毛刷和压缩空气去除周围的浮砂，即得到原始烧结砂芯；第七步、将原始烧结砂芯放入加热装置中，用玻璃珠、陶瓷珠或者粗砂粒填埋后，并于150℃～250℃下加热0.5小时～7小时，即可制得砂芯。

采用上述方案的有益效果是：经激光烧结制得的原始烧结砂芯在未经加热固化前就有足够的强度，使它们在清理的过程中不易损坏；在经过二次加热固化后，具有足够的热强度，能够满足铸铁或铸钢的要求。

进一步，所述砂芯的制备方法还包括第八步、首先，将所述砂芯浸泡到有机溶剂中；其次，待有机溶剂完全渗入砂芯的空隙中后，将砂芯从溶剂中取出；最后，待砂芯中的有机溶剂自然蒸发完全后，将砂芯放入干燥装置中进行加热干燥，其中干燥的温度低于有机溶剂的沸点。

采用上述方案的有益效果是：在经过二次加热固化和上述的后处理工艺后，在金属浇铸过程中，砂芯具有相对低的发气量。

本发明还提供一种通过采用所述的激光烧结砂制备得到的砂芯。

附图说明

图1为本发明激光烧结砂的结构示意图；

图2为本发明激光烧结砂中的第一组份和第二组份的结构示意图；

图3为本发明激光烧结砂的制备方法的流程示意图；

图4为本发明砂芯的制备方法的流程示意图；

图5为本发明激光制芯成型的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明激光烧结砂的结构示意图。如图1所示，所述激光烧结砂由混合均匀的第一组份A和第二组份B组成，所述第一组份A和第二组份B的重量比为3∶2～19∶1。优选地，所述第一组份A和第二组份B的重量比为3∶1～9∶1。所述第一组份A和第二组份B混合后，使组份的堆积密度尽可能达到最大。所述第二组份B作为分散相填充在第一组份A之间，其作用在于改善烧结砂芯的初强度。

图2为本发明激光烧结砂中的第一组份和第二组份的结构示意图。如图2所示，所述第一组份A按其重量的重量百分比计包括95％～98.85％的角形系数小于1.3的第一类原砂、0.9％～3.85％的热固性树脂和0.15％～0.95％的添加剂，其中所述热固性树脂和添加剂包覆于第一类原砂的表面。所述热固性树脂的软化点为70℃～100℃，以便于进行热包覆。所述热固性树脂为热固性酚醛树脂。所述添加剂包括固化剂、润滑剂和偶联剂中的一种或几种。所述固化剂为六亚甲基四胺；所述润滑剂为为硬脂酸钙和硬脂酸锌中的一种或两种的混合物；所述偶联剂为氨基、环氧基和乙烯基的硅烷偶联剂中的一种或几种的混合物。所述第一类原砂为硅砂、锆砂、顽辉石砂、刚玉砂、石灰石砂、镁砂、莫来石砂、铬铁矿砂或者碳粒砂。优选地，所述第一原砂为含泥量低(＜0.3％)且经过擦洗的新砂。

在本实施例中所述第一组分A包括热固性树脂、第一类原砂，固化剂、润滑剂和偶联剂，其中，热固性树脂占第一类原砂的重量比在1％～4％之间，优选1.5％～3％，固化剂与热固性树脂的重量比为10％～20％，润滑剂与热固性树脂的重量比为3％～5％，偶联剂与热固性树脂的重量比为0.1％～0.3％。

所述第二组份B按其重量的重量百分比计包括88％～96％的角形系数小于1.1的第二类原砂、3.9％～11.95％的热塑性材料和0.05～0.1％的添加剂，其中所述热塑性材料和添加剂包覆于第二类原砂的表面。所述热塑性材料为蜡质材料或者热塑性聚合物。为保证蜡与第二类原砂之间以及蜡本身的粘接强度，优选蜡中含有酯基和羰基等聚合物的蜡质材料。蜡有较低的熔点和熔融粘度，非常有利于热包覆；在砂芯的成型过程中，蜡在较小的激光功率下就可形成熔融粘接。所述热塑性聚合物的软化点为55℃～110℃，具有较低的溶融粘度，以便于进行热包覆，同时也有利于在后续的工艺中从已烧结的砂芯体中脱除，为此，热塑性聚合物的分子量通常为2000～10000之间。所述热塑性聚合物具有较好的热降解性，或对如乙醇、甲醇、汽油、甲苯、二甲苯、丙酮等通用性溶剂有较好的溶解度，以便于将热塑性聚合物从已烧结的砂芯体中脱除。所述热塑性聚合物具有较好的粘接性能，分子中通常含有胺基、酯基、羰基极性基团。同时，这些热塑性材料通常有较好的韧性，可以改善砂芯的脆断性。所述蜡质材料包括褐煤蜡、虫蜡、地蜡、沙素蜡、松香基蜡和聚乙烯蜡一种或几种。所述热塑性聚合物包括聚乙烯乙酸乙酯共聚物、多元共聚尼龙、丙烯酸酯共聚物、醇溶尼龙、萜烯树脂和聚乙二醇一种或几种。热塑性聚合物或蜡可以单独进行包覆，也可以配合使用，通常低熔点和低熔融粘度或高溶解度的材料易于对砂粒进行包覆但粘接强度偏低；高熔点、高分子量或难溶的材料粘接强度高但包覆较困难。所述第二原砂为硅砂、锆砂、顽辉石砂、刚玉砂、石灰石砂、镁砂、莫来石砂、铬铁矿砂或者碳粒砂。优选地，所述第二原砂为含泥量低(＜0.3％)且经过擦洗的新砂。所述添加剂为偶联剂。

在本实施例中所述第二组分B包括热塑性材料、第二类原砂和偶联剂，其中，热塑性材料占第二类原砂的重量比在4％～12％之间，优选6％～10％，偶联剂与热塑性材料的重量比为0.4％～0.8％。

受激光烧结时铺粉层厚和激光烧结深度的影响，原砂的粒度一般不大于250μm；同时考虑到铸造过程中透气性的要求，以及砂粒的比表面积对树脂含量的要求，原砂的粒度一般不小于40μm。第一类原砂的粒度优选在75μm～200μm之间，第二类原砂的粒度优选在40μm～100μm之间。所述第一类原砂和第二类原砂的成分可以相同，也可以不相同，但是两者的密度应该接近。

图3为本发明激光烧结砂的制备方法的流程示意图。如图3所示，所述激光烧结砂的制备方法包括以下步骤：

步骤101、将热固性树脂和添加剂包覆于第一类原砂的表面形成第一组分A，所述第一类原砂为硅砂、锆砂、顽辉石砂、刚玉砂、石灰石砂、镁砂、莫来石砂、铬铁矿砂或者碳粒砂。

通过步骤101制得的第一组份A中热固性树脂和添加剂包覆于第一类原砂的表面，将热固性树脂和添加剂包覆于第一类原砂的表面即为热包覆。在本实施例中，所述热固性树脂为热固性酚醛树脂。

所述添加剂包括固化剂、润滑剂和偶联剂，所述步骤101包括以下步骤：首先，将第一类原砂加热至比热固性树脂的熔点高50℃以上的温度后，加入搅拌装置中进行搅拌；接着，将偶联剂加入搅拌均匀的第一类原砂中继续搅拌；接着，将热固性树脂加入搅拌均匀的第一类原砂和偶联剂中继续搅拌；然后，依次将固化剂和润滑剂加入搅拌均匀的第一类原砂、偶联剂和热固性树脂的混合物中继续搅拌；最后，待搅拌均匀的混合物冷却到热固性树脂的软化点后，通过搅拌将混合物打散、出砂和过筛即可制得第一组份。

步骤102、将热塑性材料和添加剂包覆于第二类原砂的表面形成第二组分B，所述第二类原砂为硅砂、锆砂、顽辉石砂、刚玉砂、石灰石砂、镁砂、莫来石砂、铬铁矿砂或者碳粒砂。

在本实施例中，所述热塑性材料为热塑性聚合物。通过步骤102制得的第二组份B中热塑性材料包覆于第二类原砂的表面即为热包覆，与步骤101中热包覆的工艺相似。如果热塑性材料是蜡质材料或者低熔点、低熔融粘度的聚合物，则采用步骤102中的热包覆；如果是在如乙醇、甲醇、汽油、甲苯、二甲苯、丙酮等通用性溶剂中有较高溶解度的聚合物则采用溶液包覆的方法。采用溶液包覆的方法包括以下步骤：首先，将热塑性聚合物放入通用性溶剂中充分溶解；接着，将冷的第二类原砂加入搅拌装置中进行搅拌，并依次加入添加剂和热塑性聚合物后，充分搅拌90秒～300秒；然后，待混合物的粘度急剧上升之前出料，包覆好的覆膜砂在自然松散堆积的状态下使溶剂逐渐挥发，待通用性溶剂挥发完全后再放搅拌装置中将物料打散、出料、和过筛即可制得第二组份B。

步骤103、按重量比为3∶2～19∶1取第一组份A和第二组份B在混合装置中混合均匀即可制得激光烧结砂。

图4为本发明砂芯的制备方法的流程示意图。图5为本发明激光制芯成型的工作原理图。如图4及5所示，所述砂芯的制备方法包括以下步骤：

步骤201、通过铺砂装置在成型装置的成型室内铺上一层厚度为0.125毫米～0.35毫米的激光烧结砂。

所述激光烧结砂中第一组份A中包覆的是热固性酚醛树脂，第二组份B中包覆的是热塑性聚合物。优选地，在成型装置的成型室内铺上一层厚度为0.15毫米～0.25毫米的激光烧结砂。

步骤202、通过计算机控制波长为1.06微米或者10.6微米的激光束按零件的截面形状扫描所述激光烧结砂层。

所用的激光为射频CO₂激光，波长为10.6微米；或者Ya-Nd激光，波长为1.06微米。激光的热量使砂粒外包覆的热固性树脂和热塑性材料发生熔化粘接和部分交联，激光未扫描的部分激光烧结砂保持原始松散堆积状态。

步骤203、将成型室中的活塞下移与所述激光烧结砂层厚度相同的距离，通过铺砂装置再铺上一层厚度为0.125毫米～0.35毫米的激光烧结砂。

步骤204、通过计算机控制波长为1.06微米或者10.6微米的激光束按零件的下一个截面形状扫描所述新铺上的激光烧结砂层。

步骤205、重复步骤203～步骤204，直到扫描完零件所有的截面形状，完成砂芯的成型过程。

步骤206、将成型的砂芯从成型室取出，用毛刷和压缩空气去除周围的浮砂，即得到原始烧结砂芯。

所述第一组份A中包覆的热固性酚醛树脂，在激光烧结时产生熔化和部分的交联固化，所述第二组份B中包覆的热塑性聚合物或蜡质材料在激光烧结中产生熔化粘接。

步骤207、将原始烧结砂芯放入加热装置中，用玻璃珠、陶瓷珠或者粗砂粒填埋后，并于150℃～250℃下加热0.5小时～7小时，即可制得砂芯。

所述步骤207即为二次固化的过程，所述第一组份A中包覆的热固性酚醛树脂发生完全交联固化，所述第二组份B中包覆的热塑性聚合物或蜡质材料大部分被脱除。

在二次固化的过程中，所述第一组份A中的热固性酚醛树脂发生交联固化，砂芯的强度上升，同时第二组份B中的热塑性聚合物或蜡质材料在长时间的加热状态下，产生热分介或从砂芯体砂粒间的空隙流出。热塑性材料脱除的直接证据是砂芯体的下表面通常粘附有一定厚度的填埋颗粒，同时砂芯体的重量出现损失，加热温度越高，时间越长，热塑性材料的脱除量越大，但热固性酚醛树脂在长时间加热状态下也产生一定分解，使砂芯强度下降，因此综合考虑各种因素，需要控制二次固化的温度和时间。

对于部分可在一些通用溶剂如乙醇、甲醇、汽油、甲苯、二甲苯、丙酮中可溶解的聚合物，可用溶剂萃取法脱除。因为热固性酚醛树脂在二次固化后发生了完全交联，不溶于任何溶剂，溶剂只对热塑性可溶解的聚合物产生作用。所述砂芯的制备方法还包括步骤208、首先，将所述砂芯浸泡到有机溶剂中；其次，由于砂芯有近40％的空隙中，待有机溶剂完全渗入砂芯的空隙中后，将砂芯从溶剂中取出；最后，待砂芯中的有机溶剂自然蒸发完全后，将砂芯放入干燥装置中进行加热干燥，其中干燥的温度低于有机溶剂的沸点。

采用上述工艺配制的激光烧结砂成型的砂芯，初强度较单纯用酚醛树脂砂有明显的提高，成型复杂砂芯不用任何辅助结构，未烧结的激光烧结砂不产生粘接和板结现象，清理方便，砂芯具有很好的精度和表面质量，采用这种激光烧结砂还可以提高扫描速度，使成型效率提高。第二组份B中的热塑性材料大部分在砂芯的二次固化工艺过程中或特殊增加的脱脂工艺中去除，以满足铸造工艺对造型材料发气量的要求。

下面分三个实施例对激光烧结砂及其制备方法及砂芯的制备方法作进一步详细的描述。

实施例一：

第一组份A的配制：首先，将2000份规格为70目～140目、AFS细度为50～60且硅砂值为85的擦洗硅砂加热到180℃后，加入转子混砂机中高速搅拌；其次，加入1份r-氨丙基三乙氧基硅烷后，搅拌10秒；接着，加入40份软化点为85℃的高强度低发气酚醛树脂(PF1901，济南圣泉公司)搅拌60秒～90秒；接着，加入8份50％的六亚甲基四胺水溶液继续搅拌60秒；接着，加入2份硬脂酸钙，继续搅拌30秒～60秒；最后，当混合物冷却到树脂软化点后，通过搅拌将混合物打散、出砂和过筛。

第二组份B的配制：首先，将110份熔点为80℃的褐煤蜡加热到100℃充分融化后加入45份聚乙烯-乙酸乙酯共聚物树脂和5份萜烯树脂，在搅拌状态下使之完全融化，其次，将2000份粒度在160目～270目之间的莫来石砂加热到120℃，再加入转子混砂机中；接着，加入1份r-氨丙基三乙氧基硅烷后，搅拌10秒；最后，加入预先充分融化混合均匀的蜡、聚乙烯乙酸乙酯共聚物树脂和萜烯树脂混合熔体，高速搅拌120秒，待混合物充分冷却后，将混合物搅拌打散、出砂和过筛。

将100份上述的第一组份A和20份第二组份B在混料机中混合均匀，即可制得本实施例的激光烧结砂。

将混合好的激光烧结砂加入激光制芯机中进行激光烧结，成型层厚为0.2mm，激光的扫描速度为3m/S，扫描激光功率为37W，砂芯的几何尺寸按GB2684-81中砂芯的拉伸和弯曲性能样块尺寸。

将激光烧结后的砂芯放在加热箱中，于180℃加热3小时。

实施例二：

第一组份A的配制同实施例一。

第二组份B的配制：首先，将2000份与实施例一相同的原砂加热到240℃后，加入到混砂机中；其次，迅速加入1份r-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，搅拌10秒左右；接着，加入120克熔点在90℃～100℃之间的低熔点三元共聚尼龙粉末，搅拌150秒；最后，加入40份同实施例一的在100℃预先充分融化的褐煤蜡、聚乙烯-乙酸乙酯共聚物树脂和萜烯树脂混合熔体搅拌120秒，待混合物充分冷却后，将混合物打散、出砂和过筛。

第一组份A和第二组份B的混合比例及激光烧结工艺同实施例一。

二次固化工艺同实施例一。

实施例三：

第一组份A的配制同实施例一。

第二组份B的配制：首先，将60份醇溶尼龙和60份聚乙二醇完全溶解于热的乙醇中，制成室温接近饱和的聚乙二醇的乙醇溶液；其次，将2000份与实施例一相同的原砂加入到混砂机中；接着，加入1份氨丙基三乙氧基硅烷，搅拌约10秒；然后，加入预先配制好的聚乙二醇和醇溶尼龙的乙醇溶液，搅拌约150秒，出料；最后，使溶液自然蒸发后，将激光烧结砂再放入混砂机中打散、出料和过筛后，在50℃下真空干燥8小时。

第一组份A和第二组份B的混合比例及激光烧结工艺同实施例一。

将烧结好的砂芯样块放在加热箱中于180℃加热0.5小时，冷却后将固化后的砂芯放入乙醇中，浸泡10分钟，取出凉干后再放入乙醇中浸泡10分钟，反复三次。

为了更好地说明采用本发明的激光烧结砂制作的砂芯的性能，特通过一对比实施例制作一砂芯如下：

第一组份A的配制同实施例一。

第二组份B的配制：将2000份与实施例一中B组份相同的原砂160份与实施例一中A组份相同的酚醛树脂、32份六亚甲基四胺的50％水溶液、4份偶联剂、8份硬脂酸钙按实施例一中第一组份A相同的工艺配制。

第一组份A和第二组份B的混合比例、激光烧结工艺及二次固化工艺同实施例一。

如表1所示，为仅含第一组份A的砂芯与四个实施例按GB2684-81进行的性能测试结果。

表1五种砂芯的性能测试结果

从表1可以看出，按本发明的方法制作的三种激光烧结砂，在未二次固化时，拉伸和弯曲强度较仅含第一组份A即纯酚醛树脂的激光烧结砂和对比实施例均有明显提高，这为烧结砂芯的取件和浮砂清理提供了很大的便利，大大减少了未固化砂芯的破损率。特别是对于有大长径比结构的砂芯，如果使用纯酚醛树脂的树脂砂，极易断裂，必须增加支撑结构，使用添加热塑性聚合物砂的组份后，这种结构可以不用支撑。对比二次固化后的性能数据，三个实施例的砂芯的状态强度均不低于纯含第一组份A的砂芯，较对比实施例的树脂烧结量数据，三个实施例的树脂烧结量均小于对比实施例，说明热塑性聚合物的含量在二次固化或脱脂工艺中减少，减小了铸造过程中型芯的发气量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种激光烧结砂，由混合均匀的第一组份和第二组份组成，其特征在于，所述第一组份和第二组份的重量比为3:2～19:1，

所述第一组份按其重量的重量百分比计包括：95%～98.85%的角形系数小于1.3的第一类原砂、0.9%～3.85%的热固性树脂和0.15%～0.95%的添加剂，其中所述热固性树脂和添加剂包覆于第一类原砂的表面，各组分含量之和为100%；

所述第二组份按其重量的重量百分比计包括：88%～96%的角形系数小于1.1的第二类原砂、3.9%～11.95%的热塑性材料和0.05%～0.1%的添加剂，其中所述热塑性材料和添加剂包覆于第二类原砂的表面，各组分含量之和为100%。

2.根据权利要求1所述的激光烧结砂，其特征在于，所述热固性树脂为热固性酚醛树脂，所述热塑性材料由蜡质材料和热塑性聚合物中的一种或两种组成；

所述蜡质材料包括褐煤蜡、虫蜡、地蜡、沙素蜡、松香基蜡和聚乙烯蜡中的一种或几种；

所述热塑性聚合物包括聚乙烯-乙酸乙酯共聚物、多元共聚尼龙、丙烯酸酯共聚物、醇溶尼龙、萜烯树脂和聚乙二醇中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的激光烧结砂，其特征在于，所述添加剂包括固化剂、润滑剂和偶联剂中的一种或几种；

所述固化剂为六亚甲基四胺；所述润滑剂为硬脂酸钙和硬脂酸锌中的一种或两种的混合物；所述偶联剂为氨基、环氧基和乙烯基的硅烷偶联剂中的一种或几种的混合物。

4.根据权利要求1所述的激光烧结砂，其特征在于，所述第一类原砂和第二类原砂为硅砂、锆砂、顽辉石砂、刚玉砂、石灰石砂、镁砂、莫来石砂、铬铁矿砂或者碳粒砂。

5.一种激光烧结砂的制备方法，其特征在于，所述激光烧结砂的制备方法包括以下步骤：

步骤a1、将热固性树脂和添加剂包覆于第一类原砂的表面形成第一组分，所述第一类原砂为硅砂、锆砂、顽辉石砂、刚玉砂、石灰石砂、镁砂、莫来石砂、铬铁矿砂或者碳粒砂； 

步骤b1、将热塑性材料和添加剂包覆于第二类原砂的表面形成第二组分，所述第二类原砂为硅砂、锆砂、顽辉石砂、刚玉砂、石灰石砂、镁砂、莫来石砂、铬铁矿砂或者碳粒砂；

步骤c1、按重量比为3:2～19:1取第一组份和第二组份在混合装置中混合均匀即可制得激光烧结砂。

6.根据权利要求5所述的激光烧结砂的制备方法，其特征在于，所述步骤a1中的添加剂包括固化剂、润滑剂和偶联剂，所述步骤a1包括以下步骤：

首先，将第一类原砂加热至比热固性树脂的熔点高50℃以上的温度后，加入搅拌装置中进行搅拌；接着，将偶联剂加入搅拌均匀的第一类原砂中继续搅拌；接着，将热固性树脂加入搅拌均匀的第一类原砂和偶联剂中继续搅拌；然后，依次将固化剂和润滑剂加入搅拌均匀的第一类原砂、偶联剂和热固性树脂的混合物中继续搅拌；最后，待搅拌均匀的混合物冷却到热固性树脂的软化点后，通过搅拌将混合物打散、出砂和过筛即可制得第一组份。

7.根据权利要求5所述的激光烧结砂的制备方法，其特征在于，所述步骤b1中的添加剂包括偶联剂，所述热塑性材料为蜡质材料，所述步骤b1包括以下步骤：

首先，将蜡质材料加热至熔点以上的温度，使其完全融化；接着，将第二类原砂加热至比蜡质材料的熔点高50℃以上的温度后，加入搅拌装置中进行搅拌；然后，依次将偶联剂和完全融化的蜡质材料加入搅拌均匀的第二类原砂中继续搅拌90秒～300秒；最后，待混合物的粘度急剧上升时，迅速对搅拌装置进行通冷却水和通风，待混合物冷却后，将混合物打散、出砂和过筛即可制得第二组份。

8.根据权利要求5所述的激光烧结砂的制备方法，其特征在于，所述步骤b1中的添加剂包括偶联剂，所述热塑性材料为热塑性聚合物，所述步骤b1包括以下步骤：

首先，将第二类原砂加热到热塑性聚合物的熔点至少50℃以上的温度；接着，将加热后的第二类原砂加入搅拌装置中高速搅拌，并依次加入偶联剂和热塑性聚合物的粉末充分搅拌90秒～300秒；然后，待混合物的粘度急剧上升时，迅速对搅拌装置进行通冷却水和通风；最后，待混合物凝固为固态后，继续搅拌将混合物打散、出料和过筛即可制得第二组份。

9.根据权利要求5所述的激光烧结砂的制备方法，其特征在于，所述步骤b1中的添加剂包括偶联剂，所述热塑性材料为热塑性聚合物，所述步骤b1包括以下步骤：

    首先，将可溶解的热塑性聚合物在通用溶剂中充分溶解；接着，将冷的原砂加入搅拌装置中高速搅拌，并依次加入偶联剂和热塑性聚合物溶液后，充分搅拌90秒～300秒；然后，在混合物的粘度急剧上升之前出料，包覆有热塑性聚合物和偶联剂的覆膜砂在松散的状态下使通用溶剂逐渐挥发；最后，待通用溶剂挥发完全后再放搅拌装置中将物料打散、出料和过筛即可制得第二组份。

10.一种砂芯的制备方法，其特征在于，所述砂芯的制备方法包括以下步骤：

步骤a2、通过铺砂装置在成型装置的成型室内铺上一层厚度为0.125毫米～0.35毫米的如权利要求1至4任一所述的激光烧结砂；

步骤b2、通过计算机控制波长为1.06微米或者10.6微米的激光束按零件的截面形状扫描所述激光烧结砂层；

步骤c2、将成型室中的活塞下移与所述激光烧结砂层厚度相同的距离，通过铺砂装置再铺上一层厚度为0.125毫米～0.35毫米的如权利要求1至4任一所述的激光烧结砂；

步骤d2、通过计算机控制波长为1.06微米或者10.6微米的激光束按零件的下一个截面形状扫描新铺上的激光烧结砂层；

步骤e2、重复步骤c2～步骤d2，直到扫描完零件所有的截面形状，完成砂芯的成型过程；

步骤f2、将成型的砂芯从成型室取出，用毛刷和压缩空气去除周围的浮砂，即得到原始烧结砂芯；

步骤g2、将原始烧结砂芯放入加热装置中，用玻璃珠、陶瓷珠或者粗砂粒填埋后，并于150℃～250℃下加热0.5小时～7小时，即可制得砂芯。

11.根据权利要求10所述的砂芯的制备方法，其特征在于，还包括步骤h2：首先，将所述砂芯浸泡到有机溶剂中；其次，待有机溶剂完全渗入砂芯的空隙中后，将砂芯从溶剂中取出；最后，待砂芯中的有机溶剂自然蒸发完全后，将砂芯放入干燥装置中进行加热干燥，其中干燥的温度低于有机溶剂的沸点。

12.一种砂芯，其特征在于，所述砂芯是通过采用如权利要求1至4任一所述的激光烧结砂制备得到的。

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