CN102343415A - 一种适用于选区激光烧结成形用铸造覆膜砂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于选区激光烧结成形用铸造覆膜砂及其制备方法，该覆膜砂由原砂、有机粘结剂、无机粘结剂、偶联剂及固化剂组成，而无需润滑剂、光吸收剂等添加剂；原砂为角形系数≤1.1的球形宝珠砂，砂粒组成采用相邻的四筛砂或五筛砂。其制备方法为：先将所述原砂进行筛分得到所需的四筛砂或五筛砂，然后将酚醛树脂粉末、偶联剂及固化剂按一定比例对原砂进行热法覆膜，得到酚醛树脂覆膜砂，最后将一定比例的磷酸二氢铵细粉与酚醛树脂覆膜砂均匀混合，得到选区激光烧结成形用铸造覆膜砂。这种覆膜砂激光烧结成形件的初坯强度高，成形精度好，发气量小，可应用于激光快速成形结构复杂的铸造砂型（芯），提高了复杂铸件的快速试制和制造能力。

Description

一种适用于选区激光烧结成形用铸造覆膜砂及其制备方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种适用于选区激光烧结成形用铸造覆膜砂及其制备方法。

背景技术：

铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一，是先进制造技术的重要组成。其中，覆膜砂的铸造方法是一种精密砂型铸造（Precision-type Sand Casting），其尺寸精度大幅度提高，可将普通砂型铸件的尺寸精度由CT9-10级提高到CT6-7级，表面粗糙度降至Ra<3.2-6.3μm。作为覆膜砂铸造工艺主体的覆膜砂材料，吸引了大量研究者和供应商的关注，目前开发应用成熟的铸造覆膜砂材料均是通过模具压制来制备成形的覆膜砂型（芯），同时，其覆膜砂的固化工艺均是在充分加热条件下进行的。

采用选区激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术直接成形的砂型（芯）是覆膜砂无模快速整体成形的一种新方法。选区激光烧结技术是基于离散、堆积成型的原理，借助于计算机辅助设计与制造，将固体粉末材料直接成形为三维实体零件，其生产工艺流程短、响应速度快，且不受成形件复杂程度的影响。因此，采用SLS快速成形技术可实现铸造覆膜砂型（芯）的整体精确制备，非常适用于制造曲面复杂、线型多变且难以加工的铸造模样和砂芯等，特别是对于内腔流道特别复杂、含有立体交叉水路、油路及气路等精细结构的一类铸型（芯）具有明显的优越性。因此铸造覆膜砂型（芯）的选区激光烧结成形技术在提高复杂铸件的快速试制和制造能力，保证这类铸件的高质量精密成形方面有着广阔的应用前景。

然而，目前SLS成形所用的铸造覆膜砂材料及其制备方法中存在如下的主要问题：大部分快速激光成形还是直接沿用（或稍加改动）传统铸造方法用的酚醛树脂覆膜砂材料，即使少部分是针对SLS成形特点所研制的铸造覆膜砂材料，也同样普遍存在激光烧结成形件初坯强度偏低，从而导致激光烧结成形件在清粉、转移过程容易断裂、损坏或缺失，其主要原因在于：激光烧结过程不同于传统加热，是一种“急熔速冷”方式，在这种瞬间热量的作用下，造成层内局部及层间连接处的酚醛树脂固化反应发生不完全或完全没有交联固化，树脂固化程度不高，甚至在颗粒间局部还存在仅依赖于树脂的软化来粘接，导致SLS成形件的初坯强度偏低。另外，目前激光烧结成形的覆膜砂型（芯）存在发气量大问题，易造成气孔、缩松等铸造缺陷，直接限制了覆膜砂快速成形的推广应用。其主要原因是激光烧结成形用覆膜砂中酚醛树脂的添加量偏大（均大于3%），同时，覆膜砂中的一些添加剂，如常用的润滑剂：硬脂酸钙也易导致发气量增大。

发明内容：

本发明的第一个目的在于提供一种适用于选区激光烧结成形用铸造覆膜砂，该覆膜砂的SLS成形件的初坯强度高，尺寸精度高，尤其适用于成形内腔流道特别复杂、含有立体交叉管路等精细结构的一类铸型（芯）。

本发明的第二个目的在于提供一种适用于选区激光烧结成形用铸造覆膜砂的制备方法。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种适用于选区激光烧结成形用铸造覆膜砂，特征是：由原砂、有机粘结剂、无机粘结剂、偶联剂及固化剂组成，其中：

所述原砂为角形系数≤1.1的球形或极似球形的宝珠砂，原砂的最大粒径不大于250μm，原砂的组成采用相邻的四筛砂或五筛砂，原砂的铺粉密度范围为1.80～2.10 g/cm³； 

所述有机粘结剂为固态热塑性酚醛树脂，粉碎成粒径为20～60μm的均匀酚醛树脂粉末，酚醛树脂粉末的加入量占原砂的质量分数控制在0.8～2.0%；

所述无机粘结剂为磷酸二氢铵粉末，碾磨成粒径为20～100μm的均匀磷酸二氢铵细粉，磷酸二氢铵细粉的加入量占原砂的质量分数控制在1～10%；

所述偶联剂为γ―氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550），其加入量占有机粘结剂的质量分数控制在1%，配成质量分数为10%的水溶液；

所述固化剂为六亚甲基四胺，其加入量占有机粘结剂的质量分数控制在12～14%，配成质量分数为50%的水溶液。

本发明的第二个目的是这样实现的： 

一种适用于选区激光烧结成形用铸造覆膜砂的制备方法，特征是：其过程为：

（1）将所述原砂进行筛分得到所需的四筛砂或五筛砂，将所述固态热塑性酚醛树脂粉碎成粒径为20～60μm均匀的酚醛树脂粉末，将所述磷酸二氢铵粉末碾磨成粒径为20～100μm均匀的磷酸二氢铵细粉；

（2）将上述四筛砂或五筛砂、酚醛树脂粉末、偶联剂和固化剂采用常规的热法覆膜法制得酚醛树脂覆膜砂；

（3）将所述磷酸二氢铵细粉加入到已制得的酚醛树脂覆膜砂中，充分混合均匀，水冷至室温，筛分并包装，得到选区激光烧结成形用铸造覆膜砂成品。

本发明适用于选区激光烧结成形用的铸造覆膜砂材料是对被包覆的原砂颗粒进行热法覆膜后，再加入无机粘结剂磷酸二氢铵细粉，混合均匀而成的。它通过从原砂的粉体特性对覆膜砂激光烧结强度的影响着手，采用了角形系数≤1.1细粒度球形的宝珠砂，砂粒的粒度采用既满足精密砂型铸造工艺，又适合SLS成形工艺的颗粒粒径分布的原砂，砂粒配制采用四筛砂或五筛砂，铺粉密度范围为1.80～2.10 g/cm³，良好的粒型和高的铺粉密度，增加了黏结桥的数量而有利于提高激光烧结件的初坯强度，且能大幅度减少粘结剂用量，即酚醛树脂的质量分数由原先的大于3%降低至0.8～2.0%，从而减少了气孔缺陷发生的几率。同时，良好的粒型在激光烧结过程中有很好的铺展性、流动性和填充性，本发明的选区激光烧结成形用铸造覆膜砂无需再添加硬脂酸钙作润滑剂，而且好的粒型能提高激光烧结成形铸型的透气性。此外，本发明针对SLS“急熔速冷”瞬间作用下固化不充分的特点，添加了1～10%的无机粘结剂来进一步提高激光烧结件的初坯强度，有利于激光烧结具有复杂内腔精细结构的成形件，解决了精细结构部分在清粉、转移过程易断裂、损坏或缺失问题；而且无机粘结剂在后处理过程中，转化成磷酸盐以增加强度，并减少了在浇注过程中可能存在的发气问题。

因此，本发明具有激光烧结成形件的初坯强度高、成形尺寸精度好、发气量小的优点，可应用于激光快速成形结构复杂的铸造砂芯（型），尤其对于内腔特别复杂、有空间交错结构特征的复杂铸件的快速整体精确成形方面表现出极大的优越性。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明的方法进行进一步的说明。

实施例1：

(1) 对角形系数≤1.1的球形或极似球形的宝珠砂颗粒进行筛分，得到70/270目的五筛砂，主含量≥90%，五筛砂的铺粉密度为2.01g/cm³；

(2)将固态热塑性酚醛树脂粉碎成粒径为60μm的均匀酚醛树脂粉末；

(3)将磷酸二氢铵粉末碾磨成粒径为50μm的均匀磷酸二氢铵细粉；

(4)采用热法覆膜法制备酚醛树脂覆膜砂，其中上述的五筛砂1000g，粒径为60μm的酚醛树脂粉末12g（加入量占五筛砂的质量分数为1.2%），偶联剂0.12g（加入量占酚醛树脂粉末的质量分数为1%,配成质量分数为10%的水溶液）和六亚甲基四胺1.44g（加入量占酚醛树脂粉末的质量分数为12%,配成质量分数为50%的水溶液）,制得酚醛树脂覆膜砂；

(5) 将粒径50μm磷酸二氢铵细粉60g（加入量占五筛砂的质量分数为6%）加入到步骤(4)制得的酚醛树脂覆膜砂中混合均匀，水冷至室温，筛分并包装，得到选区激光烧结成形用铸造覆膜砂成品。

实施例2：

 (1) 对角形系数≤1.1的球形或极似球形的宝珠砂颗粒进行筛分，得到70/200目的四筛砂，主含量≥85%，四筛砂的铺粉密度为1.92g/cm³；

(2)将固态热塑性酚醛树脂粉碎成粒径为40μm的均匀酚醛树脂粉末；

(3)将磷酸二氢铵粉末碾磨成粒径为80μm的均匀磷酸二氢铵细粉；

(4)采用热法覆膜法制备酚醛树脂覆膜砂，其中上述的四筛砂1000g，粒径40μm的酚醛树脂粉末15g（加入量占四筛砂的质量分数为1.5%），偶联剂0.15g（加入量占酚醛树脂粉末的质量分数为1%，配成质量分数为10%的水溶液）和六亚甲基四胺1.8g（加入量占酚醛树脂粉末的质量分数为12%，配成质量分数为50%的水溶液）,制得酚醛树脂覆膜砂；

(5) 将粒径80μm磷酸二氢铵细粉40g（加入量占四筛砂的质量分数为4%）加入到步骤(4)制得的酚醛树脂覆膜砂中混合均匀，水冷至室温，筛分并包装，得到选区激光烧结成形用铸造覆膜砂成品。

实施例3：

(1) 对角形系数≤1.1的球形或极似球形的宝珠砂颗粒进行筛分，得到100/270目的四筛砂，主含量≥85%，四筛砂的铺粉密度为1.85g/cm³；

(2)将固态热塑性酚醛树脂粉碎成粒径为20μm的均匀酚醛树脂粉末；

(3)将磷酸二氢铵粉末碾磨成粒径为30μm的均匀磷酸二氢铵细粉；

(4)采用热法覆膜法制备酚醛树脂覆膜砂，其中上述的四筛砂2000g，粒径20μm的酚醛树脂粉末36g（加入量占四筛砂的质量分数为1.8%），偶联剂0.36g（加入量占酚醛树脂粉末的质量分数为1%，配成质量分数为10%的水溶液）和六亚甲基四胺5.04g（加入量占酚醛树脂粉末的质量分数为14%，配成质量分数为50%的水溶液）,制得酚醛树脂覆膜砂；

(5) 将粒径30μm磷酸二氢铵细粉40g（加入量占四筛砂的质量分数为2%）加入到步骤(4)制得的酚醛树脂覆膜砂中混合均匀，水冷至室温，筛分并包装，得到选区激光烧结成形用铸造覆膜砂成品。

Claims (2)

1.一种适用于选区激光烧结成形用铸造覆膜砂，其特征在于：由原砂、有机粘结剂、无机粘结剂、偶联剂及固化剂组成，其中：

所述原砂为角形系数≤1.1的球形或极似球形的宝珠砂，原砂的最大粒径不大于250μm，原砂的组成采用相邻的四筛砂或五筛砂，原砂的铺粉密度范围为1.80～2.10 g/cm³； 

所述有机粘结剂为固态热塑性酚醛树脂，粉碎成粒径为20～60μm的均匀酚醛树脂粉末，酚醛树脂粉末的加入量占原砂的质量分数控制在0.8～2.0%；

所述无机粘结剂为磷酸二氢铵粉末，碾磨成粒径为20～100μm的均匀磷酸二氢铵细粉，磷酸二氢铵细粉的加入量占原砂的质量分数控制在1～10%；

所述偶联剂为γ―氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550），其加入量占有机粘结剂的质量分数控制在1%，配成质量分数为10%的水溶液；

所述固化剂为六亚甲基四胺，其加入量占有机粘结剂的质量分数控制在12～14%，配成质量分数为50%的水溶液。

2.一种适用于选区激光烧结成形用铸造覆膜砂的制备方法，其特征在于：

（1）将所述原砂进行筛分得到所需的四筛砂或五筛砂,将所述固态热塑性酚醛树脂粉碎成粒径为20～60μm均匀的酚醛树脂粉末，将所述磷酸二氢铵粉末碾磨成粒径为20～100μm均匀的磷酸二氢铵细粉；

（2）将上述四筛砂或五筛砂、酚醛树脂粉末、偶联剂和固化剂采用常规的热法覆膜法制得酚醛树脂覆膜砂；

（3）将所述磷酸二氢铵细粉加入到已制得的酚醛树脂覆膜砂中，充分混合均匀，水冷至室温，筛分并包装，得到选区激光烧结成形用铸造覆膜砂成品。