CN104014738A - 一种铸造细小通道用组合式型芯及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种铸造细小通道用组合式型芯，包括砂芯、陶瓷芯，所述陶瓷芯的周边包裹有砂芯，砂芯的制造材料为硅砂或树脂砂，陶瓷芯的制造材料为二氧化硅、三氧化二铝、陶瓷注射成形粘结剂；使用时，先通过注射成型工艺制作陶瓷芯，再将其置于芯盒中，然后通过吹砂工艺制作砂芯，待砂子固化后，陶瓷芯、砂芯便可固定成一体的组合式型芯，再将组合式型芯下入铸型中浇注，浇注结束后开箱、除芯以完成该铸造细小通道用组合式型芯的使用。本设计不仅能铸造截面尺寸小于12mm的细小通道，而且易除芯、工作效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及铸造造型材料领域，尤其涉及一种铸造细小通道用组合式型芯及其使用方法，具体适用于在黑色金属铸造中成形截面尺寸小于12mm的细小的线性或者环状通道。
背景技术
砂型铸造是指以型砂、芯砂为造型材料制成铸型，液态金属在重力下充填铸型来生产铸件的铸造方法。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型工艺简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。砂型铸造中，在制造铸件中的内孔或通道时常需要使用砂芯，铸造时，砂芯被固定放置于砂型中的特定位置，随后将熔融金属浇注进铸型内，当金属凝固后再破碎砂芯就形成了铸件的内孔或通道。但随着砂芯截面积的减小，其抵抗熔融金属冲蚀、热冲击的能力大幅降低，同时砂芯的有机粘结剂也会在浇注过程中烧蚀掉，从而使砂芯的强度大幅降低，因而该方法所铸造的内孔或通道的截面存在一个极限尺寸。
中国专利，申请公布号为CN103302245A，申请公布日为2013年9月18日的发明专利申请公开了一种发动机缸盖成型模具，该模具包括直浇道，与直浇道连接的多道横浇道，多道横浇道分别与型腔连通，型腔内设置有砂芯，多道横浇道和型腔之间分别设置多个缝隙浇道，多个缝隙浇道设置为竖直布置的结构，冒口设置为位于型腔上方位置，所述的多个缝隙浇道的内部通道均设置为截面呈“一”字型的结构。虽然该发明能降低缸盖铸件毛坯废品率，提高缸盖毛坯质量，但其仍旧具有以下缺陷：
虽然该发明能通过在型腔内设置砂芯的方法铸造出发动机缸盖内部的通道，但由于其采用的砂芯无论从结构，还是从组成上都是传统的砂芯，因而其抵抗熔融金属冲蚀、热冲击的能力仍较低，当铸造较小尺寸的通道，如截面尺寸小于12mm的通道时，易出现烧砂（即砂子与铁水反应，而将通道堵死），或由于该处砂芯过细，强度不够，而导致砂芯在浇注过程中被铁水冲断，致使此处通道被铁水填充后堵死砂芯的缺陷，最终导致无法满足铸造细小通道的需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的无法铸造截面尺寸小于12mm的细小通道的缺陷与问题，提供一种能够铸造截面尺寸小于12mm细小通道的铸造细小通道用组合式型芯及其使用方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种铸造细小通道用组合式型芯，包括砂芯，所述砂芯的制造材料为硅砂或树脂砂；
所述组合式型芯还包括陶瓷芯，所述陶瓷芯的周边包裹有砂芯，陶瓷芯通过其上设置的芯头与砂芯相连接，且陶瓷芯、砂芯位于同一水平面。
所述陶瓷芯为X型结构，包括陶瓷芯主体及其四端设置的四个支脚，每个支脚上都设置有与砂芯相连接的芯头；所述芯头的数量大于等于四。
所述陶瓷芯的组成成分及重量份比例为: 二氧化硅40–50，三氧化二铝50–60，陶瓷注射成形粘结剂15–20。
所述陶瓷芯的组成成分及重量份比例为: 二氧化硅45，三氧化二铝55，陶瓷注射成形粘结剂18。
所述陶瓷注射成形粘结剂是石蜡基粘接剂。
一种上述铸造细小通道用组合式型芯的使用方法，所述使用方法依次包括以下步骤：
陶瓷芯的制作工艺：先将二氧化硅、三氧化二铝、陶瓷注射成形粘结剂按比例加热搅拌均匀以形成块状料，再将块状料放入单杆或双杆挤出机中以制备喂料，然后采用陶瓷注射机将制备好的喂料注射成陶瓷芯素坯，再对陶瓷芯素坯依次进行脱脂、烧结以得到陶瓷芯成品；所述二氧化硅、三氧化二铝、陶瓷注射成形粘结剂的用量比为：二氧化硅40–50，三氧化二铝50–60，陶瓷注射成形粘结剂15–20；
组合式型芯的制作工艺：先将上述制备好的陶瓷芯放入芯盒内，陶瓷芯在芯盒内的固定通过靠形定位，再向芯盒内射入硅砂或树脂砂以形成砂芯，当砂子充满芯盒时停止射砂，此时，陶瓷芯的周边已被砂子构成的砂芯包裹，待砂子固化后，陶瓷芯、砂芯固定成一体以形成所述的铸造细小通道用组合式型芯；
浇注与除芯工艺：先将上述铸造细小通道用组合式型芯下入铸型中，再合箱以开始浇注，浇注结束后开箱、除芯以完成所述铸造细小通道用组合式型芯的使用。
所述浇注与除芯工艺中：所述除芯是指先通过震动除砂工艺将组合式型芯中的砂芯去除，再将铸品逐渐放入质量百分比浓度为60%–70%、温度为450℃–500℃的KOH溶液中，然后在2atm–3atm压力下沸煮2h–3h，此时，陶瓷芯中的二氧化硅、三氧化二铝与KOH溶液的反应为：2KOH＋Al2O3＝2KAlO2＋H2O，SiO2＋2KOH＝K2SiO3＋H2O，再采用高压水冲洗以去除残余的陶瓷芯，此时，除芯工艺结束。
所述陶瓷芯的制作工艺中：所述采用陶瓷注射机将制备好的喂料注射成陶瓷芯素坯是指：先运用三维模型将待铸造细小通道内易粘砂或易发生断芯的部位分割出来，分割出的部位一定要保证有足够的空间设置与砂芯相连接的芯头，再将分割出的部位在三维软件中设计出芯头以获得陶瓷芯的三维模型，然后根据该陶瓷芯的三维模型开设模具，最后使用陶瓷注射机，利用制备的喂料，通过模具成形出陶瓷芯的素坯。
所述陶瓷芯的制作工艺中：所述脱脂的最高温度是350℃，烧结的最高温度是1500℃–1600℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种铸造细小通道用组合式型芯及其使用方法中的组合式型芯包括陶瓷芯及其周边包裹的砂芯，其中，陶瓷芯对应铸件中最细小的孔道的成形。由于陶瓷芯不仅熔点高于普通型砂，而且其抵抗熔融金属冲蚀、热冲击的能力均较高，故在铸造时，不会出现烧砂或在浇注过程中被铁水冲断的缺陷，易成形铸件中那些普通砂芯难以胜任的细小通道，如截面尺寸小于12mm的通道。因此，本发明能够铸造截面尺寸小于12mm的细小通道。
2、本发明一种铸造细小通道用组合式型芯及其使用方法中陶瓷芯的组成成分及重量份比例为: 二氧化硅40–50，三氧化二铝50–60，陶瓷注射成形粘结剂15–20，其中，二氧化硅可以提高陶瓷芯的溶解速度，而耐高温性能优异的三氧化二铝则能提高陶瓷芯在1500℃（铁水浇注温度）下的强度，保证陶瓷芯在整个浇注过程中不发生断裂和变形，陶瓷注射成形粘结剂则既能保证注射喂料的成形性，又能缩短脱脂的时间，提高效率。因此，本发明能兼顾陶瓷芯易溶解和高温强度高两个特性，工作效率较高。
3、本发明一种铸造细小通道用组合式型芯及其使用方法中在浇注结束后，陶瓷芯位于铸件内部细小通道之内，且由于陶瓷芯的抗冲击能力、强度均较高，若采用传统的敲碎除芯工艺去除，不仅不易除净，而且易损坏铸件，为此，本发明特采取化学溶解＋高压水冲洗的方法以去除本设计中的陶瓷芯，该方法不仅能够完全去除本设计中的陶瓷芯，而且不会损坏铸件，易于操作。因此，本发明不仅能够去除位于铸件内部细小通道内的陶瓷芯，而且操作简易。
4、本发明一种铸造细小通道用组合式型芯及其使用方法中在制作陶瓷芯时，不仅强调其组成成分，还强调其结构，具体而言为：先运用待铸件的三维模型确定需要陶瓷芯铸造的部位，再将该部位分割出来以在三维软件中设计出芯头以获得陶瓷芯的三维模型，从而制作出符合要求的陶瓷芯的素坯。该设计的针对性较强，能够制作出具备最佳结构的陶瓷芯，不仅利于截面尺寸小于12mm的细小通道的形成，而且不会浪费原材料，工作效率较高。因此，本发明不仅利于铸造截面尺寸小于12mm的细小通道，而且工作效率较高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中陶瓷芯的结构示意图。
图中：砂芯1、陶瓷芯2、陶瓷芯主体21、支脚22、芯头3。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1–图2，一种铸造细小通道用组合式型芯，包括砂芯1，所述砂芯1的制造材料为硅砂或树脂砂；
所述组合式型芯还包括陶瓷芯2，所述陶瓷芯2的周边包裹有砂芯1，陶瓷芯2通过其上设置的芯头3与砂芯1相连接，且陶瓷芯2、砂芯1位于同一水平面。
所述陶瓷芯2为X型结构，包括陶瓷芯主体21及其四端设置的四个支脚22，每个支脚22上都设置有与砂芯1相连接的芯头3；所述芯头3的数量大于等于四。
所述陶瓷芯2的组成成分及重量份比例为: 二氧化硅40–50，三氧化二铝50–60，陶瓷注射成形粘结剂15–20。
所述陶瓷芯2的组成成分及重量份比例为: 二氧化硅45，三氧化二铝55，陶瓷注射成形粘结剂18。
所述陶瓷注射成形粘结剂是石蜡基粘接剂。
一种上述铸造细小通道用组合式型芯的使用方法，所述使用方法依次包括以下步骤：
陶瓷芯的制作工艺：先将二氧化硅、三氧化二铝、陶瓷注射成形粘结剂按比例加热搅拌均匀以形成块状料，再将块状料放入单杆或双杆挤出机中以制备喂料，然后采用陶瓷注射机将制备好的喂料注射成陶瓷芯素坯，再对陶瓷芯素坯依次进行脱脂、烧结以得到陶瓷芯2成品；所述二氧化硅、三氧化二铝、陶瓷注射成形粘结剂的用量比为：二氧化硅40–50，三氧化二铝50–60，陶瓷注射成形粘结剂15–20；
组合式型芯的制作工艺：先将上述制备好的陶瓷芯2放入芯盒内，陶瓷芯2在芯盒内的固定通过靠形定位，再向芯盒内射入硅砂或树脂砂以形成砂芯1，当砂子充满芯盒时停止射砂，此时，陶瓷芯2的周边已被砂子构成的砂芯1包裹，待砂子固化后，陶瓷芯2、砂芯1固定成一体以形成所述的铸造细小通道用组合式型芯；
浇注与除芯工艺：先将上述铸造细小通道用组合式型芯下入铸型中，再合箱以开始浇注，浇注结束后开箱、除芯以完成所述铸造细小通道用组合式型芯的使用。
所述浇注与除芯工艺中：所述除芯是指先通过震动除砂工艺将组合式型芯中的砂芯1去除，再将铸品逐渐放入质量百分比浓度为60%–70%、温度为450℃–500℃的KOH溶液中，然后在2atm–3atm压力下沸煮2h–3h，此时，陶瓷芯2中的二氧化硅、三氧化二铝与KOH溶液的反应为：2KOH＋Al2O3＝2KAlO2＋H2O，SiO2＋2KOH＝K2SiO3＋H2O，再采用高压水冲洗以去除残余的陶瓷芯2，此时，除芯工艺结束。
所述陶瓷芯的制作工艺中：所述采用陶瓷注射机将制备好的喂料注射成陶瓷芯素坯是指：先运用三维模型将待铸造细小通道内易粘砂或易发生断芯的部位分割出来，分割出的部位一定要保证有足够的空间设置与砂芯1相连接的芯头3，再将分割出的部位在三维软件中设计出芯头3以获得陶瓷芯2的三维模型，然后根据该陶瓷芯2的三维模型开设模具，最后使用陶瓷注射机，利用制备的喂料，通过模具成形出陶瓷芯的素坯。
所述陶瓷芯的制作工艺中：所述脱脂的最高温度是350℃，烧结的最高温度是1500℃–1600℃。
本发明的原理说明如下：
一、陶瓷芯、砂芯的组合：
传统上，由于缸盖内复杂的几何形状通道，需要选择一种合适的工艺来制造，而砂芯复杂形状的成形能力和后期易于清除的特性使砂型铸造成为缸盖制造首选工艺，同时砂型铸造工艺相对低廉的材料成本也符合汽车行业对零件成本控制的需求。
但砂型铸造存在其自身的局限性，这是因为随着砂芯截面尺寸的减小，芯子抵抗金属熔液过早破碎的能力也在降低，即在浇注产生的热冲击、粘结剂烧损、砂芯的冲蚀等多重作用下，砂芯存在一个极限尺寸，越来越难以满足发动机缸盖的铸造需求。
尤其随着重型柴油发动机爆发压力的不断提高，缸盖内的水道越来越复杂、细小——尤其是缸盖鼻梁区上方气道与喷油器壁内的水道更加细小，成形此处水道的砂芯极有可能因达到其极限尺寸而无法抵抗铁水的热冲击和冲蚀而发生断裂或者烧砂现象，从而导致此处的水道堵塞，无法完成符合要求的铸造。
正因为如此，本发明对铸造的型芯进行了独特设计，包括砂芯、陶瓷芯两部分，陶瓷芯的周边包裹有砂芯，其中，陶瓷芯专门负责最细小通道的铸造，由于Al2O3和SiO2的熔点高于普通型砂，因此陶瓷芯可以成形铸件中那些普通砂芯难以胜任的细小通道，如柴油发动机缸盖鼻梁区上方水套，采用本发明中的组合式型芯可以成形宽度在5mm–12mm之间的细小水道，完全能够满足现有重型柴油发动机缸盖的铸造要求。
二、陶瓷芯的制作：
陶瓷芯的组成成分及重量份比例为: 二氧化硅40–50，三氧化二铝50–60，陶瓷注射成形粘结剂15–20，该设计的优点在于：易于溶于KOH溶液的二氧化硅可以提高陶瓷芯的溶解速度，而耐高温性能优异的三氧化二铝则能提高陶瓷芯在1500℃（铁水浇注温度）下的强度，保证陶瓷芯在整个浇注过程中不发生断裂和变形，因而二氧化硅和三氧化二铝的合适配比可以兼顾陶瓷芯易溶解和高温强度高两个特性。此外，适量比例的注射粘结剂既能保证注射喂料的成形性，又能缩短脱脂的时间，提高效率。
陶瓷芯素坯依次进行脱脂、烧结：脱脂是将素坯中的热塑性粘接剂的主要成分，如石蜡，在其热分解温度下（最高温度在350℃）脱去的过程，需要使用专用的脱脂炉，在设定好的脱脂温度曲线下完成；烧结是指将脱脂后素坯中残余粘接剂烧去，使素坯陶瓷化的过程，该过程与脱脂类似，但是温度更高（最高温度需要达到1500℃-1600℃），需要使用高温烧结炉。先脱脂再烧结的原因在于：如果素坯不经过脱脂而直接烧结，会因为粘接剂成分迅速热结产生的大量气体将素坯涨裂，所以要依次完成脱脂和烧结。
三、陶瓷芯的去除：
本发明在浇注结束后，陶瓷芯位于铸件内部细小通道之内，其位置居于铸件的最内部，同时，陶瓷芯的抗冲击能力、强度均较高，若采用传统的敲碎除芯工艺去除，不仅不易除净，而且易损坏铸件，为此，本发明特采取化学溶解＋高压水冲洗的方法以去除本设计中的陶瓷芯，该方法不仅能够完全去除本设计中的陶瓷芯，而且不会损坏铸件，易于操作。
实施例1：
本发明应用于制备某大马力柴油发动机缸盖，该型发动机缸盖鼻梁区水套最窄部位在8mm–9mm，在采用传统砂芯制备时经常出现断芯或砂芯烧结无法清除的问题，采用本发明则可以有效解决上述问题。
参见图1–图2，一种铸造细小通道用组合式型芯，包括砂芯1、陶瓷芯2，所述陶瓷芯2的周边包裹有砂芯1，陶瓷芯2通过其上设置的芯头3与砂芯1相连接，且陶瓷芯2、砂芯1位于同一水平面；所述陶瓷芯2为X型结构，包括陶瓷芯主体21及其四端设置的四个支脚22，每个支脚22上都设置有与砂芯1相连接的芯头3；所述芯头3的数量大于等于四；所述砂芯1的制造材料为硅砂或树脂砂，所述陶瓷芯2的组成成分及重量份比例为: 二氧化硅40–50，三氧化二铝50–60，陶瓷注射成形粘结剂15–20。
一种上述铸造细小通道用组合式型芯的使用方法，所述使用方法依次包括以下步骤：
陶瓷芯的制作工艺：先将二氧化硅、三氧化二铝、陶瓷注射成形粘结剂按比例加热搅拌均匀以形成块状料，再将块状料放入单杆或双杆挤出机中以制备喂料，然后采用陶瓷注射机将制备好的喂料注射成陶瓷芯素坯，再对陶瓷芯素坯依次进行脱脂、烧结以得到陶瓷芯2成品；所述脱脂的最高温度是350℃，烧结的最高温度是1500℃–1600℃；所述二氧化硅、三氧化二铝、陶瓷注射成形粘结剂的用量比为：二氧化硅40–50，三氧化二铝50–60，陶瓷注射成形粘结剂15–20；所述采用陶瓷注射机将制备好的喂料注射成陶瓷芯素坯是指：先运用三维模型将待铸造细小通道内易粘砂或易发生断芯的部位分割出来，分割出的部位一定要保证有足够的空间设置与砂芯1相连接的芯头3，再将分割出的部位在三维软件中设计出芯头3以获得陶瓷芯2的三维模型，然后根据该陶瓷芯2的三维模型开设模具，最后使用陶瓷注射机，利用制备的喂料，通过模具成形出陶瓷芯的素坯；
组合式型芯的制作工艺：先将上述制备好的陶瓷芯2放入芯盒内，陶瓷芯2在芯盒内的固定通过靠形定位，再向芯盒内射入硅砂或树脂砂以形成砂芯1，当砂子充满芯盒时停止射砂，此时，陶瓷芯2的周边已被砂子构成的砂芯1包裹，待砂子固化后，陶瓷芯2、砂芯1固定成一体以形成所述的铸造细小通道用组合式型芯；
浇注与除芯工艺：先将上述铸造细小通道用组合式型芯下入铸型中，再合箱以开始浇注，浇注结束后开箱、除芯以完成所述铸造细小通道用组合式型芯的使用；所述除芯是指先通过震动除砂工艺将组合式型芯中的砂芯1去除，再将铸品逐渐放入质量百分比浓度为60%–70%、温度为450℃–500℃的KOH溶液中，然后在2atm–3atm压力下沸煮2h–3h，此时，陶瓷芯2中的二氧化硅、三氧化二铝与KOH溶液的反应为：2KOH＋Al2O3＝2KAlO2＋H2O，SiO2＋2KOH＝K2SiO3＋H2O，再采用高压水冲洗以去除残余的陶瓷芯2，此时，除芯工艺结束。
Claims (9)
1.一种铸造细小通道用组合式型芯，包括砂芯（1），所述砂芯（1）的制造材料为硅砂或树脂砂，其特征在于：
所述组合式型芯还包括陶瓷芯（2），所述陶瓷芯（2）的周边包裹有砂芯（1），陶瓷芯（2）通过其上设置的芯头（3）与砂芯（1）相连接，且陶瓷芯（2）、砂芯（1）位于同一水平面。
2.根据权利要求1所述的一种铸造细小通道用组合式型芯，其特征在于：所述陶瓷芯（2）为X型结构，包括陶瓷芯主体（21）及其四端设置的四个支脚（22），每个支脚（22）上都设置有与砂芯（1）相连接的芯头（3）；所述芯头（3）的数量大于等于四。
3.根据权利要求1或2所述的一种铸造细小通道用组合式型芯，其特征在于：所述陶瓷芯（2）的组成成分及重量份比例为: 二氧化硅40–50，三氧化二铝50–60，陶瓷注射成形粘结剂15–20。
4.根据权利要求3所述的一种铸造细小通道用组合式型芯，其特征在于：所述陶瓷芯（2）的组成成分及重量份比例为: 二氧化硅45，三氧化二铝55，陶瓷注射成形粘结剂18。
5.根据权利要求3所述的一种铸造细小通道用组合式型芯，其特征在于：所述陶瓷注射成形粘结剂是石蜡基粘接剂。
6.一种权利要求1所述的铸造细小通道用组合式型芯的使用方法，其特征在于所述使用方法依次包括以下步骤：
陶瓷芯的制作工艺：先将二氧化硅、三氧化二铝、陶瓷注射成形粘结剂按比例加热搅拌均匀以形成块状料，再将块状料放入单杆或双杆挤出机中以制备喂料，然后采用陶瓷注射机将制备好的喂料注射成陶瓷芯素坯，再对陶瓷芯素坯依次进行脱脂、烧结以得到陶瓷芯（2）成品；所述二氧化硅、三氧化二铝、陶瓷注射成形粘结剂的用量比为：二氧化硅40–50，三氧化二铝50–60，陶瓷注射成形粘结剂15–20；
组合式型芯的制作工艺：先将上述制备好的陶瓷芯（2）放入芯盒内，陶瓷芯（2）在芯盒内的固定通过靠形定位，再向芯盒内射入硅砂或树脂砂以形成砂芯（1），当砂子充满芯盒时停止射砂，此时，陶瓷芯（2）的周边已被砂子构成的砂芯（1）包裹，待砂子固化后，陶瓷芯（2）、砂芯（1）固定成一体以形成所述的铸造细小通道用组合式型芯；
浇注与除芯工艺：先将上述铸造细小通道用组合式型芯下入铸型中，再合箱以开始浇注，浇注结束后开箱、除芯以完成所述铸造细小通道用组合式型芯的使用。
7.根据权利要求6所述的一种铸造细小通道用组合式型芯的使用方法，其特征在于：
所述浇注与除芯工艺中：所述除芯是指先通过震动除砂工艺将组合式型芯中的砂芯（1）去除，再将铸品逐渐放入质量百分比浓度为60%–70%、温度为450℃–500℃的KOH溶液中，然后在2atm–3atm压力下沸煮2h–3h，此时，陶瓷芯（2）中的二氧化硅、三氧化二铝与KOH溶液的反应为：2KOH＋Al2O3＝2KAlO2＋H2O，SiO2＋2KOH＝K2SiO3＋H2O，再采用高压水冲洗以去除残余的陶瓷芯（2），此时，除芯工艺结束。
8.根据权利要求6或7所述的一种铸造细小通道用组合式型芯的使用方法，其特征在于：
所述陶瓷芯的制作工艺中：所述采用陶瓷注射机将制备好的喂料注射成陶瓷芯素坯是指：先运用三维模型将待铸造细小通道内易粘砂或易发生断芯的部位分割出来，分割出的部位一定要保证有足够的空间设置与砂芯（1）相连接的芯头（3），再将分割出的部位在三维软件中设计出芯头（3）以获得陶瓷芯（2）的三维模型，然后根据该陶瓷芯（2）的三维模型开设模具，最后使用陶瓷注射机，利用制备的喂料，通过模具成形出陶瓷芯的素坯。
9.根据权利要求6或7所述的一种铸造细小通道用组合式型芯的使用方法，其特征在于：
所述陶瓷芯的制作工艺中：所述脱脂的最高温度是350℃，烧结的最高温度是1500℃–1600℃。
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