CN106116597A - 镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口及其制备方法，所述冒口包括以下质量份数的各组分：型砂骨料85～95份；保温材料1～15份；粘结剂0.5～2份；固化剂0.2～0.6份；阻燃剂0.5～3份；偶联剂0.5～1份。本发明制备的冒口解决了现有制备冒口用材料会与铸型发生反应的问题，延长了冒口内金属液凝固时间，进而降低了铸件厚大部位由于补缩不足而造成的缩孔、缩松等缺陷。

Description

镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口及其制备方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，尤其涉及一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口及其制备方法。

背景技术

在铸造生产中，铸件的缩孔、缩松、夹渣等缺陷是制约铸件生产的一大难题，它直接影响铸件内在质量和工艺出品率。设置冒口是保证铸件质量的重要措施之一，设置冒口可以保证补缩通道畅通，确保铸件凝固过程中有足够的金属液进行补缩，保证铸件完全凝固后获得致密组织，从而获得性能良好的铸件。

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度比刚度高、减振性好、电磁屏蔽能力强及易于回收等性能特点。自20世纪90年代以来，各工业发达国家高度重视镁合金的研究和开发，并已将镁合金广泛应用于国防军工、航空航天、汽车和电子信息产业等领域，有着十分广阔的市场前景。但目前镁合金铸造过程中遇到的突出问题是镁合金的凝固温度区间大，易产生缩孔、缩松缺陷；镁合金活性很强，易与铸型材料发生反应，反应放出大量热量不能迅速散发出去，致使反应界面上的温度迅速升高，加剧了镁的氧化燃烧，使镁合金铸件表面出现空洞和氧化皮，严重时铸件报废。针对铸件厚大部位补缩不足，通过增加冒口补缩是解决铸造缺陷的有效手段之一，针对镁合金容易氧化燃烧，通过添加阻燃剂来阻止镁合金液与造型材料发生反应是减少铸件表面缺陷的重要措施。

目前已有广泛应用的发热冒口、保温冒口或者发热保温冒口在浇注过程中，是通过冒口材料中的发热剂、助燃剂在高温条件下发生放热反映，使冒口中的金属液温度升高，延长金属液在冒口中的凝固时间来达到反流回铸型中进行补缩的作用。但是针对镁合金材料的特点，冒口中加入发热剂和助燃剂会加剧镁合金液的氧化燃烧，同时镁合金液会同铸型表面的发热剂、助燃剂进行反应而降低铸件表面质量，严重影响了镁合金铸件的质量，同时也制约了冒口的应用范围。中国专利文献号为CN 102974764A，专利名称为《铸造中的铸钢件发热保温冒口》是由铝、漂珠、酚醛树脂、氧化铁皮、磷酸制成，该冒口套的材料具有发热、保温的功效，使冒口内的金属液持续发热，使金属液温度提高，从而延长凝固时间，提高补缩效果。但该专利中的发热材料会增加镁合金液的凝固温度区间而不利于补缩。中国专利文献号为CN 103586416 A，专利名称为《一种无氟发热保温冒口及其制备方法》是由膨胀珍珠岩、石英砂、铝粉、镁粉、氧化铁粉、硝酸钾、氯化钠、碱性酚醛树脂、有机脂和偶联剂制成，其物料中的铝粉、氧化铁粉和硝酸钾为发热剂，镁粉为助燃剂，氯化钠代替传统的氟盐起到调节剂的作用，使其具有点火速度快和燃烧速度慢的作用。虽然该所述冒口具有良好的使用效果，但在所述专利中添加的镁粉助燃剂会加剧镁合金液的氧化燃烧，会导致镁合金铸件表面出现缺陷，不能满足使用要求。中国专利文献号为CN 103962509 A，专利名称为《一种发热保温冒口材料及其制备方法》加入助燃剂各组分的质量百分比为：镁粉30～45％、高氯酸钾40～55％、交联聚维酮或酚醛树脂或蛋清溶液5～15％。该发热保温冒口材料能够缩短冒口起燃时间，降低冒口起燃温度，提高冒口的整体发热效率。虽然该所述冒口具有良好的使用效果，但在所述专利中添加的镁粉助燃剂同样会加剧镁合金液的氧化燃烧，会导致镁合金铸件表面出现缺陷，不能满足使用要求。因此，在上述所述专利中，在冒口中均加入发热剂和助燃剂来延长金属液在冒口中的凝固时间来达到补缩的作用。但是针对镁合金材料的特点，其存在的核心问题是在上述冒口中加入发热剂和助燃剂会加剧镁合金液的氧化燃烧，同时镁合金液会同铸型表面的发热剂、助燃剂进行反应而降低铸件表面质量，严重影响了镁合金铸件的质量，同时也制约了冒口的应用范围。因此开发新型的具有阻燃和保温效果的适用于镁合金砂型铸造冒口势在必行。

综上所述，当前镁合金砂型铸造过程中金属液补缩和阻燃是急需解决的难题，其主要原因是缺乏相应的专用保温阻燃冒口。因此，开发镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口及其制备方法，解决现有制备冒口用材料会与铸型发生反应的问题，延长冒口内金属液凝固时间，进而降低铸件厚大部位由于补缩不足而造成的缩孔、缩松等缺陷。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，所述冒口包括以下质量份数的各组分：

优选地，所述的型砂骨料为粒度50～100目的石英砂，且石英中二氧化硅重量含量大于96％。

优选地，所述保温材料包括漂珠。

更优选地，所述漂珠中包括以下质量百分含量的各组分：二氧化硅56～62％，三氧化二铝33～38％，三氧化二铁2～4％，三氧化硫0.1～0.2％，氧化钙0.2～0.4％，氧化镁0.8～1.2％，氧化钾0.5～1.1％，氧化钠0.3～0.9％。

优选地，所述阻燃剂包括硼酸、氟硼酸铵、硫磺中的至少一种。

优选地，所述阻燃剂包括以下质量百分含量的各组分：硼酸48～84％、氟硼酸铵4～20％、硫磺9.5～42％。所述硼酸含量过高，会导致型砂力学性能降低和透气性变差；氟硼酸铵含量过高会导致砂型吸潮从而使砂型强度降低，硫磺含量过高则会使砂型发气量增高。

优选地，所述硼酸的粒度为100～300目。

优选地，所述氟硼酸铵粒度为100～300目。

优选地，所述硫磺粒度为100～300目。

优选地，所述粘结剂为脲醛改性呋喃树脂。

优选地，所述固化剂为对甲苯磺酸。

优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-550，密度为0.94g/cm³。

本发明还提供了一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据质量百分含量称取各原料组分；

S2、将称取的型砂骨料、保温材料、阻燃剂混合，然后依次加入固化剂，偶联剂，粘结剂，充分混合均匀，即得混制好的树脂砂型砂；

S3、将步骤S2混制好的树脂砂型砂在冒口模具中紧实成型，经过30～50min后脱模，即得所述阻燃保温冒口。

本发明的作用原理是：先将石英砂、漂珠、硼酸、氟硼酸氨、硫磺置于自动混砂机中混制，石英砂作为耐火骨架其足够的加入量保证了保温冒口的耐火度；漂珠具有极高耐火度，并且漂珠薄壁中空，空腔内为半真空，具有良好的保温效果；硼酸、氟硼酸氨、硫磺三种物料的加入起到阻燃和作为石英砂和漂珠空隙间的填充材料。脲醛改性呋喃树脂在固化剂对甲苯磺酸的作用下发生交联反应，形成形状稳定的冒口套。偶联剂的加入使树脂与石英砂这两种性质差异很大的材料表面之间形成中间桥梁，提高冒口的强度。

现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、阻燃保温冒口主要用于镁合金砂型铸造使用，与普通发热保温冒口、保温冒口和发热冒口相比具有显著的阻燃和保温效果，冒口壁与镁合金液接触部位不放生氧化燃烧。金属液在冒口内的凝固时间延长，增加了冒口的补缩能力，降低了铸件氧化夹杂、缩孔和缩松等缺陷，提高工艺出品率。

2、本发明制备的冒口脱模24h后测其抗拉强度高于1.5Mpa，72h后的抗拉强度高于1.2Mpa，满足使用要求。

3、本发明的冒口制备方法简单、成型周期短、成本低、经过短时间烘干后即可使用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

下述实施例述及本发明提供了一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，所述冒口包括以下质量份数的各组分：

所述的型砂骨料为粒度50～100目的石英砂，且石英中二氧化硅重量含量大于96％。

所述保温材料包括漂珠。

所述漂珠中包括以下质量百分含量的各组分：二氧化硅56～62％，三氧化二铝33～38％，三氧化二铁2～4％，三氧化硫0.1～0.2％，氧化钙0.2～0.4％，氧化镁0.8～1.2％，氧化钾0.5～1.1％，氧化钠0.3～0.9％。

所述阻燃剂包括硼酸、氟硼酸铵、硫磺中的至少一种。

所述阻燃剂包括以下质量百分含量的各组分：硼酸48～84％、氟硼酸铵4～20％、硫磺9.5～42％。所述硼酸含量过高，会导致型砂力学性能降低和透气性变差；氟硼酸铵含量过高会导致砂型吸潮从而使砂型强度降低，含量过高则会使砂型发气量增高；硫磺含量过高，会导致砂型发气量增大。

所述硼酸的粒度为100～300目。

所述氟硼酸铵粒度为100～300目。

所述硫磺粒度为100～300目。

所述粘结剂为脲醛改性呋喃树脂。

所述固化剂为对甲苯磺酸。

所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-550，密度为0.94g/cm³。

下述实施例所述的镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口的制备方法，包括如下步骤：

一、按质量分数称取各组分；

二、按照步骤一称取的石英砂、漂珠、硼酸、氟硼酸氨、硫磺置于自动混砂机中混制1min～2min，然后在加入步骤一称取的对甲苯磺酸固化剂，再自动混砂机中混制1min～2min，然后在加入步骤一称取的偶联剂混制1min～2min，最后在加入步骤一称取的呋喃脲醛树脂，在混砂机中混制2min～3min，得到混制好的树脂砂型砂。

三、将步骤二混制好的树脂砂型砂在冒口模具中紧实成型，经过30min～50min后脱模得到阻燃保温冒口，在室温放置24h后烘干使用。

实施例1

采用如下配比的石英砂85份、漂珠5份、阻燃剂0.5份(包括硼酸75wt％、氟硼酸铵6.25wt％、硫磺18.75wt％)、脲醛改性呋喃树脂1份、对甲苯磺酸0.3份、偶联剂0.5份混合后制得阻燃保温冒口。

本实施例制备的冒口脱模24h后测其抗拉强度高于1.5Mpa，72h后的抗拉强度高于1.2Mpa，满足使用要求。

将成型后的阻燃保温冒口烘干后应用于材质为GW103K耐热镁合金铸件，浇注温度为750℃。对浇注后的铸件冒口根部表面进行着色探伤，没有发现氧化皮、夹杂等缺陷，铸件经X光探伤后没有发现缩孔、缩松等缺陷，铸件为合格品。证明冒口阻燃保温效果显著。

实施例2

采用如下配比的石英砂90份、漂珠10份、阻燃剂3份(包括硼酸70wt％、氟硼酸铵10wt％、硫磺20wt％)、脲醛改性呋喃树脂1.2份、对甲苯磺酸0.4份、偶联剂1份混合后制得阻燃保温冒口。

本实施例制备的冒口脱模24h后测其抗拉强度高于1.5Mpa，72h后的抗拉强度高于1.2Mpa，满足使用要求。

将成型后的阻燃保温冒口烘干后应用于材质为WE43耐热镁合金铸件，浇注温度为730℃。对浇注后的铸件冒口根部表面进行着色探伤，没有发现氧化皮、夹杂等缺陷，铸件经X光探伤后没有发现缩孔、缩松等缺陷，铸件为合格品。证明冒口阻燃保温效果显著。

实施例3

采用如下配比的石英砂95份、漂珠12份、阻燃剂2份(包括硼酸64wt％、氟硼酸铵12wt％、硫磺24wt％)硼酸80份、氟硼酸铵15份、硫磺30份、脲醛改性呋喃树脂1.5份、对甲苯磺酸0.5份、偶联剂1.2份混合后制得阻燃保温冒口。

本实施例制备的冒口脱模24h后测其抗拉强度高于1.5Mpa，72h后的抗拉强度高于1.3Mpa，满足使用要求。

将成型后的阻燃保温冒口烘干后应用于材质为AZ91D镁合金铸件，浇注温度为740℃。对浇注后的铸件冒口根部表面进行着色探伤，没有发现氧化皮、夹杂等缺陷，铸件经X光探伤后没有发现缩孔、缩松等缺陷，铸件为合格品。证明冒口阻燃保温效果显著。

对比例1

对比例1涉及一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其组成和各组分质量份数与实施例1的区别仅在于：本对比例不含漂珠。

所述的制备方法同实施例。

本对比例制备的冒口脱模24h后测其抗拉强度1.44Mpa，72h后的抗拉强度1.21Mpa，满足生产要求。将成型后的阻燃保温冒口烘干后应用于材质为AZ91D镁合金铸件，浇注温度为740℃。对浇注后的铸件冒口根部表面进行着色探伤，发现冒口根部存在局部缩松，铸件经X光探伤后发现局部缩松等级为4级，说明冒口保温补缩效果差。

对比例2

对比例2涉及一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其组成和各组分质量份数与实施例1的区别仅在于：本对比例漂珠的重量份数为25份。

所述的制备方法同实施例。

本对比例制备的冒口脱模24h后测其抗拉强度1.12Mpa，72h后的抗拉强度0.83Mpa；不能满足生产要求。将成型后的阻燃保温冒口烘干后应用于材质为AZ91D镁合金铸件，浇注温度为740℃。浇注后发现冒口砂型由于自身强度低，在浇注过程中发生开裂，未起到补缩效果，不能满足生产要求。

对比例3

对比例3涉及一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其组成和各组分质量份数与实施例2的区别仅在于：本对比例的阻燃剂仅为硼酸和硫磺，硼酸含量为78wt％，硫磺含量为22wt％。

所述的制备方法同实施例。

本对比例制备的冒口脱模24h后测其抗拉强度1.55Mpa，72h后的抗拉强度1.34Mpa，满足生产要求；将成型后的阻燃保温冒口烘干后应用于材质为AZ91D镁合金铸件，浇注温度为740℃。对浇注后的铸件冒口根部表面进行着色探伤，发现冒口根部存在离散分布的氧化皮和夹杂，铸件经X光探伤后发现局部离散分布的氧化皮和夹杂为3级，不能满足生产要求，说明冒口阻燃效果差。

对比例4

对比例4涉及一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其组成和各组分质量份数与实施例2的区别仅在于：本对比例的阻燃剂仅为硼酸和氟硼酸铵，硼酸含量为88wt％，氟硼酸铵含量为12wt％。

所述的制备方法同实施例。

本对比例制备的冒口脱模24h后测其抗拉强度1.52Mpa，72h后的抗拉强度1.31Mpa，满足生产要求；将成型后的阻燃保温冒口烘干后应用于材质为AZ91D镁合金铸件，浇注温度为740℃。对浇注后的铸件冒口根部表面进行着色探伤，发现冒口根部存在离散分布的氧化皮和夹杂，铸件经X光探伤后发现局部离散分布的氧化皮和夹杂为4级，不能满足生产要求，说明冒口阻燃效果差。

对比例5

对比例5涉及一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其组成和各组分质量份数与实施例2的区别仅在于：本对比例的阻燃剂为氟硼酸钾和氟化铵，硼酸含量为60wt％，氟硼酸铵含量为40wt％。

所述的制备方法同实施例。

本对比例制备的冒口脱模24h后测其抗拉强度1.56Mpa，72h后的抗拉强度1.33Mpa，满足生产要求；将成型后的阻燃保温冒口烘干后应用于材质为AZ91D镁合金铸件，浇注温度为740℃。对浇注后的铸件冒口根部表面进行着色探伤，未在冒口根部发现缺陷。铸件经X光探伤后，铸件为根部为1级缩松，满足生产要求。说明冒口阻燃保温效果好，但由于阻燃剂在受热后会释放含氟气体，不利于环保，故不能满足工业生产要求。

综上所述，本实施例制备的阻燃保温冒口具有显著的阻燃和保温效果，冒口壁与镁合金液接触部位不发生氧化燃烧。金属液在冒口内的凝固时间延长，增加了冒口的补缩能力，降低了铸件氧化夹杂、缩孔和缩松等缺陷，提高了工艺出品率；本发明制备的冒口脱模24h后测其抗拉强度高于1.5Mpa，72h后的抗拉强度高于1.2Mpa，满足使用要求；本发明的冒口制备方法简单、成型周期短、成本低、经过短时间烘干后即可使用。

发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其特征在于，所述冒口包括以下质量份数的各组分：

2.如权利要求1所述的镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其特征在于，所述的型砂骨料为粒度50～100目的石英砂，且石英砂中二氧化硅重量含量大于96％。

3.如权利要求1所述的镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其特征在于，所述保温材料包括漂珠。

4.如权利要求3所述的镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其特征在于，所述漂珠中包括以下质量百分含量的各组分：二氧化硅56～62％，三氧化二铝33～38％，三氧化二铁2～4％，三氧化硫0.1～0.2％，氧化钙0.2～0.4％，氧化镁0.8～1.2％，氧化钾0.5～1.1％，氧化钠0.3～0.9％。

5.如权利要求1所述的镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其特征在于，所述阻燃剂包括硼酸、氟硼酸铵、硫磺中的至少一种。

6.如权利要求5所述的镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其特征在于，所述阻燃剂包括以下质量百分含量的各组分：硼酸48～84％、氟硼酸铵4～20％、硫磺9.5～42％。

7.如权利要求1所述的镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其特征在于，所述粘结剂为脲醛改性呋喃树脂。

8.如权利要求1所述的镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其特征在于，所述固化剂为对甲苯磺酸。

9.如权利要求1所述的镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH-550，密度为0.94g/cm³。

10.一种如权利要求1所述的镁合金砂型铸造用阻燃保温冒口的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据质量百分含量称取各原料组分；

S2、将称取的型砂骨料、保温材料、阻燃剂混合，然后依次加入固化剂，偶联剂，粘结剂，充分混合均匀，即得混制好的树脂砂型砂；

S3、将步骤S2混制好的树脂砂型砂在冒口模具中紧实成型，经过30～50min后脱模，即得所述阻燃保温冒口。