CN106670376B - 低熔点合金铸造用高强度复合盐芯材料、盐芯及制备方法 - Google Patents

低熔点合金铸造用高强度复合盐芯材料、盐芯及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铸造技术领域，更具体地，涉及一种低熔点合金铸造用高强度复合盐芯材料。高强度复合盐芯材料包括水溶性无机盐和增强体，水溶性无机盐与增强体的质量百分比为70％～100％:0％～30％，并且水溶性无机盐包括低熔点盐硝酸钾和硝酸钠中的一种、以及高熔点盐氯化钾、氯化钠、溴化钾和溴化钠中的至少一种，且低熔点盐的阳离子与高熔点盐的阳离子相同。本发明还公开了一种高强度复合盐芯的制备方法及得到的盐芯产品。本发明制备的复合盐芯具有很高的抗弯强度、优良的抗吸湿性以及较小的体积收缩率，综合性能优异。另外，本发明的高强度复合盐芯制备工艺简单，原料价格低廉，易于工业化生产。

Description

低熔点合金铸造用高强度复合盐芯材料、盐芯及制备方法
技术领域
本发明属于铸造技术领域，更具体地，涉及一种低熔点合金铸造用高强度复合盐芯材料、盐芯及制备方法。
背景技术
随着铸造工业的不断发展，铸件广泛应用于航空航天、机械仪器以及日常生活等领域，且需求量与日俱增，因而对其性能的要求也愈发严格。而这些铸件常常带有复杂的腔道或细长的孔道，一般需要采用型芯铸造成形。
目前，铸造型芯通常包括树脂砂芯、陶瓷芯、水溶性盐芯等。树脂砂芯的强度较低，生产车间气味重，对环境污染大；陶瓷芯的强度高，但其制备成本高，铸后清理过程对铸件有一定的腐蚀作用。而水溶性盐芯，具有较好的表面质量与尺寸精度，较高的强度与硬度及优异水溶溃散性，可用于成形具有复杂内腔结构的薄壁压铸件。同时，其具有较高的生产效率和经济效益，这就使得水溶性盐芯在合金类压铸件用型芯中具有较大的发展前景，因此人们对于水溶性盐芯有了更多的关注。近年来，研究学者们对水溶性盐芯进行了较多的研究，以求提高盐芯强度的同时获得价格低廉、环境友好、铸后清理对铸件(少)无害影响的水溶性盐芯。
CN101073819公开了一种铝合金压铸造用水溶性的盐芯，该盐芯主要由金属卤化盐和陶瓷晶须组成。该水溶性盐芯的强度偏低，收缩较大，盐芯的表面褶皱较多，并且使用的增强晶须价格昂贵，增加了生产成本。
CN104399865A公开了一种铝活塞重力铸造用水溶性石墨复合盐芯的制备的方法，该方法以石墨为增强相，金属卤化盐为水溶性盐，制备的盐芯强度较高，收缩率较小，但是该发明制备的水溶性盐芯在制备过程中石墨密度小，难以混合均匀，易分层，同时对盐芯制备的设备要求也很高。
CN1739883公开了一种挤压铸造用可溶性盐芯及其制作方法，其采用水玻璃作粘结剂，工业用食盐和高铝矾土作基体材料，混合少量水分，挤压吹气硬化，制备得到可溶性盐芯。该方法虽然操作简单，但制得的盐芯强度偏低，有待提高。
上述水溶性盐芯多用于铝合金这种高熔点合金的铸造，用于低熔点合金压铸时必然会带来高耗能、不利于工业化应用，并且上述水溶性盐芯存在原材料价格昂贵，对制芯设备要求高或制备的盐芯强度低等缺点，因此，如何低成本地制备一种适用于低熔点合金(熔点在500℃以内的合金，如锌合金)压铸的低耗能、高强度水溶性盐芯是目前亟待解决的一个问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低熔点合金铸造用高强度复合盐芯材料、盐芯及制备方法，主要应用于低熔点合金压铸用铸件。通过对作为关键参与物的复合盐芯的组分及配比进行研究设计，同时对盐芯制备工艺中的重要工艺参数进行改进，相应能够制得具备良好的抗弯强度、抗吸湿性以及较小收缩率的水溶性盐芯，该盐芯适用于低熔点合金的铸造，同时铸后清理对铸件无影响，对环境无污染，因而尤其适用于具有复杂内腔或细长孔结构的低熔点合金复杂铸件的制芯用途及铸件的快速清理。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种低熔点合金铸造用高强度复合盐芯材料，包括水溶性无机盐和增强体，水溶性无机盐与增强体的质量百分比为70％～100％：0％～30％，并且水溶性无机盐包括熔点相对较低的低熔点盐硝酸钾和硝酸钠中的一种、和熔点相对较高的高熔点盐氯化钾、氯化钠、溴化钾和溴化钠中的至少一种，且低熔点盐的阳离子与高熔点盐的阳离子相同。
单一无机盐构成的盐芯强度太低，在充型金属液时盐芯在受到金属液冲击时往往容易断掉，复合盐芯性能优于单一无机盐构成的盐芯，强度相对较高，且不同的无机盐复合，盐芯的表面质量好，基本无裂纹，满足工业使用要求。另外，单纯的低熔点盐的熔点往往不符合合金压铸的要求，通过选用高低不同熔点的两种盐，可以得到具有合适熔点的复合盐芯材料，满足使用要求。本申请中所选用的低熔点盐和高熔点盐均属于中性盐，避免了后续水溶处理时对铸件造成腐蚀。通过选用两种关键的无机盐及相应增强体作为复合盐芯材料的成分，得到的相应盐芯强度高、适用于低熔点合金的压铸，同时原料成本低，易于规模化生产。
优选地，水溶性无机盐中低熔点盐与高熔点盐的摩尔百分比为70mol％～100mol％:0mol％～30mol％。
优选地，增强体包括氧化铝粉、高铝矾土、高岭土、石英粉、玻璃纤维粉、耐火泥粉、膨润土和大林砂中的一种或多种，增强体的目数为200～1250目。本发明选用的增强体增强效果明显，并且相比于现有技术中添加昂贵的晶须、SiC、SiN颗粒等，本发明选用的增强体价格便宜。
按照本发明的另一个方面，提供了一种低熔点合金铸造用高强度复合盐芯，该盐芯由上述低熔点合金铸造用高熔点复合盐芯材料制备得到。
按照本发明的另一个方面，提供了一种低熔点合金铸造用高强度复合盐芯的制备方法，包括下列步骤：
(1)混合盐料的预处理
称取一定比例的水溶性无机盐和增强体，混合并研磨至无明显团状球体，烘干，冷却，得到混合盐料，其中，水溶性无机盐包括熔点相对较低的低熔点盐硝酸钾和硝酸钠中的一种、和熔点相对较高的高熔点盐氯化钾、氯化钠、溴化钾和溴化钠中的至少一种，且低熔点盐的阳离子与高熔点盐的阳离子相同；
(2)盐芯的制备
将步骤(1)所得的混合盐料熔化，搅拌混合，控制熔融的混合盐料温度超过水溶性无机盐熔点一定过热度，停止搅拌，将熔融的混合盐料浇入预热的金属模具中，静置一定时间后，脱模，冷却，由此方式得到复合盐芯。
优选地，步骤(1)中水溶性无机盐与增强体的质量百分比为70％～100％:0％～30％，水溶性无机盐中低熔点盐与高熔点盐的摩尔百分比为70mol％～100mol％:0mol％～30mol％，增强体包括氧化铝粉、高铝矾土、高岭土、石英粉、玻璃纤维粉、耐火泥粉、膨润土和大林砂中的一种或多种，增强体的目数为200目～1250目。
优选地，步骤(1)中烘干温度为105℃～115℃。进一步优选地，烘干温度为108℃～112℃。
优选地，步骤(2)中在脱模后，130℃～150℃保温炉内保温1～2小时后，随炉冷却至室温，由此方式得到复合盐芯。由于盐芯是脆性材料、收缩性大，容易因应力集中而产生裂纹，脱模后的保温处理相当于去应力处理，减少了盐芯的裂纹，提高了盐芯强度。
优选地，步骤(2)中一定过热度为超过熔融盐熔点15℃～35℃。通过控制合适的过热度，在保证顺利充分充型的前提下，避免了低熔点盐分解甚至异常严重气化的发生。
优选地，步骤(2)中预热的金属模具上涂有一层石墨涂料。金属模具退让性基本为0、很难脱模，在金属模具表面涂覆一层具有防粘作用、相当于润滑剂的石墨涂料，有利于脱模。
优选地，步骤(2)中静置时间为15-25s，优选静置时间为20s。静置时间过短，制备的盐芯还没有完全凝固、易垮塌；静置时间过长，由于盐芯是脆性材料且其收缩幅度相对于模具金属较大，收缩的盐芯受到金属型的阻碍后容易断掉。
优选地，步骤(2)中金属模具的预热温度为130℃～160℃。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过对作为关键参与物的复合盐芯的组分及配比进行研究设计，同时对盐芯制备工艺中的重要工艺参数进行改进，能够取得以下有益效果：
(1)通过采用不同配比的复合无机盐+增强体制备的高强度水溶性复合盐芯在进行低熔点合金浇铸时，盐芯表面不会发生局部熔化，满足低熔点合金浇铸的要求，同时该复合盐芯具备很高的抗弯强度，在金属液浇注时不会发生断裂，因此，本发明为低熔点合金浇铸提供了一种满足强度要求且耗能低的盐芯，易于工业化应用。
(2)本发明制备的高强度水溶性复合盐芯在具备很高的抗弯强度的同时，具备优良的抗吸湿性以及较小的体积收缩率，综合性能优异，表面光滑，基本无褶皱裂纹，不必设置额外的机加工余量。
(3)本发明制备的高强度水溶性复合盐芯具有优异的水溶性能，利于后续水溶处理。
(4)本发明的高强度水溶性复合盐芯制备工艺非常简单，且用于制备复合盐芯的盐材料和增强体均为常见材料、价格低廉，因此有望实现工业化生产。
附图说明
图1是按照本发明的复合盐芯的制备工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
复合盐芯材料准备：100质量份水溶性无机盐(80mol％KNO3+20mol％KCl)。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内110℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中熔化，待熔盐完全熔化至超过所选用的水溶性无机盐熔点15℃时，浇入预热温度为150℃的金属模具中，20s后脱模，130℃保温炉内保温2小时后，随炉冷却至室温，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度为22MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.568％；试样的体收缩率约为8.1％。
实施例2
复合盐芯材料准备：90份质量份水溶性无机盐(80mol％KNO3+20mol％KCl)+10质量份200目的膨润土。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内110℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中，待熔盐完全熔化后，用氧化铝搅拌棒搅拌至超过所选用的水溶性无机盐熔点25℃时，停止搅拌，浇入预热温度为150℃的金属模具中，20s后脱模，135℃保温炉内保温1.8小时后，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度大于35MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.502％；试样的体收缩率约为6.6％。
实施例3
复合盐芯材料准备：80质量份水溶性无机盐(100mol％KNO3)+20质量份400目的氧化铝粉。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内105℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中，待熔盐完全熔化后，用氧化铝搅拌棒搅拌至超过所选用的水溶性无机盐熔点30℃时，停止搅拌，浇入预热温度为130℃的金属模具中，15s后脱模，140℃保温炉内保温1.5小时后，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度为28MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.303％；试样的体收缩率约为7.7％。
实施例4
复合盐芯材料准备：80质量份水溶性无机盐(80mol％KNO3+20mol％KBr)+20质量份600目的石英粉。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内108℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中，待熔盐完全熔化后，用氧化铝搅拌棒搅拌至超过所选用的水溶性无机盐熔点35℃时，停止搅拌，浇入预热温度为160℃的金属模具中，15s后脱模，145℃保温炉内保温1.3小时后，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度大于35MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.238％；试样的体收缩率约为7.0％。
实施例5
复合盐芯材料准备：80质量份水溶性无机盐(70mol％KNO3+30mol％KCl)+20质量份800目的膨润土。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内115℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中，待熔盐完全熔化后，用氧化铝搅拌棒搅拌至超过所选用的水溶性无机盐熔点30℃时，停止搅拌，浇入预热温度为160℃的金属模具中，25s后脱模，150℃保温炉内保温1小时后，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度大于35MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.458％；试样的体收缩率约为7.1％。
实施例6
复合盐芯材料准备：70质量份水溶性无机盐(80mol％KNO3+20mol％KCl)+20质量份1000目的高铝矾土粉+10质量份1000目的高岭土粉。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内112℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中，待熔盐完全熔化后，用氧化铝搅拌棒搅拌至超过所选用的水溶性无机盐熔点35℃时，停止搅拌，浇入预热温度为150℃的金属模具中，20s后脱模，130℃保温炉内保温2小时后，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度大于35MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.098％％；试样的体收缩率约为5.62％。
实施例7
复合盐芯材料准备：70质量份水溶性无机盐(80mol％KNO3+20mol％KCl)+15质量份1200目的氧化铝粉+15质量份1200目的高铝矾土粉。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内105℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中，待熔盐完全熔化后，用氧化铝搅拌棒搅拌至超过所选用的水溶性无机盐熔点35℃时，停止搅拌，浇入预热温度为150℃的金属模具中，25s后脱模，150℃保温炉内保温1小时后，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度大于35MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.161％；试样的体收缩率约为6.5％。
实施例8
复合盐芯材料准备：70质量份水溶性无机盐(80mol％KNO3+10mol％KCl+10mol％KBr)+15质量份1250目的氧化铝粉+15质量份1250目的膨润土。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内105℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中，待熔盐完全熔化后，用氧化铝搅拌棒搅拌至超过所选用的水溶性无机盐熔点20℃时，停止搅拌，浇入预热温度为140℃的金属模具中，20s后脱模，145℃保温炉内保温1.3小时后，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度为大于35MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.188％；试样的体收缩率约为6.6％。
实施例9
复合盐芯材料准备：70质量份水溶性无机盐(90mol％KNO3+10mol％KCl)+10质量份700目的高铝矾土粉+10质量份700目的高岭土粉+10质量份700目的氧化铝粉。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内110℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中，待熔盐完全熔化后，用氧化铝搅拌棒搅拌至超过所选用的水溶性无机盐熔点35℃时，停止搅拌，浇入预热温度为150℃的金属模具中，20s后脱模，140℃保温炉内保温1.5小时后，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度大于35MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.133％；试样的体收缩率约为5.99％。
实施例10：
复合盐芯材料准备：70质量份水溶性无机盐(80mol％NaNO3+20mol％NaCl)+30质量份铝矾土粉。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内110℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中，待熔盐完全熔化后，用氧化铝搅拌棒搅拌至超过复合盐熔点30℃时，停止搅拌，浇入预热温度为150℃的金属模具中，20s后脱模，130℃保温炉内保温2小时后，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度大于35MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.257％；试样的体收缩率约为6.8％。
实施例11：
复合盐芯材料准备：70质量份水溶性无机盐(70mol％NaNO3+30mol％NaBr)+15质量份铝矾土粉+15质量份玻璃纤维粉。
将称量好的盐料混合均匀，在烘干箱内110℃烘干，随炉冷至室温，然后放入井式电阻炉内的刚玉坩埚中，待熔盐完全熔化后，用氧化铝搅拌棒搅拌至超过复合盐熔点30℃时，停止搅拌，浇入预热温度为150℃的金属模具中，20s后脱模，135℃保温炉内保温1.6小时后，即制备得到复合盐芯。
通过制取标准的长条状试样，测其抗弯强度大于35MPa；在环境相对湿度98％～99％的恒湿瓶内，试样的24h吸湿率约为0.201％；试样的体收缩率约为6.8％。
在上述所有实施例各步骤中所涉及的材料、温度、时间等参数仅用于示例和解释，本发明的方案并不限于上述具体的数值、具体的材料组合，如增强体还可以是玻璃纤维粉、耐火泥粉和大林砂等，步骤(1)中烘干温度、步骤(2)中静置时间等均不限于上述具体数值，上述所有实施例中的参数只要在权利要求书所述的范围内，均属于本发明的保护范围。
由上述实施例以及相应的测试可知，本发明制备的盐芯材料具有很高的抗弯强度，优良的抗吸湿性以及较小的体积收缩率，综合性能优异。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低熔点合金铸造用高强度复合盐芯的制备方法，用于熔点在500℃以内的合金铸造的盐芯制备，其特征在于，所述制备方法包括下列步骤：
(1)混合盐料的预处理
按照如下配料比称取水溶性无机盐和增强体，所述水溶性无机盐与所述增强体的质量百分比为70％～100％:0％～30％，混合并研磨至无明显团状球体，烘干，冷却，得到混合盐料，其中，所述水溶性无机盐包括熔点相对较低的低熔点盐硝酸钾和硝酸钠中的一种、和熔点相对较高的高熔点盐氯化钾、氯化钠、溴化钾和溴化钠中的至少一种，所述低熔点盐的阳离子与所述高熔点盐的阳离子相同，所述增强体包括氧化铝粉、高铝矾土、高岭土、石英粉、玻璃纤维粉、耐火泥粉、膨润土和大林砂中的一种或多种，且所述增强体的目数为400目～1250目；
(2)盐芯的制备
将步骤(1)所得的混合盐料熔化，搅拌混合，控制熔融的所述混合盐料温度超过所述水溶性无机盐熔点一定过热度，其中，一定过热度为超过熔融盐熔点15℃～25℃，停止搅拌，将熔融的所述混合盐料浇入130℃～160℃预热的金属模具中，静置一定时间后，脱模，脱模后，130℃～150℃保温炉内保温1～2小时后，随炉冷却至室温，由此方式得到所述复合盐芯。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中水溶性无机盐中低熔点盐与高熔点盐的摩尔百分比为70mol％～100mol％:0mol％～30mol％。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中烘干温度为105℃～115℃。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中烘干温度为108℃～112℃。
5.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，预热的金属模具上涂有一层石墨涂料。
6.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中静置时间为15-25s。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中静置时间为20s。
8.一种低熔点合金铸造用高强度复合盐芯，其特征在于，所述复合盐芯由权利要求1-7任意一项所述的制备方法得到。
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