CN107971451A - 一种基于三元熔盐体系的可溶型芯及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明“一种基于三元熔盐体系的可溶型芯及其制备方法与应用”,属于铸造技术领域。所述可溶型芯包括三元熔盐体系、二氧化硅、硅酸;所述三元熔盐体系为水溶性三元熔盐体系,且其熔点为40‑1500℃;所述三元熔盐体系、二氧化硅、硅酸的重量份配比为:三元熔盐体系80‑99份;二氧化硅1‑20份;硅酸1‑5份。本发明的可溶型芯水溶性好,铸件质量高,可溶型芯容易清除,脱芯时间短,常温下通过水即可清除,且熔盐除去水后可重复使用,成本低,节能环保。
Description
技术领域
本发明属于铸造技术领域,特别是涉及一种基于三元熔盐体系的可溶型芯及其制备方法 与应用。
背景技术
型芯俗称“泥芯”、“芯子”。铸造时用以形成铸件内部结构,常由原砂和粘结剂(水玻璃、树脂等)配成的芯砂,在芯盒中手工或机器(如吹芯机、射芯机等)制成。
芯盒用木材或金属制成。在浇铸前装置在铸型内,金属液浇入冷凝后,出砂时将它清除, 在铸件中即可形成空腔。为增加型芯强度,通常在型芯内安置由铁丝或铸铁制成的骨架,称 “芯骨”(俗称“泥芯骨”或“芯铁”)。在金属型铸造中,常用金属制的型芯,在金属凝固 后及时拔除。在成批或大量生产较复杂的铸件(如气缸头等)、生产大型铸件时,型芯亦用以 组成铸型,即称“组芯造型”。过去常用黏土、植物油、合脂作型芯黏结剂,现已组逐步被 淘汰。现在,小批量生产铸件用自硬树脂、自硬水玻璃组作型芯黏结剂,大批量生产铸件用 热芯盒、冷芯盒、覆膜砂工艺做型芯。
型芯被应用于各个领域的零件制造中。型芯又可分为金属型芯、陶瓷型芯和可溶型芯。 对于开口小的内腔,金属型芯往往无法抽芯,而且对于深孔抽芯时容易划伤表面,或需放宽加 工余量。
陶瓷型芯能够形成形状复杂、开口细小的内腔。然而陶瓷型芯的制备过程长而复杂,成 本高,型芯从铸件脱除时,采用高温碱溶液会腐蚀铝合金铸件的表面,所以铝合金铸件不能 采用陶瓷型芯。
可溶型芯是采用能在常温下溶于溶剂的材料制成的。型芯在制模时放入压型型腔,然后 注蜡。制好的熔模放在水或溶液里把型芯除掉,形成熔模的内腔。可溶型芯的使用工艺简单, 可以制造金属型芯无法形成的内腔和避免使用金属型芯所带来的缺点。
可溶型芯按其成形方法可分成两类:浇注成形的和压注成形的。浇注成形的可溶型芯通 常是用尿素作主要原料。尿素型芯的强度高,收缩率小,但存在脆性大,吸湿性强,熔点高 和污染作业环境等缺点。压注成形的可溶性型芯使用的材料是类似半固态蜡料的可溶性混合 料。这种型芯脆性小,存放性好,型芯的尺寸精度和表面光洁度容易控制,适用于制造形状 复杂的型芯。
航天工业中所用的零件内腔尺寸精度要求严(±0.03~0.05mm),表面光洁度要求高,精 密制造中,通过机械加工,焊接成型,这样的部件质量差,效率低。而可溶性型芯可有效的 解决上述问题。可溶芯比一般砂芯的强度高,耐热性好,不发气,可降低铸件的夹砂,气孔 缺陷,导热性好,冷却快,减少局部应力的产生。低熔点合金铸造成可熔型芯,需要使用感 应线圈加热的方式熔化掉型芯,过程复杂。
因此,本领域亟需开发基于全新材料的可溶型芯,在保证尺寸精度高、表面光洁度好的 同时,方便溶解脱芯,以便能更加便捷广泛地应用于各类制造行业,尤其是航天领域。
发明内容
基于本领域存在的上述客观问题及需求,本发明的目的在于提供一种基于三元熔盐体系 的可溶型芯及其制备方法与应用。本发明所提供的可溶型芯具有很好的分散度、机械强度, 能有效的提高可溶芯的机械性能,同时由于熔盐的水溶性好,能够方便的清洗掉可溶型芯和 铸件表面残留物。
本发明的技术方案如下:
一种可溶型芯,其特征在于,包括三元熔盐体系、二氧化硅、硅酸;所述三元熔盐体系 为水溶性三元熔盐体系,且其熔点为40-1500℃;所述三元熔盐体系、二氧化硅、硅酸的重量 份配比为:三元熔盐体系80-99份;二氧化硅1-20份;硅酸1-5份。
所述三元熔盐体系包括:KNO3-NaNO3-NaNO2体系、NaNO3-KNO3-LiNO3体系、或 KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2体系。
所述二氧化硅选自纳米二氧化硅,和/或水合二氧化硅。
一种可溶型芯的制备方法,其特征在于,包括:将三元熔盐体系加热至熔融状态,形成 熔融的三元熔盐体系;将二氧化硅和硅酸添加至所述熔融的三元熔盐体系中;所述三元熔盐 体系为水溶性三元熔盐体系,且其熔点为40-1500℃;所述三元熔盐体系、二氧化硅、硅酸的 重量份配比为:三元熔盐体系80-99份;二氧化硅1-20份;硅酸1-5份。
所述制备方法还包括:将二氧化硅和硅酸添加至所述熔融的三元熔盐体系中后继续加热 保温12小时。
所述制备方法还包括:待添加了二氧化硅和硅酸的熔融的三元熔盐体系凝固后即制成所 述可溶型芯。
所述熔融的三元熔盐体系通过搅拌形成均一的熔融的三元熔盐体系;
所述加热指梯度加热至熔融状态。
所述三元熔盐体系包括:KNO3-NaNO3-NaNO2体系、NaNO3-KNO3-LiNO3体系、或 KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2体系;所述二氧化硅选自纳米二氧化硅,和/或水合二氧化硅。
所述可溶型芯和/或所述制备方法在铸造、模具领域的应用。
本发明首先提供一种可溶型芯,其包括熔盐、二氧化硅、硅酸;所述熔盐、二氧化硅、 硅酸的重量份配比为:熔盐80-99份;二氧化硅1-20份;硅酸1-5份。本发明采用熔盐作为 型芯的基体材料,主要利用熔盐在高温下具有很好的流动性,粘度低,能很好的填充芯盒内 腔结构,而在冷却后,又能凝固形成坚硬固体,且固体具有很高的强度这一特性,同时熔盐 凝固后形成的固体又能溶解于水,即基于包含熔盐的基体材料制成的型芯通过水就能达到清 除的目的。
通过加入纳米二氧化硅、硅酸、水合二氧化硅提高型芯的抗弯强度。熔盐的熔点则可以 通过调节二元熔盐和三元熔盐的组分,调节相应熔盐体系的熔点,以适应不同铸件材料的熔 点特性需求。加入纳米二氧化硅、硅酸、水合二氧化硅的好处在于可提高型芯的抗弯强度。
在具体的实施例中,所述熔盐选自单体熔盐或多元复合熔盐。
在一些优选的实施例中,所述二氧化硅选自纳米二氧化硅,和/或水合二氧化硅。
本发明的另一个方面还提供一种可溶型芯的制备方法,其特征在于,包括:将熔盐加热 至熔融状态,形成熔融的熔盐体系,将二氧化硅和硅酸添加至所述熔融的熔盐体系中;所述 熔盐为水溶性熔盐,且其熔点为40-1500℃;所述熔盐、二氧化硅、硅酸的重量份配比为:熔 盐80-99份;二氧化硅1-20份;硅酸1-5份。
在进一步的实施例中,所述制备方法还包括:将二氧化硅和硅酸添加至所述熔融的熔盐 体系中后继续加热保温12小时。
在更进一步的实施例中,所述制备方法还包括:待添加了二氧化硅和硅酸的熔融的熔盐 体系凝固后即制成所述可溶型芯。
在一些实施例中,所述熔融的熔盐体系通过搅拌形成均一的熔融的熔盐体系。
在另一些实施例中,所述加热指梯度加热至熔融状态。
在具体的实施例中,所述熔盐选自单体熔盐、二元复合熔盐、三元复合熔盐或多元复合 熔盐;
所述二氧化硅选自纳米二氧化硅,和/或水合二氧化硅;
优选地,所述单体熔盐包括单体硝酸盐、单体碳酸盐、单体硫酸盐、单体硅酸盐、或单 体氯化盐;或它们各自的含水结晶盐;
所述单体硝酸盐包括:硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸锂、或硝酸钙等;或它们各自 的含水结晶盐;例如,所述硝酸钙的含水结晶盐可以是四水硝酸钙(熔点40℃)等;
所述单体碳酸盐包括:碳酸钾(熔点891℃)、碳酸钠(熔点851℃)、或碳酸锂(熔点618℃)等;或它们各自的含水结晶盐;例如,碳酸钠的含水结晶盐可以是一水碳酸钠、七水碳酸钠、或十水碳酸钠;
所述单体硫酸盐包括:硫酸镁(熔点1124℃)、硫酸钠(熔点884℃)等;或它们各自的 含水结晶盐;例如,硫酸镁的含水结晶盐可以是七水硫酸镁;所述硫酸钠可以是十水合硫酸 钠;
所述单体硅酸盐包括:硅酸钠(熔点1089℃)、硅酸锂(熔点1255℃)、偏硅酸钠(熔点 1088℃)或二硅五氧酸钠等;或它们各自的含水结晶盐;例如,所述偏硅酸钠的含水结晶盐 可以是五水偏硅酸钠、或九水偏硅酸钠;
所述单体氯化盐包括:氯化钙(熔点782℃)、氯化钠(熔点891℃)、氯化镁(熔点1412℃) 等。或它们各自的含水结晶盐;例如,氯化镁的含水结晶盐可以是六水氯化镁(熔点714℃);
所述二元复合熔盐包括:KNO3-NaNO3体系、K2CO3-Na2CO3体系、KNO3-NaNO2体系;
所述三元复合熔盐包括:KNO3-NaNO3-NaNO2体系、NaNO3-KNO3-LiNO3体系、 KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2体系;
所述多元复合熔盐包括:KNO3-NaNO3-NaNO2-CsNO3体系、KNO3-NaNO3-NaNO2-Ca(NO3)2体系、 KNO3-NaNO3-NaNO2-LiNO3体系、KNO3-NaNO3-CsNO3-Ca(NO3)2体系、KNO3-NaNO3-LiNO3-CsNO3体 系、 Ca(NO3)2·4H2O-KNO3-NaNO3-LiNO3体系、 KNO3-NaNO3-NaNO2-CsNO3-Ca(NO3)2体系、KNO3-NaNO3-KNO2-CsNO3体系、 K2CO3-Na2CO3-NaCl-Li2CO3体系、K2CO3-Na2CO3-Li2CO3-NaCl-MgO-CaO体系。
本发明的第三个方面提供所述可溶型芯和/或所述的制备方法在铸造、模具领域的应用。
本发明可溶型芯的制备原理是利用不同体系熔盐不同的共晶点温度调整可溶型芯的凝固 温度,适用于不同温度需求。
本发明利用熔盐在高温下具有很好的流动性,粘度低,能很好的填充芯盒内腔结构,在 冷却后,固体具有很高的强度。
通过加入纳米二氧化硅、硅酸、水合二氧化硅提高型芯的抗弯强度。熔盐的熔点则可以 通过调节二元熔盐和三元熔盐的组分,调节相应熔盐体系的熔点,以适应不同铸件材料的熔 点特性需求,一般要求熔盐体系的熔点高于铸件熔点,防止芯子在铸造过程熔化,损坏或者 变形,特别适合低熔点铸件材料的铸造。并且,硅酸和水合二氧化硅由于表面有羟基基团, 能够形成氢键,粒子之前呈链状结构排列,能有效的减少熔盐在冷却过程中产生的收缩现象, 提高铸件的品质。水合二氧化硅和硅酸具有很好的分散度,机械强度,能有效的提高可溶芯 的机械性能。熔盐的水溶性好,能够方便的清洗掉可溶型芯和铸件表面残留物。
采用水溶性好的熔盐体系制作成芯,铸件的质量高,可溶型芯容易清除,常温下通过水 即可清除,且熔盐除去水后可重复使用,成本低,节能环保。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,但并不限制本发明的范围。如无 特殊说明,下述实施例中采用的操作步骤均为本领域常规操作手段,所采用的原材料均可以 商购获得。
第1组实施例:本发明的可溶型芯
本发明首先提供一种可溶型芯,其特征在于,所述可溶型芯的基体材料包括熔盐、二氧 化硅、硅酸;所述熔盐为水溶性熔盐,且其熔点为40-1500℃。本发明采用熔盐作为型芯的基 体材料,主要利用熔盐在高温下具有很好的流动性,粘度低,能很好的填充芯盒内腔结构, 而在冷却后,又能凝固形成坚硬固体,且固体具有很高的强度这一特性,同时熔盐凝固后形 成的固体又能溶解于水,即基于包含熔盐的基体材料制成的型芯通过水就能达到清除的目的。
在一些实施例中,所述基体材料还包括:所述熔盐、二氧化硅、硅酸的重量份配比为: 熔盐80-99份;二氧化硅1-20份;硅酸1-5份。
在具体的实施例中,所述熔盐选自单体熔盐、二元复合熔盐、三元复合熔盐、或多元复 合熔盐。
在一些优选的实施例中,所述二氧化硅选自纳米二氧化硅,和/或水合二氧化硅。
在更具体的一些实施例中,所述单体熔盐包括单体硝酸盐、单体碳酸盐、单体硫酸盐、 单体硅酸盐、或单体氯化盐;或它们各自的含水结晶盐;
所述单体硝酸盐包括:硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸锂、或硝酸钙等;或它们各自 的含水结晶盐;例如,所述硝酸钙的含水结晶盐可以是四水硝酸钙(熔点40℃)等;
所述单体碳酸盐包括:碳酸钾(熔点891℃)、碳酸钠(熔点851℃)、或碳酸锂(熔点618℃)等;或它们各自的含水结晶盐;例如,碳酸钠的含水结晶盐可以是一水碳酸钠、七水碳酸钠、或十水碳酸钠;
所述单体硫酸盐包括:硫酸镁(熔点1124℃)、硫酸钠(熔点884℃)等;或它们各自的 含水结晶盐;例如,硫酸镁的含水结晶盐可以是七水硫酸镁;所述硫酸钠可以是十水合硫酸 钠;
所述单体硅酸盐包括:硅酸钠(熔点1089℃)、硅酸锂(熔点1255℃)、偏硅酸钠(熔点 1088℃)或二硅五氧酸钠等;或它们各自的含水结晶盐;例如,所述偏硅酸钠的含水结晶盐 可以是五水偏硅酸钠、或九水偏硅酸钠;
所述单体氯化盐包括:氯化钙(熔点782℃)、氯化钠(熔点891℃)、氯化镁(熔点1412℃) 等。或它们各自的含水结晶盐;例如,氯化镁的含水结晶盐可以是六水氯化镁(熔点714℃);
所述二元复合熔盐包括:KNO3-NaNO3体系(熔点220℃)、K2CO3-Na2CO3体系、KNO3-NaNO2体系(熔点130℃);
所述三元复合熔盐包括:KNO3-NaNO3-NaNO2体系(熔点142℃)、NaNO3-KNO3-LiNO3体系(熔点126℃)、KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2体系(熔点120℃);
所述多元复合熔盐包括:KNO3-NaNO3-NaNO2-CsNO3体系、KNO3-NaNO3-NaNO2-Ca(NO3)2体系、 KNO3-NaNO3-NaNO2-LiNO3体系(熔点250-550℃)、KNO3-NaNO3-CsNO3-Ca(NO3)2体系、 KNO3-NaNO3-LiNO3-CsNO3体系、Ca(NO3)24H2O-KNO3-NaNO3-LiNO3体系、 KNO3-NaNO3-LiNO3-Ca(NO3)2体系、
KNO3-NaNO3-NaNO2-CsNO3-Ca(NO3)2体系、KNO3-NaNO3-KNO2-CsNO3体系、 K2CO3-Na2CO3-NaCl-Li2CO3体系、K2CO3-Na2CO3-Li2CO3-NaCl-MgO-CaO体系;
本文中记载的各项化学式、各类化学物质的中文名称都具有化学领域普通技术人员通常 理解的含义;各项化学式指代的是化学领域普通技术人员常规理解的该化学式对应的化学物 质;各类化学物质则相应地具有化学领域普通技术人员常规理解的该化学物质对应的规范的 化学式。
上述各类型熔盐中,尤其是二元、三元、多元复合熔盐,它们的熔点随各自体系中的各 单体组分量的变化而变化,但总体上各种熔盐的熔点范围处于40-1500℃。
上述实施例中,所述二元复合熔盐的具体体系配方记载于中国专利ZL201310731924、 ZL201310732781、ZL201310733403、ZL201310733405以及中国专利申请CN201310732738 中;
所述三元复合熔盐的具体体系配方记载于中国专利ZL201310029569、ZL201310732785 和中国专利申请CN201310040070中;
所述多元复合熔盐的具体体系配方记载于中国专利ZL201310053597、ZL201310731924、 ZL201310732816、ZL201310731910及中国专利申请CN201310040909中。
本发明更具体的一些实施例所提供的可溶型芯的配方如下表1所示:
表1
本文中记载的各项化学式、各类化学物质的中文名称都具有化学领域普通技术人员通常 理解的含义;各项化学式指代的是化学领域普通技术人员常规理解的该化学式对应的化学物 质;各类化学物质则相应地具有化学领域普通技术人员常规理解的该化学物质对应的规范的 化学式。
第2组实施例:本发明可溶型芯的制备方法
本发明的另一个方面还提供一种可溶型芯的制备方法,其特征在于,包括:将熔盐加热 至熔融状态,形成熔融的熔盐体系,将二氧化硅和硅酸添加至所述熔融的熔盐体系中。
在进一步的实施例中,所述制备方法还包括:将二氧化硅和硅酸添加至所述熔融的熔盐 体系中后继续加热保温12小时。
在更进一步的实施例中,所述制备方法还包括:待添加了二氧化硅和硅酸的熔融的熔盐 体系凝固后即制成所述可溶型芯。
在一些实施例中,所述熔盐、二氧化硅、硅酸的重量份配比为:熔盐80-99份;二氧化 硅1-20份;硅酸1-5份;
所述熔融的熔盐体系通过搅拌形成均一的熔融的熔盐体系。
在另一些实施例中,所述加热指梯度加热至熔融状态。
在具体的实施例中,所述熔盐为单体熔盐四水硝酸钙;所述二氧化硅选自纳米二氧化硅, 和/或水合二氧化硅。
第3组实施例:本发明可溶型芯的应用
本发明的第三个方面提供第1组实施例任一项方案所述的可溶型芯和/或第2组实施例任 一项方案提供的制备方法在铸造、模具方面的应用。任何规模地出于商业目的制造、使用、 销售、许诺销售本发明所述的可溶型芯、和/或,使用本发明所述的制备方法的行为,均落入 本发明请求保护的范围。
在本组所有的实施例中,都具有如下共同特征:将本发明第1组实施例任一项方案所述 的可溶型芯放入商品包装内,和/或,所述可溶型芯上标记有商品编号、批次、商标和/或商品 名。
实验例、本发明可溶型芯与现有可溶型芯的性能对比
制备过程:
(1)按上述实施例表1提供的配方先将熔盐放入刚玉坩埚内,混合搅拌;
(2)将混合后的熔盐置于烘箱中,搅拌状态下梯度加热至熔融状态后,继续搅拌,使熔盐 成为均一熔融的液体体系;
(3)根据上述实施例表1记载的配比,取一定比例的纳米二氧化硅、硅酸、水合二氧化硅 加入到液态的熔融盐液体中,继续在所述熔点温度加热保温12小时。
(4)在不同温度条件下,观察混合样品的熔化情况和粘度特性,这一步的作用是根据观察 到的样品熔化情况和粘度特性,初步确定熔融样品流入模具的时间,是否能均匀的充满模具。
(5)冷却后制得本发明的型芯,并按本领域常规检测方法测定型芯的各项性能指标,同 时测定2种现有的可溶型芯的相同性能指标,测得结果如下表2所示。
表2
需要特别说明的是:在表1的实施例1-361所代表的本发明可溶型芯产品中,只有和实 施例143、实施例294对应配方获得的型芯产品的脱芯时间分别为8分钟和10分钟,实施例 34和57的型芯产品的吸湿率分别为0.1%和0.15%,其它实施例的可溶型芯的脱芯时间均在 2-7分钟之间,吸湿率在0.06%-0.08%之间。
上表2中,各项性能指标对应的单位是型芯领域普通技术人员通常理解并常规知晓的, 并且上述各项性能指标的测试方法为本领域常规测试手段;上表2中,现有可溶型芯A为市 售的某品牌、某批次可溶型芯产品;现有可溶型芯B为《M-84可溶型芯混合料的研究》一文 披露的具有最优性能的可溶型芯。由于本文的表1仅仅是例举性地罗列了数百种本发明的可 溶型芯方案,而本发明请求保护的可溶型芯远不止这些,因此相应地,各具体的可溶型芯对 应的性能数据也均不相同,但各项指标都能达到上表2第2行所记载的数据范围所表征的性 能水平,出于节约篇幅的考虑,本文不再穷尽式地例举表1以外其它各项具体可溶型芯方案, 也不在此一一罗列各项可溶型芯的单独的性能数值。
Claims (10)
1.一种可溶型芯,其特征在于,包括三元熔盐体系、二氧化硅、硅酸;所述三元熔盐体系为水溶性三元熔盐体系,且其熔点为40-1500℃;
所述三元熔盐体系、二氧化硅、硅酸的重量份配比为:三元熔盐体系80-99份;二氧化硅1-20份;硅酸1-5份。
2.根据权利要求1所述的可溶型芯,其特征在于,所述三元熔盐体系包括:KNO3-NaNO3-NaNO2体系、NaNO3-KNO3-LiNO3体系、或KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2体系。
3.根据权利要求1所述的可溶型芯,其特征在于,所述二氧化硅选自纳米二氧化硅,和/或水合二氧化硅。
4.一种可溶型芯的制备方法,其特征在于,包括:将三元熔盐体系加热至熔融状态,形成熔融的三元熔盐体系;将二氧化硅和硅酸添加至所述熔融的三元熔盐体系中;
所述三元熔盐体系为水溶性三元熔盐体系,且其熔点为40-1500℃;
所述三元熔盐体系、二氧化硅、硅酸的重量份配比为:三元熔盐体系80-99份;二氧化硅1-20份;硅酸1-5份。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,还包括:将二氧化硅和硅酸添加至所述熔融的三元熔盐体系中后继续加热保温12小时。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法,其特征在于,还包括:待添加了二氧化硅和硅酸的熔融的三元熔盐体系凝固后即制成所述可溶型芯。
7.根据权利要求4-6任一所述的制备方法,其特征在于,所述熔融的三元熔盐体系通过搅拌形成均一的熔融的三元熔盐体系。
8.根据权利要求4或5所述的制备方法,其特征在于,所述加热指梯度加热至熔融状态。
9.根据权利要求4-7任一所述的制备方法,其特征在于,所述三元熔盐体系包括:KNO3-NaNO3-NaNO2体系、NaNO3-KNO3-LiNO3体系、或KNO3-NaNO3-Ca(NO3)2体系;
所述二氧化硅选自纳米二氧化硅,和/或水合二氧化硅。
10.权利要求1-3任一所述的可溶型芯和/或权利要求4-9任一所述的制备方法在铸造、模具领域的应用。
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