CN108031788B - 一种铝合金铸造高导热复合砂芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铝合金铸造复合砂芯，包括40目~140目铁粉10%~50%，40目~140目石灰石砂10%~20%，40目~140目锆砂5%~10%，余量为40目~70目擦洗砂，以质量百分比计。本发明通过改进砂芯配方来调控铸型的冷却速度，将多种铸型材料，如铁、石灰石砂、锆砂等与造型原砂（擦洗砂）进行精确复合，制备成砂芯，造型时镶嵌与铸型中，改变铸型局部导热系数，重构铸型温度场，实现复杂铸件分散热节区域的顺序凝固，提高铸件补缩能力，细化晶粒，抑抑制疏松缺陷。
Description
技术领域
本发明属于铝合金铸造技术领域，具体涉及一种铝合金铸造高导热复合砂芯及其制备方法。
背景技术
铸造铝合金是一种典型的铸造轻合金，密度小、比强度高，广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、汽车等领域。随着装备构件轻量化的发展，铝合金铸件的结构设计趋于复杂，分散热节多，普通砂型铸造工艺难度大，异形复杂型腔冷铁安置难度大，热节周边的薄壁部位凝固速度快，易阻断孤立热节的补缩通道，铸件异形分散热节处内部质量超标严重，合格率低。
铝合金砂型铸造造型原砂普遍采用硅砂(擦洗砂)，SiO2≥90％，热导率1.59W/m·K，成本低。目前形状规则的热节普遍采用冷铁提高其凝固速度，改善内部质量，但对于复杂铝合金铸件的异形或曲面分散热节，冷铁设置困难，采用普通砂型冷却能力不足，在铸件异形热节部位易出现缩孔、疏松等缺陷，且晶粒粗大，力学性能不稳定。
发明内容
本发明提供一种铝合金铸造高导热复合砂芯及其制备方法，提高复杂铝合金铸件异形分散热节的凝固速度，细化晶粒，抑制疏松倾向，尤其适用于加工异型/曲面、薄壁等特殊结构。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种铝合金铸造复合砂芯，包括40目～140目铁粉10％～50％，40目～140目石灰石砂10％～20％，40目～140目锆砂5％～10％，余量为40目～70目擦洗砂，以质量百分比计。
上述复合砂芯采用黏结剂，黏结剂为酚脲烷树脂，树脂组份I加入量为复合砂芯重量的0.5％～1.2％，树脂组份II加入量为复合砂芯重量的0.4％～1.0％，固化剂加入量为树脂总重量的0.8％～1.5％。本发明发气量少、硬化时间可调、并能保证强度。
当浇注Al-Mg合金铸件时，复合砂芯中加入阻燃剂，阻燃剂组分及质量百分比为氟硼酸钾0.5％～0.8％，硫磺粉0.4％～0.7％。氟硼酸钾和硫磺粉的粒度为100目～200目。保证各组分均匀、分散；并防止熔体氧化，减少夹杂缺陷。
上述砂芯制备方法为：先将酚脲烷树脂固化剂加入组份I中，混合均匀，备用；按比例加入擦洗砂、铁粉、石灰石砂、锆砂，浇注Al-Mg合金铸件时还需加入氟硼酸钾和硫磺粉，搅拌均匀；分批加入酚脲烷树脂组份II，催化剂与组份I的混合溶液，搅拌均匀后，将混合粉料置于砂芯模具中，自然硬化1h～2h，造型时将砂芯镶嵌与铸型中。本发明使铸件凝固时提高分散热节的冷却速度，抑制疏松缺陷。
上述砂芯用于铝合金铸件上尺寸为10mm～25mm的异形分散热节。提高异形热节的凝固速度，细化晶粒，抑制疏松缺陷。铸件分散热节处的内部疏松度达到1级。
有益效果
本发明通过改进砂芯配方来调控铸型的冷却速度，将多种铸型材料，如铁、石灰石砂、锆砂等与造型原砂(擦洗砂)进行精确复合，制备成砂芯，造型时镶嵌与铸型中，改变铸型局部导热系数，重构铸型温度场，实现复杂铸件分散热节区域的顺序凝固，提高铸件补缩能力，细化晶粒，抑抑制疏松缺陷。
附图说明
图1不同配方的复合砂芯浇注时离界面5mm处砂芯的时间-温度曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
本实施例为铝-硅系ZL114A异形壳体铸件，分散孤立热节厚度为12mm，尺寸为50mm×50mm热节周围为6mm均匀壁厚，热节与壁厚连接处斜面均匀过渡。工艺为砂型重力浇注，复合砂芯的组分及质量百分比为铁粉(40目～70目)20％，石灰石砂(40目～70目)10％，锆砂(70目～140目)6％，其余为擦洗砂(40目～70目)。砂芯黏结剂为酚脲烷树脂，树脂组份I加入量为砂重量的0.6％，树脂组份II加入量为砂重量的0.8％，固化剂加入量为树脂总重量的1.0％。树脂组分I为苯基醚酚醛树脂，树脂组分II为聚异氰脂酸，固化剂为液体叔胺。
砂芯制备方法为：先将酚脲烷树脂固化剂加入组份I中，混合均匀，备用。按上述比例加入擦洗砂、铁粉、石灰石砂、锆砂，搅拌均匀。分批加入酚脲烷树脂组份II，固化剂与组份I的混合溶液，搅拌均匀后，置于砂芯模具中，自然硬化1.8h，取出砂芯，铸型造型时，将砂芯镶嵌于壳体铸件分散热节处。将熔化并精炼好的ZL101A熔体浇入铸型中，浇注温度为720℃。
壳体铸件经X射线探伤检查，铸件分散孤立热节处的内部疏松度达到1级，铸件热节部位本体力学性能抗拉强度Rm≥265Mpa，断后伸长率A≥4.0％。
实施例2
本实施例为铝-铜系ZL205A舱体铸件，内部加强筋板热节尺寸为18mm，周围壁厚5mm，热节与其它部位曲面过渡。工艺为砂型重力浇注，复合砂芯的组分及质量百分比为铁粉(70目～140目)35％，石灰石砂(70目～140目)15％，锆砂(40目～70目)8％，其余为擦洗砂(40目～70目)。砂芯黏结剂为酚脲烷树脂，树脂组份I加入量为砂重量的0.8％，树脂组份II加入量为砂重量的0.6％，固化剂加入量为树脂总重量的1.2％。树脂组分I为苯基醚酚醛树脂，树脂组分II为聚异氰脂酸，固化剂为液体叔胺。
砂芯制备方法为：先将酚脲烷树脂固化剂加入组份I中，混合均匀，备用。按上述比例加入擦洗砂、铁粉、石灰石砂、锆砂，搅拌均匀。分批加入酚脲烷树脂组份II，固化剂与组份I的混合溶液，搅拌均匀后，置于砂芯模具中，自然硬化1.5h，取出砂芯，铸型造型时，将砂芯镶嵌于舱体铸件加强筋热节处。将熔化并精炼好的ZL205A熔体浇入铸型中，浇注温度为700℃。
舱体铸件经X射线探伤检查，加强筋板根部曲面热节处的内部疏松度为1级，铸件热节部位本体力学性能抗拉强度Rm≥420Mpa，断后伸长率A≥8.5％。
实施例3
本实施例为铝-镁系ZL305异形箱体铸件，孤立曲面热节最高厚度为22mm，其余为曲面均匀过渡至厚度为8mm，热节尺寸35mm×60mm。工艺为砂型低压铸造，复合砂芯的组分及质量百分比为铁粉(40目～70目)45％，石灰石砂(70目～140目)18％，锆砂(70目～140目)8％，氟硼酸钾(200目)0.6％，硫磺粉(200目)0.5％，其余为擦洗砂(40目～70目)。砂芯黏结剂为酚脲烷树脂，树脂组份I加入量为砂重量的0.9％，树脂组份II加入量为砂重量的1.0％，固化剂加入量为树脂总重量的1.2％。树脂组分I为苯基醚酚醛树脂，树脂组分II为聚异氰脂酸，固化剂为液体叔胺。
砂芯制备方法为：先将酚脲烷树脂固化剂加入组份I中，混合均匀，备用。按上述比例加入擦洗砂、铁粉、石灰石砂、锆砂、氟硼酸钾、硫磺粉，搅拌均匀。分批加入酚脲烷树脂组份II，固化剂与组份I的混合溶液，搅拌均匀后，置于砂芯模具中，自然硬化1.2h，取出砂芯，铸型造型时，将砂芯镶嵌于箱体铸件凸台处。将熔化并精炼好的ZL305熔体浇入铸型中，浇注温度为680℃，浇注压力为0.15MPa，箱体铸件经X射线探伤检查，孤立曲面热节处的内部疏松度达到1级，热节部位本体力学性能抗拉强度Rm≥280Mpa，断后伸长率A≥10.0％。
图1为不同配方的复合砂芯浇注时离界面5mm处砂芯的时间-温度曲线
图中：1#砂芯的组分及质量百分比为铁粉(40目～70目)45％，石灰石砂(70目～140目)18％，锆砂(70目～140目)8％，氟硼酸钾(200目)0.6％，硫磺粉(200目)0.5％，其余为擦洗砂(40目～70目)。(实施例3中的组分)
2#砂芯的组分及质量百分比为铁粉(70目～140目)35％，石灰石砂(70目～140目)15％，锆砂(40目～70目)8％，其余为擦洗砂(40目～70目)。(实施例2中的组分)
3#砂芯的组分及质量百分比为铁粉(40目～70目)20％，石灰石砂(40目～70目)10％，锆砂(70目～140目)6％，其余为擦洗砂(40目～70目)。(实施例1中的组分)
4#砂芯组分及质量百分比为擦洗砂(40目～70目)100％。
试验中四种砂芯的粘结剂均为酚脲烷树脂，树脂组份I加入量为砂重量的0.8％，树脂组份II加入量为砂重量的0.6％，固化剂加入量为树脂总重量的1.2％。溶体浇注温度为720℃，测试离界面5mm处砂芯的时间-温度曲线。
从图中可以看出，普通砂芯(4#砂芯)传热慢，温度上升趋势缓慢，冷却效果差，1～3#复合砂芯热导率高，温度上升速度较快，冷却速度较普通砂芯明显提高。
Claims (2)
1. 一种铝合金铸造用复合砂芯，包括40目~140目铁粉10%~50%，40目~140目石灰石砂10%~20%，40目~140目锆砂5%~10%，余量为40目~70目擦洗砂，以质量百分比计；采用黏结剂，黏结剂为酚脲烷树脂，树脂组份Ⅰ加入量为复合砂芯重量的0.5%~1.2%，树脂组份Ⅱ加入量为复合砂芯重量的0.4%~1.0%，固化剂加入量为树脂总重量的0.8%~1.5%；铸件为Al-Mg合金铸件，所述复合砂芯中加入阻燃剂，阻燃剂组分及质量百分比为氟硼酸钾0.5%~0.8%，硫磺粉0.4%~0.7%；氟硼酸钾和硫磺粉的粒度为100目~200目； 所述的铝合金铸造复合砂芯的制备方法，包括以下步骤：先将酚脲烷树脂固化剂加入组份I中，混合均匀，备用；按比例加入擦洗砂、铁粉、石灰石砂、锆砂，浇注Al-Mg合金铸件时还需加入氟硼酸钾和硫磺粉，搅拌均匀；分批加入酚脲烷树脂组份Ⅱ，固化剂与组份I的混合溶液，搅拌均匀后，将混合粉料置于砂芯模具中，自然硬化1h~2h，造型时将砂芯镶嵌于铸型中。
2.如权利要求1所述的铝合金铸造用复合砂芯在具有10mm~25mm的异形/曲面分散热节的铝合金铸件的制备中的应用。
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