CN108213324B - 一种高精度铸造覆膜砂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度铸造覆膜砂及其制备方法，属于金属铸造技术领域。该覆膜砂含有如下重量百分比的成分：液态酚醛树脂2.5±1%，乌洛托品0.3±0.1%，硬脂酸钙0.15±0.1%，氧化铁4±1%，锂辉石4±1%，片状云母4±1%，剩余为硅砂；所述硅砂为充分发生α‑β相变的焙烧砂。本发明获得的覆膜砂不仅具有常规覆膜砂的所需性能，而且膨胀系数和耐热时间均达到含宝珠砂的特种覆膜砂水准，成本却大大低于特种覆膜砂，可以切实满足尺寸精度要求较高的铸件铸造要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸造用砂，尤其是一种高精度铸造覆膜砂，同时涉及相应的制备方法，属于金属铸造技术领域。
背景技术
壳模铸造线使用的常规覆膜砂膨胀系数较高、耐热时间较短，因此容易产生铸件表面脉纹、砂型浇注过程中开裂、铸件局部位置变形等缺陷，难以满足尺寸精度要求较高的铸件铸造要求。为此，铸造行业引入了加入25-30％的宝珠砂的特种覆膜砂。虽然特种覆膜砂基本可以满足尺寸精度要求较高的铸造要求，但砂型的生产成本会提高40-50％。
检索可知，申请号为201110039086.5的中国专利公开了一种覆膜砂，各组分以重量计配比为：树脂2.1％、偶联剂0.05％、乌洛托品0.25％、硬脂酸钙0.126％、氧化铁红0.08％、铁砂8％，余量为硅砂。该技术方案实质上利用氧化铁红及铁砂的加入延缓和阻止砂型的发起进入铁水，从而避免铸件出现气孔：既利用铁砂的加入加大型芯的蓄热能力，从而加快铸件的凝固，率先在铸件表面结壳，避免型芯产生的气体进入铸件；借助氧化铁的加入，利用氧化铁在浇注过程中被加热形成玻璃质，玻璃质被压在砂界面的平面上，因而降低了热透气性，阻止气孔的形成。试验表明，这些单纯的物理措施对于增强砂型的热强度和热塑性作用不大，因此不能有效阻止砂型受热冲击而发生体积膨胀，不具有降低砂型变形量和增加耐热时间的效果。
此外，申请号为201510229014.5的中国专利公开了一种成型好低膨胀的铸造覆膜砂，由下列重量份的原料制成：石英砂75-80、热塑性酚醛树脂5-6.5、硬脂酸钙0.3-0.4、锂辉石4-7、石墨11-15、氧化铁1.5-2.5、氯化石蜡2.5-4、环聚二甲基硅氧烷0.8-1.5、乌洛托品0.8-1.1、水2.5-3.5、增效剂5-7；所述增效剂由以下重量份的原料制备而成：硅油3-4、醋酸乙酯2.5-3.5、氮化硼4-5、碳纤维3-4、陶土19-23、糠醇树脂4-5、尿素1-1.5、苯磺酸0.1-0.3、硫酸亚铁2-3、滑石粉2-3、草木灰5-7、锆英粉10-13；制备方法如下：将草木灰浸泡在水中1-1.5小时，然后加入氮化硼、碳纤维、陶土、硫酸亚铁、滑石粉、锆英粉混合30-40分钟，再加入硅油、醋酸乙酯，放入混砂机中湿混40-60秒，加热至120℃-140℃，加入其余剩余成分，继续混碾60-80秒，出砂后烘干，最后粉碎成 200-250目。该技术方案本质是通过特殊工艺制作成增效剂改良覆膜砂的散热性能和流动性，使做出来的砂型表面质量无射松等缺陷，同时辅以添加石墨、环聚二甲基硅氧烷来降低膨胀率。但由于未改变硅砂的组织结构，因此提升耐热时间、抵制砂型膨胀的效果也不够理想。
发明目的
本发明的目的在于：在不增加宝珠砂之类特种砂的情况下，通过增加部分辅料及科学的工艺方法，得到膨胀系数明显降低、且耐热时间显著长，而成本经济的高精度铸造覆膜砂，从而切实满足尺寸精度要求较高的铸件铸造要求，并显著降低成本。
为了达到上述目的，本发明的高精度铸造覆膜砂含有如下重量百分比的成分：
液态酚醛树脂2.5±1％，乌洛托品0.3±0.1％，硬脂酸钙0.15±0.1％，铁的氧化物4±1％，锂辉石4±1％，剩余为硅砂；所述硅砂为充分发生α-β相变的焙烧砂。
本发明的覆膜砂制备包括以下具体步骤：
第一步、将硅砂加热至620±20℃焙烧4-6小时，使之充分发生α-β相变成为焙烧砂；
第二步、待焙烧砂温降低至100℃，与铁的氧化物、锂辉石混合搅拌均匀；
第三步、加入液态酚醛树脂后，搅拌1-2min，再加入乌洛托品，搅拌6-9min；
第四步、加入硬脂酸钙，搅拌0.5-1min。
研究表明，常规覆膜砂膨胀系数较高的主要原因是其中的硅砂膨胀系数高，本发明采用硅砂焙烧相变形成的焙烧砂，由于硅砂α-β相变后膨胀系数大大降低，且耐热时间明显延长，因此获得的覆膜砂，不仅具有常规覆膜砂的所需性能，而且膨胀系数和耐热时间均达到含宝珠砂的特种覆膜砂水准，成本却大大低于特种覆膜砂，可以切实满足尺寸精度要求较高的铸件铸造要求。更具体而言，本发明除着眼于对硅砂进行改性、从根本上降低覆膜砂膨胀量的同时，还合理加入添加物，提高覆膜砂的热塑性，同时抵制膨胀和提高耐热时间，其中锂辉石在金属浇注过程中，无膨胀甚至是负膨胀，且其强助熔作用使硅砂砂粒表面键合在一起，可以提高砂型的热塑性；粉末状的铁氧化物附着在硅砂表面，受热时反应生成铁橄榄石，在砂粒之间形成桥连接，这种连接变形随着温度的升高可以有效增加砂型的热塑性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中硅砂发生α-β相变示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的的高精度铸造覆膜砂含有如下重量百分比的成分：液态酚醛树脂2.6％，乌洛托品0.4％，硬脂酸钙0.1％，四氧化三铁3％，锂辉石5％，剩余为硅砂；其中的硅砂为经640℃焙烧6小时充分发生α-β相变的焙烧砂。
其制备具体步骤如下：
第一步、将硅砂加热至620℃焙烧6小时，使之充分发生α-β相变成为焙烧砂(参见图1)；
第二步、待焙烧砂温降低至100℃，与四氧化三铁、锂辉石混合搅拌均匀；
第三步、加入液态酚醛树脂后，搅拌1min，再加入乌洛托品，搅拌6min；
第四步、加入硬脂酸钙，搅拌0.5min。
与201110039086.5的技术方案相比，虽然都加入了铁的氧化物，但是利用的是使其不同性能克服现有技术的缺陷。本实施例四氧化三铁利用其可以增加砂型热强度和热塑性——因为这些粉末状的铁的氧化物会附着在硅砂表面，受热时反应生成铁橄榄石，在砂粒之间形成桥连接，随着温度的升高，其连接变形将显著增加砂型的热塑性，同时阻止砂型受热冲击而发生体积膨胀，从而大大降低砂型变形量、增加耐热时间。同时本实施例加入了锂辉石，在金属浇注过程中，其强助熔作用使硅砂砂粒表面键合在一起，进一步提高砂型的热塑性。
与201510229014.5的技术方案相比，本实施例降低膨胀量的机理本质上完全不同。前者增加石墨、环聚二甲基硅氧烷，仅仅是通过浇注过程中石墨、环聚二甲基硅氧烷燃烧，在砂型中形成空隙，来容纳高温时硅砂的膨胀，阻止砂型变形，然而石墨等材料的燃烧会产生大量气体，成为铸件产生气孔缺陷的新成因。本实施例则着眼于主原料硅砂的组织结构，将其加热到一定温度并保温使硅砂发生相变，显著降低其受热的膨胀量。因为常温下的β石英呈四面体，当加热至573℃时转变为α石英，转变时四面体的连接伸直使砂子的体积增大。
将本实施例的覆膜砂与特种、常规以及背景技术中的其它覆膜砂对比试验数据如下：
| 序号 | 覆膜砂 | 膨胀系数 | 耐热时间/S | 成本/元 |
| 1 | 特种覆膜砂(宝珠砂加入量25％) | 0.94％ | 97 | 1200 |
| 2 | 特种覆膜砂(宝珠砂加入量30％) | 0.91％ | 102 | 1300 |
| 3 | 常规覆膜砂 | 1.5％ | 72 | 790 |
| 4 | 201110039086.5技术方案 | 1.32％ | 102 | 820 |
| 5 | 201510229014.5技术方案 | 1.21％ | 89 | 860 |
| 6 | 本实施例覆膜砂 | 0.92％ | 120 | 825 |
由此可见，本实施例的膨胀和耐热指标不仅远远优于常规覆膜砂，而且明显优于现有专利技术方案，可以完全达到、甚至超过特种覆膜砂的指标，而成本大大降低。
实施例二
本实施例的的高精度铸造覆膜砂含有如下重量百分比的成分：液态酚醛树脂2.4％，乌洛托品0.2％，硬脂酸钙0.2％，氧化铁(三氧化二铁)5％，锂辉石3％，片状云母4％剩余为硅砂；其中的硅砂为经680℃焙烧4小时充分发生α-β相变的焙烧砂。
其制备具体步骤如下：
第一步、将硅砂加热至680℃焙烧4小时，使之充分发生α-β相变成为焙烧砂；
第二步、待焙烧砂温降低至100℃，与氧化铁(三氧化二铁)、锂辉石、片状云母混合搅拌均匀；
第三步、加入液态酚醛树脂后，搅拌1.5min，再加入乌洛托品，搅拌8min；
第四步、加入硬脂酸钙，搅拌1min。
本实施例的覆膜砂除具有常规覆膜砂常温抗弯强度4.3Mpa、灼烧减量2.7％等所需性能外，其它性能与实施例一基本相同，也十分适合铸造高尺寸精度要求的铸件。不同之处是，添加物除了锂辉石、氧化铁，还加入了片状云母，片状云母受热无膨胀，晶体结构保持相对稳定，并且保持有一定的弹性和挠曲性，可以进一步从根本上来降低砂型的膨胀系数。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种高精度铸造覆膜砂，其特征在于含有如下重量百分比的成分：
液态酚醛树脂2.5±1%，乌洛托品0.3±0.1%，硬脂酸钙0.15±0.1%，铁的氧化物4±1%，锂辉石4±1%，片状云母4±1%，剩余为硅砂；所述硅砂为加热至620±20℃焙烧4-6小时充分发生α-β相变的焙烧砂；
所述α-β相变为常温下呈四面体的β石英，加热至573℃时转变为四面体的连接伸直使砂子的体积增大的α石英。
2.根据权利要求1所述的高精度铸造覆膜砂，其特征在于：所述铁的氧化物为四氧化三铁。
3.根据权利要求1所述的高精度铸造覆膜砂，其特征在于：所述铁的氧化物为三氧化二铁。
4.如权利要求1至3任一所述高精度铸造覆膜砂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步、将硅砂加热至620±20℃焙烧4-6小时，使之充分发生α-β相变成为焙烧砂；
第二步、待焙烧砂温降低至100℃，与铁的氧化物、锂辉石、片状云母混合搅拌均匀；
第三步、加入液态酚醛树脂后，搅拌1-2min，再加入乌洛托品，搅拌6-9min；
第四步、加入硬脂酸钙，搅拌0.5-1min。
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