CN108436032A - 一种空心消失模及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空心消失模。本发明在模具内部设置特定形状和布局的空心结构，减少了发泡材料的使用量以及透气性，在不影响其使用的前提下，得到的铸件表面增碳得以显著降低，改善了铸件的机械性能和表面性能，提高了铸件成品率。由实施例结果可知，与实心消失模相比，用本发明提供的空心消失模制备的铸件的心部增碳量和表层增碳量均明显降低。本发明还提供的一种所述空心消失模的制备方法，该方法操作简便，易于实施。
Description
技术领域
本发明涉及金属铸造模具技术领域，尤其涉及一种空心消失模及其制备方法。
背景技术
消失模铸造是泡沫塑料模采用无黏结剂干砂结合抽真空技术的实型铸造，是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。
现有技术中普遍采用发泡聚苯乙烯制作模型，然后直接埋入干砂中振动紧实并抽负压，形成EPS实体铸型。当向这种实体铸型内浇注钢水时，聚苯乙烯热解气化，钢水充满聚苯乙烯所占据的空间，冷却后形成与模型相同的铸件。然而，聚苯乙烯热解后产生的游离碳富积在铸件内部或铸件表面上形成积碳，导致加工表面因积碳缺陷而报废。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够显著降低积碳量的空心消失模及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种空心消失模，为耐火涂料层包裹的发泡材料模，其特征在于，由外至内顺次包含接触设置的边模、侧模和中间模，所述边模和侧模连接部位设置有一对圆柱体空心，所述侧模和中间模连接部位设置有一对长方体空心；
所述圆柱体空心和长方体空心分别关于同一对称面对称，所述空心消失模的轴线在对称面上；
所述圆柱体空心的轴线和空心消失模的轴线垂直；
所述圆柱体空心与对称面的最小垂直距离大于长方体空心与对称面的最大垂直距离；
所述对称分布的长方体空心边缘线无重合，相邻的圆柱体空心和长方体空心边缘线无重合。
优选的，所述圆柱体空心和长方体空心与空心消失模外表面之间的最小厚度独立地≥10mm；
所述圆柱体空心和长方体空心之间的最小厚度≥10mm；
所述对称分布的长方体空心之间的最小厚度≥20mm。
优选的，所述空心消失模外表面尺寸变化的拐角处设置有多个排气孔，所述排气孔呈圆柱状，直径≤1mm，相邻两个排气孔之间的直线距离≥20mm。
优选的，所述发泡材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚烯烃、酚醛树脂和环氧树脂中的一种或几种。
优选的，所述耐火涂料层的厚度为2～4mm。
优选的，所述耐火涂料层的组成为锆英粉、白刚玉粉、棕刚玉粉、镁橄榄石粉、镁砂粉、熟铝矾土、熟高岭土、石英粉、鳞片石墨、土状石墨、滑石粉和白垩粉中的一种或几种。
优选的，所述接触设置的方式为榫接、粘接或捆扎。
本发明还提供了一种上述技术方案所述空心消失模的制备方法，包含如下步骤：
(1)采用仿真分析软件进行空心消失模的结构设计，得到由边模、侧模和中间模构成的空心消失模模型；
(2)按照步骤(1)中的设计方案，采用发泡材料分别制作边模部件、侧模部件和中间模部件；
(3)对所述边模部件、侧模部件和中间模部件进行联接组装，得到空心消失模雏形；
(4)在所述空心消失模雏形的外表面涂覆耐火涂料层，得到空心消失模耐火雏形；
(5)将所述空心消失模耐火雏形在干砂中振动成型，得到空心消失模。
优选的，所述步骤(5)中干砂为石英砂、珠宝砂和镁橄榄砂中的一种或几种。
优选的，所述步骤(5)中振动成型的振动频率为30～100Hz，振动时间为1～15分钟，真空负压为-0.09～-0.03MPa。
本发明提供了一种空心消失模，为耐火涂料层包裹的发泡材料模，由外至内顺次包含接触设置的边模、侧模和中间模，所述边模和侧模连接部位设置有一对圆柱体空心，所述侧模和中间模连接部位设置有一对长方体空心；所述圆柱体空心和长方体空心分别关于同一对称面对称，所述空心消失模的轴线在对称面上；所述圆柱体空心的轴线和空心消失模的轴线垂直；所述圆柱体空心与对称面的最小垂直距离大于长方体空心与对称面的最大垂直距离；所述对称分布的长方体空心边缘线无重合，相邻的圆柱体空心和长方体空心边缘线无重合。本发明在模具内部设置特定形状和布局的空心结构，减少了发泡材料的使用量以及透气性，在不影响其使用的前提下，得到的铸件表面增碳得以显著降低，改善了铸件的机械性能和表面性能，提高了铸件成品率。由实施例结果可知，与实心消失模相比，用本发明提供的空心消失模制备的铸件的心部增碳量和表层增碳量均明显降低。
本发明还提供的一种所述空心消失模的制备方法，该方法操作简便，易于实施。
附图说明
图1为本发明空心消失模构造分布的局部剖视图；
图2为本发明空心消失模构造分布的俯视图；
图3为本发明空心消失模厚度限定的局部剖视图；
图4为本发明空心消失模厚度限定的俯视图；
图5为排气孔的放大图；
图6为比较例实心消失模的局部剖视图；
图7为比较例实心消失模的俯视图；
图中：1-边模，2-侧模，3-中间模，4-圆柱体空心，5-长方体空心，6-排气孔。
具体实施方式
本发明提供了一种空心消失模，为耐火涂料层包裹的发泡材料模，由外至内顺次包含接触设置的边模、侧模和中间模，所述边模和侧模连接部位设置有一对圆柱体空心，所述侧模和中间模连接部位设置有一对长方体空心；
所述圆柱体空心和长方体空心分别关于同一对称面对称，所述空心消失模的轴线在对称面上；
所述圆柱体空心的轴线和空心消失模的轴线垂直；
所述圆柱体空心与对称面的最小垂直距离大于长方体空心与对称面的最大垂直距离；
所述对称分布的长方体空心边缘线无重合，相邻的圆柱体空心和长方体空心边缘线无重合。
本发明所述空心消失模为耐火涂料层包裹的发泡材料模。在本发明中，所述发泡材料优选为聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚烯烃、酚醛树脂和环氧树脂中的一种或几种，所述聚烯烃优选为聚氯乙烯和/或聚苯乙烯。在本发明中，当所述发泡材料包含多种组分时，各组分可以按照任意的质量进行配比。在本发明具体实施例中，所述发泡材料优选为聚甲基丙烯酸甲酯材质，具有低密度、高强度、汽化速度快、发气量低以及能最大限度降低积碳量等优点。
在本发明中，所述耐火涂料层的厚度优选为2～4mm，更优选为3mm；所述耐火涂料层的组成优选为锆英粉、白刚玉粉、棕刚玉粉、镁橄榄石粉、镁砂粉、熟铝矾土、熟高岭土、石英粉、鳞片石墨、土状石墨、滑石粉和白垩粉中的一种或几种。
在本发明中，所述空心消失模中所有原料的来源均采用本领域技术人员所熟知的市售产品即可，没有任何特殊要求。
本发明所述空心消失模，由外至内顺次包含接触设置的边模、侧模和中间模。在本发明中，所述接触设置的方式优选为榫接、粘接或捆扎，更优选为粘结。本发明对所述粘结的实施方式没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的能够粘结泡沫材料的热熔胶进行粘结即可，所述粘结形成的粘结层的厚度在保证粘结效果的基础上，越薄越好，不做具体要求。
本发明所述空心消失模中，所述边模和侧模连接部位设置有一对圆柱体空心，所述侧模和中间模连接部位设置有一对长方体空心。如图1和图2所示，所述圆柱体空心和长方体空心关于同一对称面对称，所述空心消失模的轴线在对称面上，所述圆柱体空心与对称面的最小垂直距离大于长方体空心与对称面的最大垂直距离；所述对称分布的长方体空心边缘线无重合，相邻的圆柱体空心和长方体空心边缘线无重合。
如图3和图4所示，所述圆柱体空心和长方体空心与空心消失模外表面之间的最小厚度优选独立地≥10mm，更优选≥20mm；所述圆柱体空心和长方体空心之间的最小厚度优选≥10mm，更优选≥20mm；所述对称分布的长方体空心之间的最小厚度优选≥20mm，更优选≥40mm。在本发明中，所述圆柱体空心和长方体空心与空心消失模外表面之间的最小厚度具体是指空心边缘和空心消失模边缘之间的实体部分的最小厚度；所述圆柱体空心和长方体空心之间的最小厚度和所述对称分布的长方体空心之间的最小厚度具体是指空心边缘之间的实体部分的最小厚度。
本发明对上述厚度尺寸的控制能够保证空心消失模的耐压能力≥0.1MPa，避免由于耐压强度不够而导致模具坍塌。本发明对上述厚度尺寸的上限以及圆柱体空心和长方体空心自身的尺寸没有具体要求，在符合上述厚度和强度要求基础上，与相同外型的实心消失模相比，圆柱体空心和长方体空心的总空心体积优选不高于实心消失模总体积的60％。在同时满足所述厚度、强度和空心体积的要求下，优选采用厚度最小、强度最高、空心体积最大的空心消失模方案。
如图1和图2所示，所述空心消失模外表面尺寸变化的拐角处优选设置有多个排气孔。如图5所示，所述排气孔优选呈圆柱状，直径优选≤1mm，更优选≤0.5mm；相邻两个排气孔之间的直线距离优选≥20mm；所述排气孔的深度优选的不大于对应位置发泡材料最小厚度的1/3。在本发明中，所述排气孔的设置在不降低空心消失模强度的前提下，增加透气性。在本发明中，所述排气孔的数量优选通过空心消失模外表面尺寸变化处的圆周长度以及相邻两个排气孔之间的直线距离来确定；具体的可以结合本领域技术人员所掌握的常规技术知识，根据空心消失模的强度要求和透气性要求进行设置；再具体的，如可根据空心消失模外表面尺寸变化处的圆周长度，在圆周上等分设置2个、4个、6个或8个排气孔。
本发明还提供了一种上述技术方案所述空心消失模的制备方法，包含如下步骤：
(1)采用仿真分析软件进行空心消失模的结构设计，得到由边模、侧模和中间模构成的空心消失模模型；
(2)按照步骤(1)中的设计方案，采用发泡材料分别制作边模部件、侧模部件和中间模部件；
(3)对所述边模部件、侧模部件和中间模部件进行联接组装，得到空心消失模雏形；
(4)在所述空心消失模雏形的外表面涂覆耐火涂料层，得到空心消失模耐火雏形；
(5)将所述空心消失模耐火雏形在干砂中振动成型，得到空心消失模。
本发明采用仿真分析软件进行空心消失模的结构设计，得到由边模、侧模和中间模构成的空心消失模模型。本发明采用本领域技术人员所熟知的模具设计用仿真分析软件进行设计，其设计原则为同时满足上述关于厚度、强度和空心体积的要求。
得到设计方案之后，本发明按照步骤(1)中的设计方案，采用发泡材料分别制作边模部件、侧模部件和中间模部件。本发明对所述边模部件、侧模部件和中间模部件的制作方法没有特殊要求，按照本领域技术人员所熟知的常规方法进行制备即可。
本发明对所述边模部件、侧模部件和中间模部件进行联接组装，得到空心消失模雏形。在本发明中，所述联接组装的要求同上文接触设置，在此不再进行赘述。
得到空心消失模雏形后，本发明在所述空心消失模雏形的外表面涂覆耐火涂料层，得到空心消失模耐火雏形。本发明优选采用涂刷的方式设置所述耐火涂料层，所述涂刷按照本领域技术人员所熟知的常规方法进行即可，无任何的特殊要求。本发明优选在所述空心消失模雏形的外表面涂覆一层耐火涂料液，所述耐火涂料液由耐火骨料和载液组成，对耐火涂料液进行干燥，去除载液后即得到耐火涂料层。在本发明中，所述干燥按照本领域技术人员所常用的涂料干燥方法进行即可，无特殊要求。
在本发明中，所述耐火骨料优选为锆英粉、白刚玉粉、棕刚玉粉、镁橄榄石粉、镁砂粉、熟铝矾土、熟高岭土、石英粉、鳞片石墨粉、土状石墨粉、滑石粉和白垩粉中的一种或几种；所述的载液优选为水和/或醇，所述醇优选为甲醇和/或乙醇。在本发明中，所述耐火骨料和载液的质量比优选为2:(0.5～1.5)，更优选为2:(0.8～1.2)，最优选为2:(1～1.1)。
在本发明具体实施例中，所述耐火涂料液优选为水基锆英粉、水基白刚玉粉、水基镁砂粉、水基熟铝矾土、水基鳞片石墨粉和水基土状石墨粉中的一种或几种，具有价格低廉，无毒无害的优点。本发明对所述耐火骨料的粒度没有特殊要求，采用本领域技术人员所常用尺寸的耐火骨料即可。
得到空心消失模耐火雏形后，本发明将所述空心消失模耐火雏形在干砂中振动成型，得到空心消失模。在本发明中，所述干砂优选为石英砂、珠宝砂和镁橄榄砂中的一种或几种。本发明对所述干砂的来源和粒径没有特殊要求，采用本领域技术人没有所熟知的振动成型用干砂即可。
本发明对所述振动成型的实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的振动成型方法即可。在本发明中，所述振动成型的振动频率优选为30～100Hz，更优选为50～80Hz，最优选为60～70Hz；振动时间优选为1～15分钟，更需要为3～10分钟，最优选为5～8分钟；真空负压优选为-0.09～-0.03MPa，更优选为-0.07～-0.05MPa。
本发明所述空心消失模在使用时，直接从明冒口进行浇注即可，无需设置直浇道、横浇道和内浇道，提高了浇注钢水的利用率，减少了切割打磨工序。在本发明具体实施例中，本发明采用ZG230-450和ZG270-500进行浇注，所述浇注的浇注速度优选为300～900kg/min，更优选为400～800kg/min，最优选为500～600kg/min；所述浇注的温度优选为1460～1680℃，更优选为1500～1600℃，最优选为1530～1560℃。所述浇注结束之后，本发明优选将铸件在砂箱中进行冷却，将铸件温度降至600℃及以下，然后将铸件从砂箱中取出，在空气进行自然降温，以防止开箱过早导致铸件变形。
下面结合实施例对本发明提供的空心消失模及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用仿真分析软件进行空心模型的结构设计，结构设计的原则为在保障空心模型耐压能力大于0.1MPa的前提下，与相同尺寸和构造的实心消失模相比发泡材料用量降低20％。
按设计方案采用聚甲基丙烯酸甲酯发泡材料制作边模部件、侧模部件和中间模部件。
将各部件粘结组装形成铸件的空心模型。
在空心模型外表面涂刷水基锆英粉耐火涂料并烘干，得到3mm厚的耐火涂料层。
将涂刷耐火涂料的空心模型埋入干宝珠砂中振动成型，振动频率为50HZ，振动时间为3分钟，真空负压为-0.05MPa。
采用无浇注系统浇注，即直接从明冒口处浇注钢水置换白模，浇注速度为500kg/min，浇注温度控制在1580℃。
冷却处理，铸件在砂箱内冷却至600℃以下，开箱空冷至室温。
实施例2
采用仿真分析软件进行空心模型的结构设计，结构设计的原则为在保障空心模型耐压能力大于0.1MPa的前提下，与相同尺寸和构造的实心消失模相比发泡材料用量降低25％。
按设计方案采用聚甲基丙烯酸甲酯发泡材料制作边模部件、侧模部件和中间模部件。
将各部件粘结组装形成铸件的空心模型。
在空心模型外表面涂刷水基锆英粉耐火涂料并烘干，得到3mm厚的耐火涂料层。
将涂刷耐火涂料的空心模型埋入干宝珠砂中振动成型，振动频率为40HZ，振动时间为4分钟，真空负压为-0.04MPa。
采用无浇注系统浇注，即直接从明冒口处浇注钢水置换白模，浇注速度为400kg/min，浇注温度控制在1570℃。
冷却处理，铸件在砂箱内冷却至600℃以下，开箱空冷至室温。
实施例3
采用仿真分析软件进行空心模型的结构设计，结构设计的原则为在保障空心模型耐压能力大于0.1MPa的前提下，与相同尺寸和构造的实心消失模相比发泡材料用量降低30％。
按设计方案采用聚甲基丙烯酸甲酯发泡材料制作边模部件、侧模部件和中间模部件。
将各部件粘结组装形成铸件的空心模型。
在空心模型外表面涂刷水基锆英粉耐火涂料并烘干，得到3mm厚的耐火涂料层。
将涂刷耐火涂料的空心模型埋入干宝珠砂中振动成型，振动频率为30HZ，振动时间为5分钟，真空负压为-0.03MPa。
采用无浇注系统浇注，即直接从明冒口处浇注钢水置换白模，浇注速度为300kg/min，浇注温度控制在1560℃。
冷却处理，铸件在砂箱内冷却至600℃以下，开箱空冷至室温。
实施例4
采用仿真分析软件进行空心模型的结构设计，结构设计的原则为在保障空心模型耐压能力大于0.1MPa的前提下，与相同尺寸和构造的实心消失模相比发泡材料用量降低60％。
按设计方案采用聚甲基丙烯酸甲酯发泡材料制作边模部件、侧模部件和中间模部件。
将各部件粘结组装形成铸件的空心模型。
在空心模型外表面涂刷水基锆英粉耐火涂料并烘干，得到3mm厚的耐火涂料层。
将涂刷耐火涂料的空心模型埋入干宝珠砂中振动成型，振动频率为30HZ，振动时间为5分钟，真空负压为-0.03MPa。
采用无浇注系统浇注，即直接从明冒口处浇注钢水置换白模，浇注速度为200kg/min，浇注温度控制在1550℃。
冷却处理，铸件在砂箱内冷却至600℃以下，开箱空冷至室温。
比较例
采用聚甲基丙烯酸甲酯发泡材料制作实心消失模，消失模的结构示意图如图6和图7所示。
在实心模型外表面涂刷水基锆英粉耐火涂料并烘干，得到3mm厚的耐火涂料层。
将涂刷耐火涂料的实心模型埋入干宝珠砂中振动成型，振动频率为50HZ，振动时间为3分钟，真空负压为-0.05MPa。
采用无浇注系统浇注，即直接从明冒口处浇注钢水置换白模，浇注速度为500kg/min，浇注温度控制在1580℃。
冷却处理，铸件在砂箱内冷却至600℃以下，开箱空冷至室温。
本发明得到的空心消失模与比较例得到的实心消失模增碳量对比分析如表1：
表1 空心消失模与实心消失模增碳量对比分析
注：实施例1～3和比较例所得消失模的外型尺寸一致；每种牌号分别为同一包钢水浇注，默认钢水初始含碳量相同；实验用试样为相同结构铸件相同部位截取的本体试样，分别检测试样心部和表层含碳量。
由表1可以看出：采用本发明提供的空心消失模铸造生产的铸钢件，大大降低了铸钢件的增碳量，尤其是表层增碳量，改善了铸钢件的机械性能，提高了成品率。
由以上实施例可知，本发明提供了本发明提供了一种空心消失模。本发明在模具内部设置特定形状和布局的空心结构，减少了发泡材料的使用量以及透气性，在不影响其使用的前提下，得到的铸件表面增碳得以显著降低，改善了铸件的机械性能和表面性能，提高了铸件成品率。由实施例结果可知，与实心消失模相比，用本发明提供的空心消失模制备的铸件的心部增碳量和表层增碳量均明显降低。本发明还提供的一种所述空心消失模的制备方法，该方法操作简便，易于实施。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种空心消失模，为耐火涂料层包裹的发泡材料模，其特征在于，由外至内顺次包含接触设置的边模、侧模和中间模，所述边模和侧模连接部位设置有一对圆柱体空心，所述侧模和中间模连接部位设置有一对长方体空心；
所述圆柱体空心和长方体空心分别关于同一对称面对称，所述空心消失模的轴线在对称面上；
所述圆柱体空心的轴线和空心消失模的轴线垂直；
所述圆柱体空心与对称面的最小垂直距离大于长方体空心与对称面的最大垂直距离；
所述对称分布的长方体空心边缘线无重合，相邻的圆柱体空心和长方体空心边缘线无重合。
2.根据权利要求1所述的空心消失模，其特征在于，所述圆柱体空心和长方体空心与空心消失模外表面之间的最小厚度独立地≥10mm；
所述圆柱体空心和长方体空心之间的最小厚度≥10mm；
所述对称分布的长方体空心之间的最小厚度≥20mm。
3.根据权利要求1或2所述的空心消失模，其特征在于，所述空心消失模外表面尺寸变化的拐角处设置有多个排气孔，所述排气孔呈圆柱状，直径≤1mm，相邻两个排气孔之间的直线距离≥20mm。
4.根据权利要求1或2所述的空心消失模，其特征在于，所述发泡材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚烯烃、酚醛树脂和环氧树脂中的一种或几种。
5.根据权利要求1或2所述的空心消失模，其特征在于，所述耐火涂料层的厚度为2～4mm。
6.根据权利要求5所述的空心消失模，其特征在于，所述耐火涂料层的组成为锆英粉、白刚玉粉、棕刚玉粉、镁橄榄石粉、镁砂粉、熟铝矾土、熟高岭土、石英粉、鳞片石墨、土状石墨、滑石粉和白垩粉中的一种或几种。
7.根据权利要求1或2所述的空心消失模，其特征在于，所述接触设置的方式为榫接、粘接或捆扎。
8.权利要求1～7任意一项所述空心消失模的制备方法，包含如下步骤：
(1)采用仿真分析软件进行空心消失模的结构设计，得到由边模、侧模和中间模构成的空心消失模模型；
(2)按照步骤(1)中的设计方案，采用发泡材料分别制作边模部件、侧模部件和中间模部件；
(3)对所述边模部件、侧模部件和中间模部件进行联接组装，得到空心消失模雏形；
(4)在所述空心消失模雏形的外表面涂覆耐火涂料层，得到空心消失模耐火雏形；
(5)将所述空心消失模耐火雏形在干砂中振动成型，得到空心消失模。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中干砂为石英砂、珠宝砂和镁橄榄砂中的一种或几种。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中振动成型的振动频率为30～100Hz，振动时间为1～15分钟，真空负压为-0.09～-0.03MPa。
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