CN108555226B - 一种水溶型芯的添加剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种水溶型芯的添加剂的制备方法，属于铸造技术领域。本发明的所述方法为分别将水溶性高分子材料及水溶性无机盐溶于水，然后将其混合并测定其pH值，然后采用滴定管滴入有机酸，调节混合溶液的pH值为7，即得添加剂。本发明的添加剂中加入了有机高分子材料，可使水溶型芯获得较高的初始强度；有机酸用于调节pH值，解决了微滴喷射喷头使用寿命短的问题，水溶性无机盐用于型芯的粘结剂，增加了强度。

Description

一种水溶型芯的添加剂的制备方法
技术领域
本发明属于铸造技术领域，具体来说是一种水溶型芯的添加剂的制备方法。
背景技术
在汽车、工程机械以及航空航天领域存在大量带有复杂内腔及弯曲孔道的铝合金铸件。这些复杂的铝合金铸件可采用内置金属芯、树脂砂芯以及水溶型芯的方式生产。由于金属芯制芯工艺复杂，且采用化学除芯易造成环境污染，这促使综合性能优异的有机树脂砂芯被大量应用于此类铸件的生产。然而随着工艺技术的发展，铝合金铸件的成型温度降低，原本易溃散的有机树脂砂芯的溃散性能减弱，同时在浇铸过程中会产生有毒有害气体，且旧砂再生存在污水治理困难、能耗高或砂粒破碎严重等问题。因此，具有高效水溶溃散性能和优异环境友好特性的水溶型芯在带有复杂内腔及弯曲孔道的铝合金铸件生产中有着广泛的应用前景。
目前，水溶型芯的生产主要有压制烧结法、流态浇注法等成形方法。压制烧结法主要是将制备型芯的原料进行混合后，在型芯模具中压制成形，然后在一定温度下进行烘烤、烧结。
经检索，发明创造名称为：一种用于制备精密器件的水溶芯模的制备方法(申请号为：201611087546.0，申请日为：2016.12.01)，该申请案采用尿素、氯化钠、硫酸镁、玉米粒、饱和氯化钠溶液、聚乙烯醇、纳米二氧化、碳纤维等为原料，经压制成型及二次加热获得抗弯性能强、水溶性高的型芯，能应用于铜壶工艺品的生产；但是该申请案的不足之处在于个性化水溶型芯产品成本极高，生产周期长，且新型水溶型芯产品的开发周期较长。
此外，发明创造名称为：一种陶瓷型芯快速成形制造方法(申请号为：201010222794.8，申请日为：2010.07.12)，该方法将低温强化剂和陶瓷粉料混合均匀后进行SLS快速成形，再对得到陶瓷型芯生坯预处理，然后脱除陶瓷芯生坯中的低温强化剂，浸渗高温粘接剂，进行预烧和脱脂；最后进行高温烧结，即获得最终的整体陶瓷芯产品。但该申请案的不足之处在于SLS成形设备昂贵，且不适宜与水溶型芯的快速成形。
发明内容
1.要解决的问题
本发明的目的在于解决现有水溶型芯的传统成形方法制备周期较长，个性化产品生产成本较高且现有微滴喷射成形水溶型芯以无机盐溶液为喷射液，存在喷头容易腐蚀，使用寿命较短，且型芯强度较低的问题。提供一种水溶型芯的添加剂的制备方法，制备出的添加剂能够缩短水溶型芯的制造周期，提升微滴喷射喷头的使用寿命。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种水溶型芯的添加剂的制备方法，所述方法为分别将水溶性高分子材料及水溶性无机盐溶于水，然后将其混合并测定其pH值，然后采用滴定管滴入有机酸，调节混合溶液的pH值为7，即得添加剂。
优选地，所述添加剂的组分含量如下：水溶性高分子材料10％-20wt％、有机酸0-5wt％、水溶性无机盐75-90wt％，水溶性高分子材料用于提升型芯的初始强度，有机酸用于调节pH值防止腐蚀，水溶性无机盐用于型芯的粘结剂。
优选地，所述水溶性高分子材料为淀粉、纤维素、聚乙二醇、环氧树脂、聚丙烯酰胺中的一种或几种。
优选地，所述有机酸为醋酸、柠檬酸、草酸、磺酸中的一种或几种。
优选地，所述水溶性无机盐为氯化物、溴化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、偏铝酸盐、氢氧化物中的一种或几种，且所述添加剂中的多种水溶性无机盐的阳离子一样。
优选地，所述方法具体步骤如下：
a、称量，用天平分别称量出所需要份量的水溶性高分子材料和水溶性无机盐；
b、溶化，将称量后的水溶性高分子材料和水溶性无机盐溶于水，并进行搅拌；
c、中和，用试纸测量步骤b所得溶液的pH值，用滴定管滴入有机酸使得溶液pH＝7，即得添加剂。
一种高强度水溶型芯，包括型砂和添加剂，其中型砂为硅砂、莫来石砂、锆砂、镁砂中的一种或几种，且型砂的粒度为70～200目；所述添加剂上述的水溶型芯的添加剂的制备方法制备得到的添加剂。
优选地，所述型芯的生产过程如下：
S100、微滴喷射成形，将型砂平铺在升降工作台上，喷液装置按型芯实体模型生成的滴液路径喷射添加剂，待该层面微液滴喷射完成，升降工作台下行0.01～1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
S200、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同粉床取出，置于微波炉中进行间歇式微波加热，待型芯完全固化后取出；
S300、浸润或喷淋无机盐溶液，将微波固化后的型芯取出，浸润或喷淋无机盐溶液，浸润时间为t1，t1＜5min；
S400、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉中进行二次间歇式微波加热固化，待型芯中的水分充分散失后取出；
S500、烧结，将二次微波固化所得型芯置于烧结炉中进行烧结，烧结温度为T，T＝400-1000℃，烧结时间为t2，t2＝1-4h。
优选地，步骤S300中无机盐饱和溶液中所用无机盐与添加剂中的无机盐相同。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种水溶型芯的添加剂的制备方法，所述方法为分别将水溶性高分子材料及水溶性无机盐溶于水，然后将其混合并测定其pH值，然后采用滴定管滴入有机酸，调节混合溶液的pH值为7，即得添加剂，添加剂中加入了有机高分子材料，可使水溶型芯获得较高的初始强度；有机酸用于调节pH值，解决了微滴喷射喷头使用寿命短的问题，水溶性无机盐用于型芯的粘结剂，增加了强度；
(2)本发明的一种高强度水溶型芯，型芯微波硬化预成型后，对型芯进行无机盐溶液浸润、二次微波固化及烧结，由于无机盐溶液的润湿性能极强，可以充分润湿填充预成型型芯的孔隙，并在二次微波固化过程中结晶析出无机盐，显著提高了型芯的强度；
(3)本发明的一种高强度水溶型芯，将完成打印任务的粉床进行整体的微波加热，其中喷有微液滴的部分在受热后固化，未喷射微液滴的部分可对喷有微液滴的部分进行保护，避免型芯在搬运过程中的刮伤，且在微波加热后仍保持松散状态。在传统加热固化的制芯过程中，其传热特点是热量由外向内传递，这使得型芯外层固化速度快，内层水分散失较为困难，型芯强度较低。而本发明采用的微波固化可实现内外同时加热，且间歇式的微波加热方式有利于内层水分的充分逸散，从而保证了型芯的强度。
附图说明
图1为本发明的一种高强度水溶型芯的生产装置结构示意图；
图2为本发明的一种水溶型芯的添加剂的制备方法的方法流程图。
示意图中的标号说明：
100、型砂喷涂单元；110、混料装置；111、出料口；120、配液仓；121、输液管；122、喷液装置；131、移动导轨；132、固定导轨；141、受料台；142、铺料装置；151、已成型离散层；
161、工作腔；162、活塞；163、升降工作台；164、粉床；170、控制器；171、数据接口；
200、型芯固化单元；210、微波炉；220、支架；230、待固化型芯；
300、型芯浸润单元；310、无机盐溶液槽；320、固化型芯；
400、型芯烧结单元；410、烧结炉；420、待烧结型芯。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
本实施例的一种水溶型芯的添加剂的制备方法，添加剂包括如下组分：水溶性高分子材料10％-20wt％、有机酸0-5wt％、水溶性无机盐75-90wt％；水溶性高分子材料为淀粉、纤维素、聚乙二醇、环氧树脂、聚丙烯酰胺等中的一种或几种；有机酸为醋酸、柠檬酸、草酸、磺酸中的一种或几种；水溶性无机盐为氯化物、溴化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、偏铝酸盐、氢氧化物中的一种或几种。水溶性高分子材料起到保证低温粘结强度的作用，水溶性无机盐是主要的粘结剂，在中高温度下保证型芯强度，有机酸起到调节pH值的作用。由于添加剂与水混合成溶液，在后续的加热过程中，水分逐渐蒸发，无机盐及水溶性高分子等组分因溶解度的下降而逐渐依附颗粒表面结晶析出形成粘结桥，从而获得一定初始强度。由于无机盐在水中的溶液度相对较低，且微滴喷射喷头喷射的溶液量相对较小，因此，单独喷射无机盐溶液所得的初始强度较低，添加水溶性高分子材料能显著提高型芯的初始强度。经浸润处理后，型芯中的无机盐含量显著增大，能显著提高型芯的强度。而高温烧结下，水溶性高分子材料因高温分解，这可降低型芯的发气量，使得型芯强度提高。
添加剂各组分的比例关系为：水溶性高分子材料10％-20wt％、有机酸0-5wt％、水溶性无机盐75-90wt％。其配置过程为：
a、称量，用天平分别称量出所需要份量的水溶性高分子材料和水溶性无机盐；
b、溶化，将称量后的水溶性高分子材料和水溶性无机盐溶于水，并进行搅拌；
c、中和，用试纸测量步骤b所得溶液的pH值，用滴定管滴入有机酸使得溶液pH＝7，即得添加剂。
水溶性高分子材料起到提升初始强度的作用，太低的话，初始强度的提升不够明显，太高的话，溶液粘度较大，难以从喷头喷出，且在后续的高温加热过程中分解不完全，使得型芯发气量过高。有机酸的作用，由于所使用无机盐的水溶液呈现中性或碱性，对喷头具有一定的腐蚀作用，加入有机酸能够可调节溶液的pH值，但酸的含量过大会造成溶液呈现酸性，也会造成喷头的腐蚀。水溶性无机盐为型芯的粘结剂，理论上说含量越高越好，但由于其在水溶的溶液度有限，且喷头喷射的溶液量有限，因此型芯的初始强度不高，为此水溶性高分子材料10％-20wt％。
本实施例的一种高强度水溶型芯，采用上述所述的添加剂，所述型芯的型砂为硅砂、莫来石砂、锆砂、镁砂中的一种或几种，所述型砂的粒度为70～200目。
该型芯的生产过程如下：
S100、微滴喷射成形，将型砂平铺在升降工作台163上，喷液装置122按型芯实体模型生成的滴液路径喷射添加剂，待该层面微液滴喷射完成，升降工作台163下行0.01～1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
S200、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同粉床164取出，置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待型芯完全固化后取出；
S300、浸润或喷淋无机盐溶液，将微波固化后的型芯取出，浸润或喷淋无机盐溶液，浸润时间为t1，t1＜5min；
S400、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉210中进行二次间歇式微波加热固化，待型芯中的水分充分散失后取出；
S500、烧结，将二次微波固化所得型芯置于烧结炉410中进行烧结，烧结温度为T，T＝400-1000℃，烧结时间为t2，t2＝1-4h。
步骤S300中无机盐饱和溶液中所用无机盐与添加剂中的无机盐相同。
本实施的型芯生产采用如下装置进行，装置包括型砂喷涂单元100、型芯固化单元200、型芯浸润单元300和型芯烧结单元400，型砂喷涂单元100包括配液仓120、喷液装置122和铺料装置142，配液仓120用于储存已配置的喷射液，铺料装置142用于铺设型砂，喷液装置122用于向铺设好的型砂喷射喷射液使得型砂聚集凝结成待固化型芯230；型芯固化单元200用于对固化型芯230进行微波加热固化成为固化型芯320；型芯浸润单元300用于对成为固化型芯320进行浸润；型芯烧结单元400用于将待烧结型芯420进行烧结。
本实施例的型砂喷涂单元100还包括混料装置110、受料台141、升降工作台163和控制器170，所述混料装置110用于混合型砂，所述型砂包括硅砂、莫来石砂、锆砂、镁砂中的一种或几种，且型砂的粒度为70～200目；所述受料台141水平设置于升降工作台163的上方，且受料台141随着升降工作台163的升降而上下移动，所述升降工作台163的表面设有粉床164，升降工作台163的下端设有工作腔161和活塞162，所述活塞162推动升降工作台163在工作腔161内上下移动。
控制器170用于控制喷液装置122的喷射参数，控制器170设有数据接口171用于传送数据。所述喷液装置122通过输液管121连接配液仓120，所述喷液装置122滑动设置于移动导轨131上，该移动导轨131水平设置于受料台141的上方，喷液装置122在移动导轨131上水平滑动向下方受料台141喷射喷射液，移动导轨131连接有固定导轨132，固定导轨132与移动导轨131垂直设置于于同一水平面。所述混料装置110的出料口111连接有铺料装置142，铺料装置142设置有与受料台141与移动导轨131之间，该铺料装置142用于向受料台141铺设型砂该铺料装置142用于向受料台141铺设型砂。
型砂喷涂单元100工作流程如下：先将配置好的喷射液放入配液仓120内，向混料装置110内加入型砂混合料，型砂混合料通过出料口111落到受料台141上的型砂混合料由铺料装置142平铺于放置在升降工作台163上的粉床164上，铺料装置142每运动一个来回即在已成型离散层151上铺料一层。所述的配液仓120通过输液管121与喷液装置122相连，该喷液装置122挂载在移动导轨131上，喷液装置122受控制器170控制沿移动导轨131滑动，该移动导轨131也受控制器170控制沿固定导轨132滑动，红外线加热板180挂载在固定导轨132上，该红外线加热板180也受控制器170控制沿固定导轨132滑动便于对待固化型芯230进行预加热固定；控制器170的数据接口171与上位机相连，该控制器170下载上位机生成的砂芯的CAD几何实体模型分层离散得到的离散层面滴液装置的运行轨迹文件以控制喷液装置122在水平方向移动。所述工作腔161设置在喷液装置122的下方，该工作腔161内设置有升降工作台163，所述的升降工作台163与由电机驱动的活塞162相连，活塞162带动升降工作台163在竖直方向上下运动。
本实施例的型芯固化单元200包括微波炉210，该微波炉210用于对待固化型芯230进行间歇式微波加热，待固化型芯230完全固化后成为固化型芯320。
本实施例的型芯浸润单元300包括无机盐溶液槽310，该无机盐溶液槽310内盛放有与喷射液中无机盐成分相同的无机盐溶液，无机盐溶液槽310用于对固化型芯320进行浸润，浸润时间t1，t1＜5min。
本实施例的型芯烧结单元400包括烧结炉410，该烧结炉410用于对待烧结型芯420进行烧结，烧结温度为T，T＝400-1000℃，烧结时间为t2，t2＝1-4h。
实施例2
本实施例的一种高强度水溶型芯，生产过程如下：
S100、微滴喷射成形，将100/140目硅砂平铺在升降工作台上163，喷液装置122按型芯实体模型生成的滴液路径喷射添加剂，待该层面微液滴喷射完成，升降工作台163下行0.1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
S200、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同粉床164取出，置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待型芯完全固化后取出；
S300、喷淋无机盐溶液，将微波固化后的型芯取出，喷淋Na+//Cl-、CO3 2--H2O体系在常温下的溶液，喷淋时间为10-15s；
S400、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉210中进行二次间歇式微波加热固化，待型芯中的水分充分散失后取出；
S500、烧结，将二次微波固化所得型芯置于烧结炉410中进行烧结，烧结温度为780±10℃，烧结时间为1-2h。
所述的添加剂为将水与聚乙烯醇、氯化钠、碳酸钠、草酸溶于水，配置成粘度为3cps、pH值为7的水溶液。
实施例3
本实施例的一种高强度水溶型芯，生产过程如下：
S100、微滴喷射成形，将70/100目的硅砂与100/140目镁砂砂按7∶3的比例混合均匀后平铺在升降工作台上163，喷液装置122按型芯实体模型生成的滴液路径喷射添加剂，待该层面微液滴喷射完成，升降工作台163下行0.2mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
S200、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同粉床164取出，置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待型芯完全固化后取出；
S300、浸润无机盐溶液，将微波固化后的型芯取出，浸润K+//Cl-、CO3 2--H2O体系在常温下的溶液，浸润时间为20-30s；
S400、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉210中进行二次间歇式微波加热固化，待型芯中的水分充分散失后取出；
所述的添加剂为将水与聚乙二醇、聚丙烯酰胺、氯化钾、碳酸钾、柠檬酸溶于水，配置成粘度为2cps、pH值为7的水溶液。
实施例4
本实施例的一种高强度水溶型芯，生产过程如下：
S100、微滴喷射成形，将70/100目硅砂与100/140目莫来石砂按照7:3的比例混合均匀后平铺在升降工作台上163，喷液装置122按型芯实体模型生成的滴液路径喷射添加剂，待该层面微液滴喷射完成，升降工作台163下行0.03mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
S200、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同粉床164取出，置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待型芯完全固化后取出；
S300、浸润无机盐溶液，将微波固化后的型芯取出，浸润Na+//Cl-、CO3 2--H2O体系在常温下的溶液，浸润时间为10-15s；
S400、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉210中进行二次间歇式微波加热固化，待型芯中的水分充分散失后取出；
S500、烧结，将二次微波固化所得型芯置于烧结炉410中进行烧结，烧结温度为780±10℃，烧结时间为1-2h。
所述的添加剂将水与聚乙二醇、聚丙烯酰胺、氯化钠、碳酸钠、磺酸溶于水，配置成粘度为3cps、pH值为7的水溶液。
以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种高强度水溶型芯，其特征在于：包括型砂和添加剂，其中型砂为硅砂、莫来石砂、锆砂、镁砂中的一种或几种，且型砂的粒度为70～200目；所述添加剂的制备方法为：
分别将水溶性高分子材料及水溶性无机盐溶于水，然后将其混合并测定其pH值，然后采用滴定管滴入有机酸，调节混合溶液的pH值为7，即得添加剂；所述添加剂中的多种水溶性无机盐的阳离子一样；
所述型芯的生产过程如下：
S100、微滴喷射成形，将型砂平铺在升降工作台(163)上，喷液装置(122)按型芯实体模型生成的滴液路径喷射添加剂，待微液滴喷射完成，升降工作台(163)下行0.01～1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
S200、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同粉床(164)取出，置于微波炉(210)中进行间歇式微波加热，待型芯完全固化后取出；
S300、浸润无机盐溶液，将微波固化后的型芯取出，浸润无机盐溶液，浸润时间为t1，t1＜5min；
S400、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉(210)中进行二次间歇式微波加热固化，待型芯中的水分充分散失后取出；
S500、烧结，将二次微波固化所得型芯置于烧结炉(410)中进行烧结，烧结温度为T，T＝400-1000℃，烧结时间为t2，t2＝1-4h。
2.根据权利要求1所述的一种高强度水溶型芯，其特征在于：步骤S300中无机盐溶液中所用无机盐与添加剂中的无机盐相同。
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