CN108620532A - 高透气铸件砂型及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种高透气铸件砂型及其制备方法，所述的制备方法包括向砂型原料中掺入甲烷裂解催化剂，且在砂型高温焙烧过程中通入氢气和甲烷的混合气体对砂型进行焙烧处理，所述的氢气与甲烷的摩尔比为1：(1～3)；本发明中通过在砂型原料中拌入甲烷裂解催化剂，砂型成型焙烧时，在砂型的内外表面上喷淋氢气和甲烷的混合气体，随着砂型原料中部分粘土的烧蚀，钻入的甲烷气体在甲烷裂解催化剂的作用下逐渐生成相互交织的碳纳米管，碳纳米管形成的三维网状结构不仅具有较好的气体通过能力，同时，鉴于碳纳米管对于液态金属的不润湿特性，可以有效阻止液态金属向砂型的孔隙中渗透，确保形成的铸件的表面光滑。

Description

高透气铸件砂型及其制备方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种高透气铸件砂型及其制备方法。

背景技术

铸造是将液态的金属浇注到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法。被铸物质多是原为固态但加热至液态的金属，如铜、铁、铝、锡、铅等，而铸模的材料可以是砂、金属甚至是陶瓷，应不同的要求，使用的方法也会有所不同，其中，砂型铸造以其低成本的优势在铸造技术领域应用广泛。

砂型铸造的工艺过程主要包括造砂型、造型芯、砂型及型芯的烘干、合箱、熔炼金属、浇注、落砂和清理。铸件在浇注成型的过程中，型腔内存在有大量的气体，这些气体主要来源于铸型型腔中滞留的空气；浇注时砂型、型芯材料在高温液体金属的热作用下所产生的气体；芯撑、冷铁在浇注时产生的气体；高温金属液体中的夹杂物进一步发生物理-化学作用所产生的气体；浇注系统设置不当或浇注操作不规范而随液态金属卷入型腔的气体等。浇注过程中，型腔内的气体大部分能够随着液态金属的上升而通过冒口、出气孔、通气道等排出，而滞留在液态金属中，或滞留于铸件与铸型的界面上的气体会对铸件成品的质量及外观产生影响，为了进一步的防止气体产生的不良影响，一般砂型铸件造型后会使用各种烘干设备对砂型型腔和型芯进行烘干处理，让型腔内部的一定厚度砂子尽量失去水分而保持干燥，避免在浇注过程中，水分受热后产生蒸汽；但是，这种干燥处理不仅耗时，而且干燥的程度往往不彻底，对于一般在1000℃以上的液体金属浇注后，砂型内部较深的地方仍然会产生一些水蒸气，这些水蒸气无孔不入，容易对铸件的表面形成侵入性气体，为了尽量阻止这些水蒸气侵入铸件，最好的方式就是让这些水蒸气排出砂箱。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种高透气铸件砂型，改善传统砂型的透气性能，确保在高温液态金属浇注到砂型型腔后，砂型产生的水蒸气能够及时的排出，避免水蒸气对铸件内部或表面侵入，确保铸件的品质。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高透气铸件砂型的制备方法，包括向砂型原料中掺入甲烷裂解催化剂，且在砂型高温焙烧过程中通入氢气和甲烷的混合气体对砂型进行焙烧处理，所述的氢气与甲烷的摩尔比为1：(1～3)；

所述砂型包括以下重量份的原料组成：粒度为120～150目的铝矾土砂30～40重量份、粒度为30～50目的石英砂40～50重量份、粒度为10～25目的镁砂粉12～20重量份，硅酸盐粉5～15重量份、玻璃短纤维5～10重量份、硅溶胶3～7重量份、粘土3～8重量份。

优选的，所述甲烷裂解催化剂的加入量为砂型原料总重量的0.5～1.5％。

优选的，所述玻璃短纤维的长度为0.6～1.0μm。

优选的，本发明所述的高透气铸件砂型的制备方法，包括以下步骤：

(1)按配方量称取原料，将铝矾土砂、石英砂、镁砂粉、硅酸盐粉和玻璃短纤维加入混砂机中进行混料，将甲烷裂解催化剂溶于乙醇溶液中制成溶液，并与硅溶胶和粘土一同加入混砂机中，继续搅拌均匀后卸出型砂；

(2)制备面层涂料；

(3)利用模具和型砂压制砂型，并自然风干处理，接着将砂型预热处理到80～100℃，清理浮砂和异物，将面层涂料喷涂到砂型内表面形成涂层，自然干燥；

(4)将砂型放入高温炉中，在800～900℃的高温中进行焙烧，焙烧开始时，向砂型的内侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体，然后再对砂型的外侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体；接着继续保温处理3～5h，然后冷却至室温，即得所述的高透气铸件砂型。

优选的，步骤(1)中，所述的甲烷裂解催化剂溶于5～10倍重量质量分数为30％的乙醇溶液中。

本发明还提供了一种采用上述制备方法制备得到的高透气铸件砂型。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明中，通过在砂型原料中拌入甲烷裂解催化剂，砂型成型焙烧的过程中，在砂型的内外表面上喷淋氢气和甲烷的混合气体，随着砂型原料中部分粘土的烧蚀，钻入的甲烷气体在甲烷裂解催化剂的作用下逐渐生成相互交织的碳纳米管，由于碳纳米管的纳米尺寸效应，碳纳米管形成的三维网状结构不仅具有较好的气体通过能力，同时，鉴于碳纳米管对于液态金属的不润湿特性，可以有效阻止液态金属向砂型的孔隙中渗透，确保形成的铸件的表面光滑，同时，保证砂型上透气孔隙的畅通，在浇注液态金属的过程中，砂型中含有的水分产生的高温蒸汽通过砂型上的透气孔隙排出砂箱，防止了高温水蒸气对铸件表面形成侵蚀。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。

鉴于传统砂型铸造的砂型在使用前需要进行干燥处理的繁琐，以及干燥不充分时，砂型中的水分在高温的作用下产生蒸汽对铸件表面的影响，本发明提供了一种高透气铸件砂型的制备方法，包括向砂型原料中掺入甲烷裂解催化剂，且在砂型高温焙烧过程中通入氢气和甲烷的混合气体对砂型进行焙烧处理，所述的氢气与甲烷的摩尔比为1：(1～3)；

所述砂型包括以下重量份的原料组成：粒度为120～150目的铝矾土砂30～40重量份、粒度为30～50目的石英砂40～50重量份、粒度为10～25目的镁砂粉12～20重量份，硅酸盐粉5～15重量份、玻璃短纤维5～10重量份、硅溶胶3～7重量份、粘土3～8重量份。

本发明中，通过在砂型原料中掺入甲烷裂解催化剂，且在砂型高温焙烧过程中通入氢气和甲烷的混合气体，侵入砂型孔隙结构中的甲烷在甲烷裂解催化剂以及高温的作用下生成相互交织的碳纳米管，由于碳纳米管所具有的纳米尺寸效应，碳纳米管所形成的三维网状结构不仅具有较好的气体通过能力，还能阻止液态金属向砂型的孔隙中渗透，从而确保形成的铸件的表面光滑。在液态金属进行浇注的过程中，高温的液态金属势必会将砂型中含有的水分加热形成高温蒸汽，该高温蒸汽能通过砂型的孔隙结构排出砂箱，从而有效的避免了高温水蒸气对铸件表面形成侵蚀。

本发明中，所述的甲烷裂解催化剂为镍、铁、钴的化合物中的一种或其组合，具体的，可以举出硝酸镍、硝酸铁、硝酸钴。

进一步的，所述甲烷裂解催化剂的添加量可以在较宽的范围内选择，为了实现得到更好的孔隙强化效果，所述甲烷裂解催化剂的加入量为砂型原料总重量的0.5～1.5％。

进一步的，本发明中，所述的玻璃短纤维是一种耐热性强，机械强度高的无机非金属材料，添加在砂型中，不仅能够提高砂型的强度，同时作为相互交织的骨架，提高粘土和硅溶胶的粘附效果，确保更好的成型效果；作为优选的，本发明中所述的玻璃短纤维的长度为0.6～1.0μm。

本发明中，所述的高透气铸件砂型的制备方法具体包括：

(1)按配方量称取原料，将铝矾土砂、石英砂、镁砂粉、硅酸盐粉和玻璃短纤维加入混砂机中进行混料，将甲烷裂解催化剂溶于乙醇溶液中制成溶液，并与硅溶胶和粘土一同加入混砂机中，继续搅拌均匀后卸出型砂；

(2)制备面层涂料；

(3)利用模具和型砂压制砂型，并自然风干处理，接着将砂型预热处理到80～100℃，清理浮砂和异物，将面层涂料喷涂到砂型内表面形成涂层，自然干燥；

(4)将砂型放入高温炉中，在800～900℃的高温中进行焙烧，焙烧开始时，向砂型的内侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体，然后再对砂型的外侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体；接着继续保温处理3～5h，然后冷却至室温，即得所述的高透气铸件砂型。

进一步优选的，步骤(1)中，所述的甲烷裂解催化剂溶于5～10倍重量质量分数为30％的乙醇溶液中。

本发明中，所述的面层涂料涂覆在砂型内表面，即涂覆在浇注时液态金属与砂型的接触面上，涂覆的厚度为0.5～1mm。

所述的面层涂料采用以下步骤制备得到：

S1：称取以下百分含量的原料：醋酸钙22～35％、氯化钙5～15％、余量为水，所述百分含量为重量百分数；然后将称量好的原料放入搅拌器中混合均匀，得到混合溶液；

S2：将S1中的混合溶液与二醋酸锆按照体积比为1：(1.5～2.5)进行混合，得到粘结剂；

S3：按以下配方配制面层涂料，粘结剂35～40％、正丁醇0.1～0.3％、余量为氧化钇粉；所述百分含量为质量百分数，将上述原料称取后搅拌混合均匀即可得到面层涂料。

所述的步骤(3)中，采用压缩气体将预热处理的砂型上的浮砂以及异物去除。

以下通过具体的实施例对本发明的技术优点做进一步的说明。

实施例1

一种高透气铸件砂型的制备方法：

(1)将粒度为140目的铝矾土砂35重量份、粒度为40目的石英砂45重量份、粒度为20目的镁砂粉16重量份、硅酸盐粉10重量份和玻璃短纤维(长度为0.8μm)8重量份加入混砂机中进行混料，将1.14重量份硝酸镍溶于6倍重量质量分数为30％的乙醇溶液中制成溶液，并与5重量份硅溶胶和5重量份粘土一同加入混砂机中，继续搅拌均匀后卸出型砂；

(2)制备面层涂料；

(2.1)称取以下百分含量的原料：醋酸钙30％、氯化钙10％、余量为水，所述百分含量为重量百分数；然后将称量好的原料放入搅拌器中混合均匀，得到混合溶液；

(2.2)将(2.1)中的混合溶液与二醋酸锆按照体积比为1：2进行混合，得到粘结剂；

(2.3)按以下配方配制面层涂料，粘结剂38％、正丁醇0.2％、余量为氧化钇粉；所述百分含量为质量百分数，将上述原料称取后搅拌混合均匀即可得到面层涂料；

(3)利用模具和型砂压制砂型，并自然风干处理，接着将砂型预热处理到90℃，采用压缩气体将预热处理的砂型上的浮砂以及异物去除，将面层涂料喷涂到砂型内表面形成涂层，涂层的厚度为0.8mm，自然干燥；

(4)将砂型放入高温炉中，在850℃的高温中进行焙烧，焙烧开始时，向砂型的内侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体，然后再对砂型的外侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体；所述的氢气与甲烷的摩尔比为1：2；接着继续保温处理4h，然后冷却至室温，即得所述的高透气铸件砂型。

实施例2

一种高透气铸件砂型的制备方法：

(1)将粒度为120目的铝矾土砂30重量份、粒度为30目的石英砂40重量份、粒度为10目的镁砂粉12重量份、硅酸盐粉5重量份和玻璃短纤维(长度为0.8μm)5重量份加入混砂机中进行混料，将0.92重量份硝酸镍溶于10倍重量质量分数为30％的乙醇溶液中制成溶液，并与3重量份硅溶胶和3重量份粘土一同加入混砂机中，继续搅拌均匀后卸出型砂；

(2)制备面层涂料；

(2.1)称取以下百分含量的原料：醋酸钙22％、氯化钙5％、余量为水，所述百分含量为重量百分数；然后将称量好的原料放入搅拌器中混合均匀，得到混合溶液；

(2.2)将(2.1)中的混合溶液与二醋酸锆按照体积比为1：1.5进行混合，得到粘结剂；

(2.3)按以下配方配制面层涂料，粘结剂35％、正丁醇0.1％、余量为氧化钇粉；所述百分含量为质量百分数，将上述原料称取后搅拌混合均匀即可得到面层涂料；

(3)利用模具和型砂压制砂型，并自然风干处理，接着将砂型预热处理到80℃，采用压缩气体将预热处理的砂型上的浮砂以及异物去除，将面层涂料喷涂到砂型内表面形成涂层，涂层的厚度为0.5mm，自然干燥；

(4)将砂型放入高温炉中，在800℃的高温中进行焙烧，焙烧开始时，向砂型的内侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体，然后再对砂型的外侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体；所述的氢气与甲烷的摩尔比为1：2；接着继续保温处理5h，然后冷却至室温，即得所述的高透气铸件砂型。

实施例3

一种高透气铸件砂型的制备方法：

(1)将粒度为150目的铝矾土砂40重量份、粒度为50目的石英砂50重量份、粒度为25目的镁砂粉20重量份、硅酸盐粉15重量份和玻璃短纤维(长度为0.8μm)10重量份加入混砂机中进行混料，将1.35重量份硝酸镍溶于5倍重量质量分数为30％的乙醇溶液中制成溶液，并与7重量份硅溶胶和8重量份粘土一同加入混砂机中，继续搅拌均匀后卸出型砂；

(2)制备面层涂料；

(2.1)称取以下百分含量的原料：醋酸钙35％、氯化钙15％、余量为水，所述百分含量为重量百分数；然后将称量好的原料放入搅拌器中混合均匀，得到混合溶液；

(2.2)将(2.1)中的混合溶液与二醋酸锆按照体积比为1：2.5进行混合，得到粘结剂；

(2.3)按以下配方配制面层涂料，粘结剂40％、正丁醇0.3％、余量为氧化钇粉；所述百分含量为质量百分数，将上述原料称取后搅拌混合均匀即可得到面层涂料；

(3)利用模具和型砂压制砂型，并自然风干处理，接着将砂型预热处理到100℃，采用压缩气体将预热处理的砂型上的浮砂以及异物去除，将面层涂料喷涂到砂型内表面形成涂层，涂层的厚度为1mm，自然干燥；

(4)将砂型放入高温炉中，在900℃的高温中进行焙烧，焙烧开始时，向砂型的内侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体，然后再对砂型的外侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体；所述的氢气与甲烷的摩尔比为1：2；接着继续保温处理3h，然后冷却至室温，即得所述的高透气铸件砂型。

对比例1

本实施例与实施例1中的铸件砂型的制备方法相同，不同的是，所述的砂型中不含有甲烷裂解催化剂，具体的，所述的制备方法包括：

(1)将粒度为140目的铝矾土砂35重量份、粒度为40目的石英砂45重量份、粒度为20目的镁砂粉16重量份、硅酸盐粉10重量份和玻璃短纤维(长度为0.8μm)8重量份加入混砂机中进行混料，然后加入5重量份硅溶胶和5重量份粘土，继续搅拌均匀后卸出型砂；

(2)制备面层涂料；

(2.1)称取以下百分含量的原料：醋酸钙30％、氯化钙10％、余量为水，所述百分含量为重量百分数；然后将称量好的原料放入搅拌器中混合均匀，得到混合溶液；

(2.2)将(2.1)中的混合溶液与二醋酸锆按照体积比为1：2进行混合，得到粘结剂；

(2.3)按以下配方配制面层涂料，粘结剂38％、正丁醇0.2％、余量为氧化钇粉；所述百分含量为质量百分数，将上述原料称取后搅拌混合均匀即可得到面层涂料；

(3)利用模具和型砂压制砂型，并自然风干处理，接着将砂型预热处理到90℃，采用压缩气体将预热处理的砂型上的浮砂以及异物去除，将面层涂料喷涂到砂型内表面形成涂层，涂层的厚度为0.8mm，自然干燥；

(4)将砂型放入高温炉中，在850℃的高温中进行焙烧，保温处理4h，然后冷却至室温，即得所述的铸件砂型。

对上述实施例中制备得到的铸件砂型进行相关性能的测试：

采用ZTY智能透气性测定仪测定透气性能；在XQY-II智能型砂强度机上测定强度，测试结果记录到表1中。

表1：铸件型砂性能

	湿压强度/Mpa	透气性
			实施例1	0.056	240
实施例2	0.055	236
			实施例3	0.057	234
对比例1	0.045	106

基于上述试验数据可以看出，本发明提供的制备方法制备得到的铸件砂型具有较好的湿压强度，特别是，透气性优异，如此，在液态金属进行浇注时，砂型中残余的水分在高温作用下产生的水蒸气能够很快的通过孔隙排出，避免对砂型型腔中的液体金属产生影响，对铸件表面产生侵蚀，确保了铸件的品质。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种高透气铸件砂型的制备方法，其特征在于：包括向砂型原料中掺入甲烷裂解催化剂，且在砂型高温焙烧过程中通入氢气和甲烷的混合气体对砂型进行焙烧处理，所述的氢气与甲烷的摩尔比为1：(1～3)；

所述砂型包括以下重量份的原料组成：粒度为120～150目的铝矾土砂30～40重量份、粒度为30～50目的石英砂40～50重量份、粒度为10～25目的镁砂粉12～20重量份，硅酸盐粉5～15重量份、玻璃短纤维5～10重量份、硅溶胶3～7重量份、粘土3～8重量份。

2.根据权利要求1所述的高透气铸件砂型的制备方法，其特征在于：所述甲烷裂解催化剂的加入量为砂型原料总重量的0.5～1.5％。

3.根据权利要求1所述的高透气铸件砂型的制备方法，其特征在于：所述玻璃短纤维的长度为0.6～1.0μm。

4.根据权利要求1所述的高透气铸件砂型的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括：

(1)按配方量称取原料，将铝矾土砂、石英砂、镁砂粉、硅酸盐粉和玻璃短纤维加入混砂机中进行混料，将甲烷裂解催化剂溶于乙醇溶液中制成溶液，并与硅溶胶和粘土一同加入混砂机中，继续搅拌均匀后卸出型砂；

(2)制备面层涂料；

(3)利用模具和型砂压制砂型，并自然风干处理，接着将砂型预热处理到80～100℃，清理浮砂和异物，将面层涂料喷涂到砂型内表面形成涂层，自然干燥；

(4)将砂型放入高温炉中，在800～900℃的高温中进行焙烧，焙烧开始时，向砂型的内侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体，然后再对砂型的外侧表面喷淋氢气与甲烷的混合气体；接着继续保温处理3～5h，然后冷却至室温，即得所述的高透气铸件砂型。

5.根据权利要求4所述的高透气铸件砂型的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的甲烷裂解催化剂溶于5～10倍重量质量分数为30％的乙醇溶液中。

6.一种如权利要求1～5任意一项所述的制备方法制备得到的高透气铸件砂型。