CN109365756B - 一种钛及钛合金铸造用砂芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛及钛合金铸造用砂芯的制备方法，该方法包括制备砂芯原坯，砂芯的烘烤，制备砂芯原坯涂料，砂芯原坯涂挂涂料，砂芯的烧结步骤。本发明中砂芯的基体材料主要采用不同颗粒度的铝矾土粉料，有利于大型薄壁砂芯原坯的成型，大型薄壁砂芯在烘烤和焙烧过程中均填埋于耐火粉料中，并设计合理的焙烧工艺参数，有效预防了砂芯的变形开裂的不良情况。采用本专利可以成型具有大型薄壁特点的精密砂芯，制备的砂芯尺寸精度好，成品率高，退让性好，性能可满足钛及钛合金铸造所需的性能要求。

Description

一种钛及钛合金铸造用砂芯及其制备方法

技术领域

本发明属于铸造成型领域，具体涉及一种铸造用砂芯。

背景技术

随着航空、航天、舰船、兵器、石油化工等领域的飞速发展，对于复杂型腔的钛及钛合金铸件的需求也越来越多，对于具有复杂型腔的铸件成型主要是采用陶瓷型芯方法，目前钛合金铸造用的陶瓷型芯原料主要是采用氧化钇、氧化锆等，采用注射成型的工艺，受技术能力和设备条件限制，适合于中小尺寸的型芯制备。专利CN 105127374A是采用铝矾土为原料，内部复合高温合金丝的方法，为制备大型型芯提供了一种解决方案，但实际中一些具有大型薄壁结构特点(尺寸≥300mm、壁厚≤10mm)的型芯采用该技术成型难度大，砂芯成品率极低，型芯的变形和尺寸精度难以控制。

发明内容

本发明是针对上述现有技术中存在的至少一方面的不足而设计的一种钛及钛合金铸造用大型薄壁精密砂芯制备方法，该方法对于大型薄壁精密砂芯的制备提供了解决方案，大大提高了砂芯的成品率，砂芯的尺寸精度和性能均可以满足钛及钛合金铸造使用。

作为本发明的其中一方面，本发明提出一种钛及钛合金铸造用砂芯的制备方法，包括：

1)将砂芯原料混合均匀后填砂芯模具的内部空腔并均匀捣实，造型完成后取出得到砂芯原坯，将砂芯原坯放置于装有耐火粉料的砂箱内，并完全填埋，例如填埋的粉料厚度为10mm～30mm；砂芯原料包括按重量百分比计10％～15％的8目～12目的铝矾土砂，10％～20％的16目～80目的铝矾土粉，2％～8％的硅酸盐强化剂，15％～20％的硅溶胶，余量为150目～200目的铝矾土粉；

2)将砂芯和砂箱一并放入烘箱中进行烘烤，烘烤完成并冷却后出炉，如炉内温度冷却到100℃以下出炉；烘烤包括升温至150℃～200℃，保温1h～3h，然后升温至300℃～450℃，保温1h～3h；

3)制备砂芯原坯涂料；例如砂芯原坯涂料的原料包括按重量百分比计，60％～70％的氧化钇，30％～40％的粘结剂；制备时，将氧化钇和粘结剂混合料搅拌均匀，制成砂芯原坯涂料；

4)将砂芯原坯冷却后，如冷却至30℃～80℃，清洁砂芯原坯表面，如清除砂芯原坯表面的浮砂和污物，将砂芯原坯涂料均匀覆盖砂芯原坯表面，如使用砂芯原坯涂料对砂芯原坯表面进行喷涂或刷涂，喷涂或刷涂的涂层厚度为0.1mm～2.0mm；

5)将覆盖涂料的砂芯原坯进行干燥，干燥后填埋于耐火粉料中，并放入烧结炉内进行烧结，烧结完成并冷却后取出砂芯，如冷却到100℃以下出炉取出砂芯；烧结包括升温至400℃～600℃，保温1h～3h，然后升温至600℃～800℃，保温1h～3h，然后升温至1000℃～1300℃，保温1h～3h。

进一步，8目～12目的铝矾土砂的含量优选为10～13％，更优选为12％。16目～80目的铝矾土粉的含量优选为12～18％，更优选为12～15％，更优选为15％。硅酸盐强化剂的含量优选为3～6％，优选为4％，硅酸盐强化剂例如为硅酸盐水泥。硅溶胶的含量优选为15～18％，更优选为17％。通过选择8目～12目、16目～80目以及150目～200目的铝矾土砂的组合使用，并且进一步选择了合适的配比，在制备大型薄壁砂芯时适当增加了较大的8～12目颗粒度砂料，降低16～80目和150～200目的含量，提高砂芯的孔隙率，增强砂芯内部在焙烧过程中排气能力，砂芯的收缩退让性提高，减低由于局部收缩差异产生的尺寸异常，有效地解决了大型薄壁砂芯原坯的成型困难并且成型难度大的问题，并且有利于干燥以及烧结时控制变形，提高成品的尺寸精度，制成的砂芯退让性能好。另外，适当提高了硅溶胶的含量，提高砂芯湿强度，有效地解决了大型薄壁砂芯原坯的成型困难并且成型难度大的问题。

由于砂芯在造型后湿强度较低，尤其是对薄壁砂芯易发生变形问题，大型薄壁砂芯在烘烤和烧结过程中均填埋于耐火粉料中，并且选择合适的填埋厚度，使得砂芯在烘烤和烧结时，可以对大型薄壁砂芯进行支撑，受热均匀，避免由于砂芯在烘烤过程中由于砂芯内外温度梯度较大导致的开裂变形问题，提高成型精度。本发明的方法尤其提高了成型率，解决了现有技术中的大型薄壁砂芯容易断裂导致成型率低较突出的问题。

进一步，烘烤包括升温至150℃～190℃，保温1.5h～3h，然后升温至300℃～400℃，保温1.5h～3h。优选地升温至160℃～180℃，保温1h～2h，然后升温至300℃～380℃，保温1h～2h。进一步优选为，升温至180℃，保温2h，然后升温350℃，保温2h。针对薄壁砂芯，通过合适设置烘烤的升温制度以及时间，设置多个升温保温台阶，避免砂芯外温度梯度较大导致的开裂变形问题，可以控制大型薄壁砂芯原坯的变形，并且有效地提高了砂芯的尺寸精度。

进一步，步骤3)中的粘结剂可使用砂芯涂料中的常用粘结剂，示例性地粘结剂主要由二醋酸锆、乙酸钙、水和氯化钙按照一定的比例组成，主要成分为二醋酸锆。涂料的配比范围说明：乙酸钙2％～5％，二醋酸锆10％～30％，水5％～15％，氯化钙0.5％，余量为氧化钇。

进一步，烧结包括升温至450℃～550℃，保温1.5h～3h，然后升温至600℃～750℃，保温1.5h～3h，然后升温至1050℃～1200℃，保温1.5h～3h。优选为升温至450℃～500℃，保温1.5h～2h，然后升温至700℃～750℃，保温1.5h～2h，然后升温至1050℃～1100℃，保温1.5h～2h。优选为升温至500℃，保温2h，然后升温至700℃，保温2h，然后升温至1100℃，保温2h。针对本发明薄壁砂芯易变形易开裂的特点，通过设置烧结的升温制度以及时间，设置多个升温和保温台阶，避免砂芯外温度梯度较大导致的开裂变形问题，另外可以控制大型薄壁砂芯原坯的变形，并且有效地提高了砂芯的尺寸精度。除此之外，通过使用上述的不同目数的铝矾土砂的配合该烧结制度，能够改善砂芯的表面粗糙度。

进一步，该方法还包括对砂芯进行尺寸检验以及目视外观检验，必要时对砂芯进行精修打磨，直至砂芯符合要求，得到钛及钛合金铸造用砂芯的步骤。尺寸检验例如为采用关节臂或GOM扫描对砂芯进行检验。利用关节臂或GOM扫描方法对砂芯进行检测，对保证砂芯的精密奠定基础，提高了最终制得的砂芯的尺寸精度。

作为本发明的其中另一方面，本发明还提出了一种使用上述的方法制造的钛及钛合金铸造用砂芯。

本发明的有益之处在于：本发明提出了一种钛合金铸造用大型薄壁砂芯的成型技术，砂芯的基体材料主要采用不同颗粒度的铝矾土粉料，有利于大型薄壁砂芯原坯的成型，大型薄壁砂芯在烘烤和焙烧过程中均填埋于耐火粉料中，并设计合理的焙烧工艺参数，有效预防了砂芯的变形开裂的不良情况，最后对砂芯进行扫描检测，必要时对砂芯进行修整打磨处理即可。采用本专利可以成型具有大型薄壁特点的精密砂芯，制备的砂芯尺寸精度好，砂型变形量可控制在0.5mm以下，成品率高，砂芯开裂或断裂比例不大于30％(成型率)，退让性好，性能可满足钛及钛合金铸造所需的性能要求，采用该专利生产的铸件尺寸精度较好，表面粗糙度可达到6.3以上。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1为根据本发明具体实施方式的某大型薄壁精密砂芯的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

一种钛及钛合金铸造用砂芯的制备方法，包括：

1)制备砂芯原坯：将砂芯原料混合均匀后填砂芯模具的内部空腔并均匀捣实，造型完成后取出得到砂芯原坯，将砂芯原坯放置于装有耐火粉料的砂箱内，并完全填埋，填埋的粉料厚度为10mm；砂芯原料包括10％的8目～12目的铝矾土砂，10％的16目～80目的铝矾土粉，硅酸盐强化剂2％，硅溶胶15％，余量为150目～200目的铝矾土粉；

2)砂芯的烘烤：将砂芯和砂箱一并放入烘箱中进行烘烤，烘烤的制度为，首先升温至150℃，保温1h，然后升温至300℃，保温1h，最后炉内温度冷却到100℃以下出炉；

3)制备砂芯原坯涂料：制备砂芯原坯涂料的原料及重量百分比为氧化钇60％，粘结剂40％；制备时，将氧化钇和粘结剂混合料搅拌均匀，制成砂芯原坯涂料；

4)砂芯原坯涂挂涂料：将砂芯原坯冷却至30℃～80℃后，清洁砂芯原坯表面浮砂和污物，将砂芯原坯涂料均匀覆盖砂芯原坯表面，再用砂芯原坯涂料对砂芯原坯表面进行喷涂或刷涂，喷涂或刷涂的涂层厚度为0.5mm；

5)砂芯的烧结：将覆盖涂料的砂芯原坯进行干燥，干燥后填埋于耐火粉料中，并放入烧结炉内进行烧结；烧结的制度为，先升温至400℃，保温1h，然后升温600℃，保温1h，最后升温至1000℃，保温1h，炉内温度冷却到100℃以下出炉取出砂芯；

6)砂芯的处理：采用关节臂或GOM扫描对砂芯进行尺寸检验，目视对外观进行检验，必要时对砂芯进行精修打磨，直至砂芯符合要求。本实施例得到的砂芯如图1所示，为一种大型薄壁精密砂芯。

实施例2

一种钛及钛合金铸造用砂芯的制备方法，包括：

1)制备砂芯原坯：将砂芯原料混合均匀后填砂芯模具的内部空腔并均匀捣实，造型完成后取出得到砂芯原坯，将砂芯原坯放置于装有耐火粉料的砂箱内，并完全填埋，填埋的粉料厚度为20mm；砂芯原料包括12％的8目～12目的铝矾土砂，15％的16目～80目的铝矾土粉，硅酸盐强化剂4％，硅溶胶17％，余量为150目～200目的铝矾土粉；

2)砂芯的烘烤：将砂芯和砂箱一并放入烘箱中进行烘烤，烘烤的制度为，首先升温至180℃，保温2h，然后升温至350℃，保温2h，最后炉内温度冷却到100℃以下出炉；

3)制备砂芯原坯涂料：制备砂芯原坯涂料的原料及重量百分比为氧化钇65％，粘结剂35％；制备时，将氧化钇和粘结剂混合料搅拌均匀，制成砂芯原坯涂料；

4)砂芯原坯涂挂涂料：将砂芯原坯冷却至30℃～80℃后，清洁砂芯原坯表面浮砂和污物，将砂芯原坯涂料均匀覆盖砂芯原坯表面，再用砂芯原坯涂料对砂芯原坯表面进行喷涂或刷涂，喷涂或刷涂的涂层厚度为0.5mm；

5)砂芯的烧结：将覆盖涂料的砂芯原坯进行干燥，干燥后填埋于耐火粉料中，并放入烧结炉内进行烧结；烧结的制度为，先升温至500℃，保温2h，然后升温700℃，保温2h，最后升温至1100℃，保温2h，炉内温度冷却到100℃以下出炉取出砂芯；

6)砂芯的处理：采用关节臂或GOM扫描对砂芯进行尺寸检验，目视对外观进行检验，必要时对砂芯进行精修打磨，直至砂芯符合要求。

实施例3

一种钛及钛合金铸造用砂芯的制备方法，包括：

1)制备砂芯原坯：将砂芯原料混合均匀后填砂芯模具的内部空腔并均匀捣实，造型完成后取出得到砂芯原坯，将砂芯原坯放置于装有耐火粉料的砂箱内，并完全填埋，填埋的粉料厚度为30mm；砂芯原料包括15％的8目～12目的铝矾土砂，20％的16目～80目的铝矾土粉，硅酸盐强化剂8％，硅溶胶20％，余量为150目～200目的铝矾土粉；

2)砂芯的烘烤：将砂芯和砂箱一并放入烘箱中进行烘烤，烘烤的制度为，首先升温至200℃，保温3h，然后升温至450℃，保温3h，最后炉内温度冷却到100℃以下出炉；

3)制备砂芯原坯涂料：制备砂芯原坯涂料的原料及重量百分比为氧化钇70％，粘结剂30％；制备时，将氧化钇和粘结剂混合料搅拌均匀，制成砂芯原坯涂料；

4)砂芯原坯涂挂涂料：将砂芯原坯冷却至30℃～80℃后，清洁砂芯原坯表面浮砂和污物，将砂芯原坯涂料均匀覆盖砂芯原坯表面，再用砂芯原坯涂料对砂芯原坯表面进行喷涂或刷涂，喷涂或刷涂的涂层厚度为0.5mm；

5)砂芯的烧结：将覆盖涂料的砂芯原坯进行干燥，干燥后填埋于耐火粉料中，并放入烧结炉内进行烧结；烧结的制度为，先升温至600℃，保温3h，然后升温800℃，保温3h，最后升温至1300℃，保温3h，炉内温度冷却到100℃以下出炉取出砂芯；

6)砂芯的处理：采用关节臂或GOM扫描对砂芯进行尺寸检验，目视对外观进行检验，必要时对砂芯进行精修打磨，直至砂芯符合要求。

对比例

一种钛及钛合金铸造用砂芯的制备方法，包括：

1)制备砂芯原坯：将制备该砂芯的原料(40目～80目的铝矾土砂27％，硅酸盐强化剂4％，硅溶胶17％，余量为150目～200目的铝矾土粉；)混合均匀后填砂芯模具的内部空腔并均匀捣实，造型完成后取出得到砂芯原坯，自然干燥12h；

2)砂芯的烘烤：将干燥后的砂芯原坯放入低温烘箱中进行烘烤，烘烤温度为350℃，保温时间为2h，炉内温度冷却到100℃以下时将砂芯原坯取出；

3)制备砂芯原坯涂料：制备砂芯原坯涂料的原料及重量百分比为氧化钇65％，粘结剂35％；制备时，将氧化钇和粘结剂混合料搅拌均匀，制成砂芯原坯涂料；

4)砂芯原坯涂挂涂料：将砂芯原坯冷却至30℃～80℃后后，用压缩空气喷嘴吹去砂芯原坯表面浮砂和污物，再用砂芯原坯涂料对砂芯原坯表面进行喷涂或刷涂，将砂芯原坯涂料均匀覆盖砂芯原坯表面，喷涂或刷涂的涂层厚度为0.5mm；

5)砂芯的烧结：将表面喷涂或刷涂后的砂芯原坯放入高温烧结炉内进行烧结，烧结温度为1300℃，烧结时间为3h，待炉内冷却至室温后取出砂芯。

效果评价：

从两个方面评价制得的砂芯的质量：一是外观检查，制备的砂芯是否有开裂甚至断裂的现象，二是砂芯的尺寸检测，判断砂芯的变形和尺寸精度。

对实施例1-3以及对比例制备的砂芯进行测量并评价。经过多次试验，实施例1-3制备的砂芯开裂或断裂比例分别为27％、25％、29％，均不大于30％(成型率)，砂型变形量经过测量分别为0.47mm、0.37mm和0.46mm，均可控制在0.5mm以下。而对比例制备方法的砂芯开裂或断裂比例约70％(成型率)，砂芯变形量在0.5mm～1.5mm。通过对比可以得知，本发明的砂芯制备方法的砂芯成型更加容易，成品率更高，且可以有效地控制变形，制备的砂芯尺寸精度更好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种钛及钛合金铸造用砂芯的制备方法，其特征在于，该方法包括：

1)将砂芯原料混合均匀后填砂芯模具的内部空腔并均匀捣实，造型完成后取出得到砂芯原坯，将砂芯原坯放置于装有耐火粉料的砂箱内，并完全填埋；砂芯原料包括10％～15％的8目～12目的铝矾土砂，10％～18％的16目～80目的铝矾土粉，2％～8％的硅酸盐强化剂，17％～20％的硅溶胶，余量为150目～200目的铝矾土粉；

2)将砂芯和砂箱一并放入烘箱中进行烘烤，烘烤完成并冷却后出炉；所述烘烤包括升温至150℃～200℃，保温1h～3h，然后升温至300℃～450℃，保温1h～3h；

3)制备砂芯原坯涂料；

4)将砂芯原坯冷却后，清洁砂芯原坯表面，将砂芯原坯涂料均匀覆盖砂芯原坯表面；

5)将覆盖涂料的砂芯原坯进行干燥，干燥后填埋于耐火粉料中，并放入烧结炉内进行烧结，烧结完成并冷却后取出砂芯；烧结包括升温至400℃～600℃，保温1h～3h，然后升温至600℃～800℃，保温1h～3h，然后升温至1000℃～1300℃，保温1h～3h；

6)采用关节臂或GOM扫描对砂芯进行尺寸检验，目视对外观进行检验，对砂芯进行精修打磨，直至砂芯符合要求，所述砂芯的壁厚≤10mm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述砂芯原料中8目～12目的铝矾土砂的含量为10～13％，16目～80目的铝矾土粉的含量为12～18％，硅酸盐强化剂的含量为3～6％，硅溶胶的含量为17～18％，余量为150目～200目的铝矾土粉。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中填埋的耐火粉料的厚度为10mm～30mm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中烘烤包括升温至150℃～190℃，保温1.5h～3h，然后升温至300℃～400℃，保温1.5h～3h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中砂芯原坯涂料的原料包括按重量百分比计，60％～70％的氧化钇，30％～40％的粘结剂；制备时，将氧化钇和粘结剂混合料搅拌均匀，制成砂芯原坯涂料。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4)中使用砂芯原坯涂料对砂芯原坯表面进行喷涂或刷涂，使得砂芯原坯涂料均匀覆盖砂芯原坯表面，喷涂或刷涂的涂层厚度为0.1mm～2.0mm。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤5)中烧结包括升温至450℃～550℃，保温1.5h～3h，然后升温至600℃～750℃，保温1.5h～3h，然后升温至1050℃～1200℃，保温1.5h～3h。

8.一种使用权利要求1-7中任一项所述的制备方法制造的钛及钛合金铸造用砂芯。

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