CN110666107B - 一种砂芯及其制备方法和铸模 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种砂芯及其制备方法和铸模。该制备方法包括，1)根据砂芯的结构制备芯骨；2)在所述芯骨的至少部分外表面形成中间材料层；3)将芯骨置于砂芯模具内，使用耐火填料进行填砂造型得到砂芯原坯，并对砂芯原坯进行干燥；4)对经过干燥的砂芯原坯进行焙烧处理得到砂芯；其中所述焙烧处理中焙烧的温度高于所述中间材料的作用点温度。由于砂芯原坯的焙烧温度超过中间材料的作用点温度，在焙烧时中间材料不会对芯骨的膨胀产生阻力，从而避免了砂芯的开裂变形报废现象。

Description

一种砂芯及其制备方法和铸模

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，对于金属铸件例如钛及钛合金铸件的需求也越来越多。钛及钛合金铸造用砂芯由于其成本低、退让性好等优点不但可以应用砂型铸造技术领域，还可以应用于石墨加工型铸造等领域。但现有的钛及钛合金铸造用砂芯，特别是对于大型砂芯，由于其砂芯轮廓大、砂芯厚度大、自重较重等结构特点，该类型砂芯制备过程中存在易开裂变形报废、焙烧效率低、尺寸精度差等问题。

现有技术中，专利申请CN202725965U中提出了一种在芯骨两端包裹耐温软质材料的防止砂芯开裂的方法，利用耐温软质材料在外力下易被压缩的特点，解决了在浇注过程中芯骨受热膨胀导致的砂芯开裂问题。但是该软质材料在造型阶段就受到金属芯骨以及砂芯填料的严重挤压，在焙烧环节该材料也仍然存留，焙烧时金属芯骨将发生热膨胀，该软质材料也将难以进一步被压缩来避免砂芯的开裂问题。专利申请CN106077497A、CN109834227A中提到在芯骨表面设置气凝胶层，气凝胶层是一种具有透气性的材料，是为了增加砂芯在浇注过程中的透气性，不具备消除芯骨热膨胀而导致开裂的能力。

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砂芯制备方法以及由该制备方法制备得到的砂芯和使用该砂芯的铸模。

作为本发明的其中一方面，本发明提出一种砂芯的制备方法，包括：

1)根据砂芯的结构制备芯骨；

2)在芯骨的至少部分外表面形成中间材料层；

3)将芯骨置于砂芯模具内，使用耐火填料进行填砂造型得到砂芯原坯，并对砂芯原坯进行干燥；

4)对经过干燥的砂芯原坯进行焙烧处理得到砂芯；其中焙烧处理中焙烧的温度高于中间材料的作用点温度。

在一些实施例中，中间材料的作用点温度为50-300℃。

在一些实施例中，中间材料层的厚度为0.5-3mm。

在一些实施例中，芯骨具有与砂芯大致随形的形状。

在一些实施例中，芯骨为空心结构，优选地芯骨的壁厚为2-10mm。

在一些实施例中，芯骨的外表面与砂芯原坯的外表面的距离为20-50mm。

在一些实施例中，焙烧处理包括低温焙烧处理、表面涂覆处理和高温焙烧处理；优选地，低温焙烧处理包括将经过干燥的砂芯原坯在300～450℃焙烧1～3h；优选地，表面涂覆处理包括将将经过低温焙烧处理的砂芯原坯冷却或预热至60℃～80℃后，清洁砂芯原坯表面，并采用铸造用涂料涂覆砂芯原坯的至少部分表面，优选地涂覆形成的涂层厚度为0.1～1.5mm；优选地，高温焙烧处理包括将经过表面涂覆处理的砂芯原坯在1000℃～1300℃焙烧3～5h。

在一些实施例中，该制备方法还包括对砂芯进行尺寸检验以及目视外观检验和/或对砂芯进行精修打磨，直至砂芯尺寸和外观符合要求的步骤。

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制备方法制造的砂芯，优选地砂芯为钛及钛合金铸造用砂芯。

作为本发明的其中另一方面，本发明还提出了一种铸模，包括上述的砂芯。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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为根据本发明其中一实施例的某大型钛合金砂芯的结构示意图。

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。

作为本发明的其中一方面，本发明提出一种砂芯的制备方法，包括：

1)根据砂芯的结构制备芯骨；

2)在芯骨的至少部分外表面形成中间材料层；

3)将芯骨置于砂芯模具内，使用耐火填料进行填砂造型得到砂芯原坯，并对砂芯原坯进行干燥；

4)对经过干燥的砂芯原坯进行焙烧处理得到砂芯；其中焙烧处理中焙烧的温度高于中间材料的作用点温度。

本申请中在砂芯中使用芯骨，可有效增加砂芯的强度和刚度，防止了砂芯的变形，提高砂芯尺寸精度。由于芯骨膨胀系数远高于填砂造型所使用的耐火填料的膨胀系数，在焙烧阶段，尤其是高温焙烧时，由于膨胀系数的差异将会导致砂芯的开裂，甚至报废。为了避免该情况发生，本方法在芯骨与耐火填料之间设置中间材料层，由于砂芯原坯的焙烧温度超过中间材料的作用点温度，在焙烧时中间材料不会对芯骨的膨胀产生阻力，从而避免了砂芯的开裂变形报废现象。

本发明中中间材料在低于作用点温度时，其易通过包裹、涂覆等方式在芯骨表面形成中间材料层并提供一定的支撑强度，在其外部形成耐火填料层，而在高于作用点温度时，如在处于焙烧温度时，其不再对芯骨的膨胀产生阻力，例如可通过气化、燃烧、烧蚀等方式在芯骨与耐火填料层之间形成间隙层从而不再对芯骨的膨胀产生阻力，或者通过熔化、软化等方式不再对芯骨的膨胀产生阻力。本发明的中间材料可为高分子层材料(如石蜡、塑料等)、纸张等或其他合适的材料。因而本发明中的作用点温度可根据中间材料的不同而为不同的温度，例如中间材料为石蜡时，作用点温度可为石蜡的熔化温度；中间材料为塑料时，作用点温度可为塑料的熔化温度或热分解温度；中间材料为纸张时，作用点温度可为纸张的燃点等。另外本发明并不对中间材料的作用点温度做特别限制，只要满足其小于焙烧温度，能够在焙烧时不再对芯骨的膨胀产生阻力即可。在一些实施例中，中间材料的作用点温度为50-300℃，例如可为50℃、80℃、100℃、150℃、170℃、200℃、250℃、300℃等。具体的中间材料例如可为如石蜡、PVC塑料、植物纤维纸等。由于芯骨主要起到增强砂芯强度的作用，若中间材料的作用点温度过低，在砂芯制备、造型阶段或焙烧早期就已经软化、烧蚀或气化等，不利于利用芯骨提高砂芯强度或刚度，不利于减少砂芯变形；若作用点温度过高，则在焙烧温度较高时才开始软化、烧蚀或气化，可能会导致阻碍芯骨的热膨胀，增加砂芯开裂风险。

对于中间材料层的厚度，考虑到芯骨一般热膨胀系数较高，可能发生较明显的热膨胀，因而厚度不能过低，但厚度过厚不利于芯骨对砂芯强度和刚度的增强。中间材料层的厚度可为0.5-3mm，进一步优选为1-2mm。具体的，例如可为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm等。

在一些实施例中，芯骨的材料可为现有的芯骨材料，例如耐热金属材料，如铸铁等。芯骨的具体形状可根据砂芯的形状而变化，并不做特别限制。在一些实施例中，芯骨具有与砂芯大致随形的形状，保证具有对砂芯具有良好的强度和刚度。

在一些实施例中，芯骨为空心结构，可以有效降低耐火填料的厚度，从而可有效提高砂芯的焙烧效率。优选地芯骨的壁厚为2-10mm，具体的例如可为2mm、3mm、5mm、8mm、10mm。

在一些实施例中，芯骨的外表面与砂芯原坯的外表面的距离为20-50mm，为了保证砂芯的强度和刚度，芯骨的外表面与砂芯原坯的外表面的距离不能过小，但距离过大会导致焙烧时间拉长，焙烧效率变低。具体的，例如可为20mm、25mm、30mm、40mm、50mm。

对于本发明的耐火填料，可为现有技术中的已有制造砂芯用的耐火填料。作为其中一实施例，例如耐火填料可包括：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。

在一些实施例中，步骤4)的焙烧处理包括低温焙烧处理、表面涂覆处理和高温焙烧处理。低温焙烧处理包括将经过干燥的砂芯原坯在300～450℃焙烧1～3h。表面涂覆处理包括将经过低温焙烧处理的砂芯原坯冷却或预热至60℃～80℃后，清洁砂芯原坯表面，并采用铸造用涂料涂覆砂芯原坯的部分或全部表面，涂覆形成的涂层厚度为0.1～1.5mm。高温焙烧处理包括将经过表面涂覆处理的砂芯原坯在1000℃～1300℃焙烧3～5h。通过低温焙烧和高温焙烧相结合的焙烧方式，可以有效避免砂芯外温度梯度较大导致的开裂变形问题，另外可以控制砂芯原坯的变形，并且有效地提高了砂芯的尺寸精度。铸造用涂料可为现有的铸造用涂料，形成一层具有高惰性、抗热冲击的涂层，可有效提高砂芯的可靠性，可提高砂芯表面耐火度和降低表面粗糙度值，防止铸件产生粘砂缺陷，满足浇注使用要求。在一实施例中，铸造用涂料包括按重量百分比计，60％～70％的氧化钇，30％～40％的粘结剂。

在一些实施例中，该制备方法还进一步包括对砂芯进行尺寸检验以及目视外观检验和/或对砂芯进行精修打磨，直至砂芯尺寸和外观符合要求的步骤。

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制备方法制造的砂芯，该砂芯可适用于不同材料的铸造，优选地砂芯为钛及钛合金铸造用砂芯，特别适用于钛及钛合金铸造用大型砂芯。

作为本发明的其中另一方面，本发明还提出了一种铸模，包括上述的砂芯。当然，该铸模还可包括其他必要部件，例如外模等。

下面结合具体实施例进一步说明本申请的砂芯制备方法及砂芯。

实施例1

一种钛合金铸造用砂芯的制备方法，包括：

1)根据砂芯的结构制备如图1所示芯骨1，芯骨1具有与砂芯大致随形的形状；芯骨1为空心铸铁芯骨，芯骨1的壁厚为2mm。

2)在制备的芯骨1的外表面均匀涂覆一层石蜡层2，所使用的石蜡的熔化温度为50℃左右，石蜡层2的厚度为0.5mm。

3)将芯骨1置于砂芯模具内，保证芯骨1基本处于模具型腔的中心区域，将提前混制好的钛合金铸造专用耐火填料填入砂芯模具型腔，进行填砂造型得到砂芯原坯，并进行自然干燥。砂芯原坯在芯骨1的外表面形成有耐火填料层3，芯骨1的外表面与砂芯原坯的外表面的距离为20mm。

4)将干燥好的砂芯原坯放入低温烘箱中进行低温焙烧处理，在300℃焙烧1h，烘箱内温度冷却到110℃左右时将砂芯原坯取出；将砂芯原坯冷却至70℃左右后，清洁砂芯原坯表面异物，采用钛合金铸造专用涂料均匀涂覆砂芯工作面形成砂芯涂层4，砂芯涂层4的厚度为0.5mm；将完成表面涂覆的砂芯原坯放入高温焙烧炉内进行高温焙烧，在1000℃焙烧3h，待炉内温度冷却至200℃以下取出砂芯。

5)对砂芯进行扫描检验以及外观检查，必要时对砂芯进行精修打磨处理，直至砂芯尺寸和外观符合要求，即为所需钛合金铸造用大型砂芯。

实施例2

一种钛合金铸造用砂芯的制备方法，包括：

1)根据砂芯的结构制备所需芯骨，芯骨具有砂芯大致随形的形状；芯骨为空心铸铁芯骨，芯骨的壁厚为5mm。

2)在制备的芯骨的外表面均匀涂覆一层石蜡层，所使用的石蜡的熔化温度为50℃左右，石蜡层的厚度为0.5mm。

3)将芯骨置于砂芯模具内，保证芯骨基本处于模具型腔的中心区域，将提前混制好的钛合金铸造专用耐火填料填入砂芯模具型腔，进行填砂造型得到砂芯原坯，并进行自然干燥。砂芯原坯在芯骨的外表面形成有耐火填料层，芯骨的外表面与砂芯原坯的外表面的距离为30mm。

4)将干燥好的砂芯原坯放入低温烘箱中进行低温焙烧处理，在375℃焙烧2h，烘箱内温度冷却到110℃左右时将砂芯原坯取出；将砂芯原坯冷却至70℃左右后，清洁砂芯原坯表面异物，采用钛合金铸造专用涂料均匀涂覆砂芯工作面形成砂芯涂层，砂芯涂层厚度为1mm；将完成表面涂覆的砂芯原坯放入高温焙烧炉内进行高温焙烧，在1100℃焙烧4h，待炉内温度冷却至200℃以下取出砂芯。

5)对砂芯进行扫描检验以及外观检查，必要时对砂芯进行精修打磨处理，直至砂芯尺寸和外观符合要求，即为所需钛合金铸造用大型砂芯。

实施例3

一种钛合金铸造用砂芯的制备方法，包括：

1)根据砂芯的结构制备所需芯骨，芯骨具有与砂芯大致随形的形状；芯骨为空心铸铁芯骨，芯骨的壁厚为10mm。

2)在制备的芯骨的外表面均匀涂覆一层石蜡层，所使用的石蜡的熔化温度为50℃左右，石蜡层的厚度为0.5mm。

3)将芯骨置于砂芯模具内，保证芯骨基本处于模具型腔的中心区域，将提前混制好的钛合金铸造专用耐火填料填入砂芯模具型腔，进行填砂造型得到砂芯原坯，并进行自然干燥。砂芯原坯在芯骨的外表面形成有耐火填料层，芯骨的外表面与砂芯原坯的外表面的距离为50mm。

4)将干燥好的砂芯原坯放入低温烘箱中进行低温焙烧处理，在450℃焙烧3h，烘箱内温度冷却到110℃左右时将砂芯原坯取出；将砂芯原坯冷却至70℃左右后，清洁砂芯原坯表面异物，采用钛合金铸造专用涂料均匀涂覆砂芯工作面形成砂芯涂层，砂芯涂层厚度为1.5mm；将完成表面涂覆的砂芯原坯放入高温焙烧炉内进行高温焙烧，在1300℃焙烧5h，待炉内温度冷却至200℃以下取出砂芯。

5)对砂芯进行扫描检验以及外观检查，必要时对砂芯进行精修打磨处理，直至砂芯尺寸和外观符合要求，即为所需钛合金铸造用大型砂芯。

实施例4

实施例4与实施例2的区别在于，形成的石蜡层的厚度为1.5mm，其余相同。

实施例5

实施例5与实施例2的区别在于，形成的石蜡层的厚度为3mm，其余相同。

实施例6

实施例5与实施例2的区别在于，在制备的芯骨外表面包覆一层PVC塑料层，所使用的PVC塑料的热分解温度为200-210℃，PVC塑料层的厚度为0.5mm，其余相同。

对比例1

对比例1与实施例2的区别在于，形成的石蜡层的厚度为0.2mm，其余相同。

对比例2

对比例2与实施例2的区别在于，形成的石蜡层的厚度为8mm，其余相同。

对比例3

对比例3与实施例2的区别在于，在制备的芯骨外表面包覆一层聚四氟乙烯，所使用的聚四氟乙烯的热分解温度为510-530℃，聚四氟乙烯层的厚度为0.5mm，其余相同。

对实施例1-6以及对比例1-3进行如下测试：

一、外观检查，制备的砂芯是否有开裂甚至断裂的现象，统计开裂或断裂的比例。

二、砂芯的尺寸检测，通过GOM三维光学扫描测量仪测量砂芯的变形量。

所得实验结果如下表表1所示：

表1

	开裂或断裂比例(％)	变形量(mm)
			实施例1	12	0.74
实施例2	15	0.82
			实施例3	17	0.85
实施例4	8	0.52
			实施例5	10	0.71
实施例6	16	0.83
			对比例1	47	1.3
对比例2	35	1.5
			对比例3	64	2.1

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 (4)

1.一种砂芯的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：

1)根据砂芯的结构制备芯骨；

2)在所述芯骨的至少部分外表面形成中间材料层；所述中间材料的作用点温度为50-300℃；

3)将芯骨置于砂芯模具内，使用耐火填料进行填砂造型得到砂芯原坯，并对砂芯原坯进行干燥；

4)对经过干燥的砂芯原坯进行焙烧处理得到砂芯；其中所述焙烧处理中焙烧的温度高于所述中间材料的作用点温度所述焙烧处理包括低温焙烧处理、表面涂覆处理和高温焙烧处理；所述低温焙烧处理包括将经过干燥的砂芯原坯在300～450℃焙烧1～3h；所述表面涂覆处理包括将经过低温焙烧处理的砂芯原坯冷却或预热至60℃～80℃后，清洁砂芯原坯表面，并采用铸造用涂料涂覆砂芯原坯的至少部分表面，涂覆形成的涂层厚度为0.1～1.5mm；所述高温焙烧处理包括将经过表面涂覆处理的砂芯原坯在1000℃～1300℃焙烧3～5h；

其中，所述中间材料层的厚度为0.5-3mm；所述芯骨具有与所述砂芯大致随形的形状，所述芯骨的外表面与所述砂芯原坯的外表面的距离为20-50mm；所述芯骨为空心结构，所述芯骨的壁厚为2-10mm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：该制备方法还包括对砂芯进行尺寸检验以及目视外观检验和/或对砂芯进行精修打磨，直至砂芯尺寸和外观符合要求的步骤。

3.一种使用权利要求1或2所述的制备方法制造的砂芯，所述砂芯为钛及钛合金铸造用砂芯。

4.一种铸模，包括权利要求3所述的砂芯。

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