CN111266521A - 一种铸造用复合砂芯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铸造用复合砂芯及其制备方法，属于铸造用砂芯技术领域。本发明的铸造用复合砂芯的制备方法，包括以下步骤：1)将铸造砂、树脂粘结剂和固化剂混匀，造型、固化，制成砂芯原坯2)对砂芯原坯进行第一次焙烧仅使砂芯原坯表层固化后的树脂分解，制得首次焙烧砂芯；3)将首次焙烧砂芯浸渗硅类铸造粘结剂，干燥，然后进行第二次焙烧，制得二次焙烧砂芯，即得。采用本发明的制备方法制得的铸造用复合砂芯，溃散性好，可减少后期铸型的清理难度，特别适用于铸造有狭小腔体的铸件；退让性好、导热差，可以减少甚至避免铸件内腔的裂纹、冷隔等缺陷；结构设计合理、尺寸精度高、出型快、不变形，是原机加石墨型芯的优选替换产品。

Description

一种铸造用复合砂芯及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铸造用复合砂芯及其制备方法，属于铸造用砂芯技术领域。
背景技术
随着航空、航天、兵器、船舶等领域的飞速发展，对于大型薄壁复杂型腔的钛合金铸件需求越来越多。国内外钛合金精铸件主要采用的铸造工艺是机加石墨型铸造和熔模精密铸造，这两种铸造工艺都有其局限性。机加石墨型铸造由于石墨的激冷作用和退让性差，往往导致铸件表面产生许多缺陷(如裂纹、冷隔、流痕等)，对于一些型腔狭小复杂的铸件，内腔缺陷难以处理，即使能够处理，成本也大大增加，产品质量难以保证，此外机加石墨型铸造一般铸件壁厚不能小于3mm。而熔模精密铸造的铸造过程复杂，工序多，影响质量的工艺因素多，不易控制，生产周期长，不仅如此，熔模精密铸件复杂型腔需要专门设计应用特种陶瓷型芯，而特种陶瓷型芯的制作成本非常高，后期铸型清理困难，此外熔模精密铸造不适合铸造大尺寸铸件。
发明内容
本发明的目的是提供一种铸造用复合砂芯的制备方法，所得砂芯的的溃散性好，可减少后期铸型的清理难度，特别适用于铸造有狭小空间的铸件。
本发明还提供了一种采用上述制备方法制得的铸造用复合砂芯。
为了实现以上目的，本发明的铸造用复合砂芯的制备方法所采用的技术方案是：
一种铸造用复合砂芯的制备方法，包括以下步骤：
1)将铸造砂、树脂粘结剂和固化剂混匀，造型、固化，制成砂芯原坯；
2)对砂芯原坯进行第一次焙烧仅使砂芯原坯表层固化后的树脂分解，制得首次焙烧砂芯；
3)将首次焙烧砂芯浸渗硅类铸造粘结剂，干燥，然后进行第二次焙烧，制得二次焙烧砂芯，即得。
本发明的铸造用复合砂芯的制备方法，将砂芯原坯在低温温度下焙烧使砂芯原坯表层固化后的树脂分解，所得首次焙烧砂芯表层保持原有样貌和结构，内部仍保持为砂芯原坯内部的状态，固化后的树脂仍然起到结合的作用；浸渗硅溶胶后，硅溶胶在首次焙烧砂芯的表层深入一定深度，第二次焙烧后，硅固化使得二次焙烧砂芯表层形成具有一定厚度的硬壳，经过二次焙烧砂芯内部更多固化后的树脂发生分解，提高了砂芯的溃散性。若第二次焙烧时间足够长，首次焙烧砂芯内部的固化树脂完全分解，复合砂芯内部为强度很低的铸造砂材料，所得复合砂芯的溃散性能够得到进一步地提高。
采用本发明的制备方法制得的铸造用复合砂芯，溃散性好，可减少后期铸型的清理难度，特别适用于铸造有狭小腔体的铸件；退让性好、导热差，可以减少甚至避免铸件内腔的裂纹、冷隔等缺陷；结构设计合理、尺寸精度高、出型快、不变形，是原机加石墨型芯的优选替换产品。
所述硅类铸造粘结剂为硅溶胶、水玻璃、硅酸乙酯中的至少一种。
造型可以采用冷芯盒法。将铸造砂、树脂粘结剂和固化剂混匀后填入铝制芯盒中进行造型，待树脂粘结剂固化后取出，得到砂芯原坯。
所述铸造砂由以下重量份数的组分组成：粒度为16～30目的莫来石砂39～50份、粒度为40～70目的莫来石砂35～45份和粒度为250～350目的莫来石粉15～25份。采用该组成的铸造砂，坯体具有湿强度高、烧结后孔隙率高等特点。
所述树脂粘结剂为呋喃树脂、酚醛树脂、酚醛呋喃树脂中的任意一种或组合。
所述树脂粘结剂和固化剂的总质量为铸造砂的3～5％；树脂粘结剂与固化剂的质量比为1～1.3:1。
将砂芯原坯进行表面修整，去除飞边，然后进行第一次焙烧。第一次焙烧在电阻炉中进行。
所述第一次焙烧的温度为200～400℃。所述第一次焙烧的时间为30～60min。采用较低的温度进行第一次焙烧，便于对焙烧过程的控制。
所述硅溶胶中二氧化硅的质量分数为20～50％。进一步优选的，所述硅胶中二氧化硅的质量分数为25～35％。
所述第二次焙烧的温度为500～600℃。所述第二次焙烧的时间为60～90min。在较高的温度下进行第二次焙烧，能够促进首次焙烧砂芯内部固化树脂的分解，还能够促进硅溶胶的固化。
步骤3)中，第二次焙烧前进行的干燥的温度为25～30℃。第二次焙烧前进行的干燥为风干。
上述铸造用复合砂芯的制备方法，还包括以下步骤：在二次焙烧砂芯表面涂覆面层涂料，干燥，然后进行第三次焙烧。第三次焙烧的作用是使面层涂料中有机物分解和砂型表面进一步陶瓷固化。
根据所要铸造的铸件材质，可选择现有技术中的砂芯涂料作为面层涂料。
优选的，所述面层涂料是将氧化钇分散在锆胶中得到。
优选的，所述锆胶是二醋酸锆与水的混合液体。二醋酸锆和水的质量比为2.5～4.5:1。氧化钇粉和锆胶的质量比为1.5～2.5:1。采用氧化钇和锆胶混合后作为面层涂料，制得的铸造用复合砂芯可用于钛合金的铸造，可大大减少钛合金铸件内腔的裂纹、冷隔等缺陷。
所述第三次焙烧的温度不低于1100℃。所述第三次焙烧的时间为90～120min。
所述面层涂料在二次焙烧砂芯表面的涂覆厚度不低于0.3mm。涂覆面层涂料在二次焙烧砂芯表面形成面层。为了得到较大的涂覆厚度，可以在二次焙烧砂芯表面涂覆多层面层涂料。一般情况下，涂覆2～3层面层涂料即可在二次焙烧砂芯表面得到厚度不低于0.3mm的面层。
在二次焙烧砂芯表面涂覆面层涂料后进行的干燥的温度为5～30℃。第二次焙烧后进行的干燥为风干。
本发明的铸造用复合砂芯所采用的技术方案为：
一种采用上述制备方法制得的铸造用复合砂芯。
本发明的铸造用复合砂芯，退让性好、导热差，可以减少甚至避免铸件内腔的裂纹、冷隔等缺陷，并且结构设计合理、尺寸精度高、出型快、不变形，是原机加石墨型芯的优选替换产品。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1～3中所采用的锆胶是按照二醋酸锆和蒸馏水质量比为3.5:1的比例配制而成。
实施例1
本实施例的铸造用复合砂芯的制备方法，包括以下步骤：
1)分别取粒度为16目的莫来石砂39重量份、粒度为40目的莫来石砂45重量份和粒度为300目的莫来石粉22.5重量份进行干混，混匀得到铸造砂；
然后在铸造砂中加入树脂粘结剂和固化剂，搅拌混匀，得混合料，再将混合料填入铝制芯盒中进行造型，固化后取出，得到砂芯原坯；树脂粘结剂和固化剂的总质量占铸造砂质量5％，树脂粘结剂和固化剂的质量比为1:1；所采用的树脂结合剂为呋喃树脂(含氮量为5.8％)，固化剂为磺酸固化剂；
2)将砂芯原坯进行表面修整、去除飞边，然后放入电阻炉中在300℃保温30min进行第一次焙烧，取出，得首次焙烧砂芯；
3)将首次焙烧砂芯浸入硅溶胶中，保持5min，取出在25℃风干120min，然后放入电阻炉中在500℃保温90min进行第二次焙烧，得到二次焙烧砂芯；所采用的硅溶胶中二氧化硅的质量分数为25％；
4)按照氧化钇和锆胶质量比为2:1的比例，将氧化钇加入锆胶中分散均匀，得到面层涂料；
将面层涂料喷涂在二次焙烧砂芯表面上喷涂2层，在二次焙烧砂芯表面形成厚度为0.3mm的面层，在25℃风干，然后放入电阻炉中在1100℃保温120min进行第三次焙烧，即得。
本实施例的铸造用复合砂芯采用本实施例的制备方法制得，替代原石墨型芯，可用于钛合金铸件的铸造，并进行钛合金铸件铸造。
实施例2
本实施例的铸造用复合砂芯的制备方法，包括以下步骤：
1)分别取粒度为30目的莫来石砂45重量份、粒度为50目的莫来石砂35重量份和粒度为250目的莫来石粉15重量份进行干混，混匀得到铸造砂；
然后在铸造砂中加入树脂粘结剂和固化剂，搅拌混匀，得混合料，再将混合料填入铝制芯盒中进行造型，固化后取出，得到砂芯原坯；树脂粘结剂和固化剂的总质量占铸造砂质量3％，树脂粘结剂和固化剂的质量比为1.3:1；所采用的树脂结合剂为酚醛树脂(pH值12～14)，固化剂为甘油醋酸酯；
2)将砂芯原坯进行表面修整、去除飞边，然后放入电阻炉中在200℃保温60min进行第一次焙烧，取出，得首次焙烧砂芯；
3)将首次焙烧砂芯浸入硅溶胶中，保持3min，取出在25℃风干120min，然后放入电阻炉中在600℃保温60min进行第二次焙烧，得到二次焙烧砂芯；所采用的硅溶胶中二氧化硅的质量分数为27％；
4)按照氧化钇和锆胶质量比为2:1的比例，将氧化钇加入锆胶中分散均匀，得到面层涂料；
将面层涂料喷涂在二次焙烧砂芯表面上涂刷3层，在二次焙烧砂芯表面形成厚度为0.4mm的面层，在25℃风干，然后放入电阻炉中在1100℃保温120min进行第三次焙烧，即得。
本实施例的铸造用复合砂芯的采用本实施例的制备方法制得，替代原石墨型芯，可用于钛合金铸件的铸造。
实施例3
本实施例的铸造用复合砂芯的制备方法，包括以下步骤：
1)分别取粒度为25目的莫来石砂50重量份、粒度为70目的莫来石砂37.5重量份和粒度为350目的莫来石粉22.5重量份进行干混，混匀得到铸造砂；
然后在铸造砂中加入树脂粘结剂和固化剂，搅拌混匀，得混合料，再将混合料填入铝制芯盒中进行造型，固化后取出，得到砂芯原坯；树脂粘结剂和固化剂的总质量占铸造砂质量4％，树脂粘结剂和固化剂的质量比为1.2:1；所采用的树脂结合剂为酚醛呋喃树脂(含氮量3.5％)，固化剂为磺酸固化剂；
2)将砂芯原坯进行表面修整、去除飞边，然后放入电阻炉中在400℃保温45min进行第一次焙烧，取出，得首次焙烧砂芯；
3)将首次焙烧砂芯浸入硅溶胶中，保持4min，取出在30℃风干120min，然后放入电阻炉中在550℃保温75min进行第二次焙烧，得到二次焙烧砂芯；所采用的硅溶胶中二氧化硅的质量分数为35％；
4)按照氧化钇和锆胶质量比为2:1的比例，将氧化钇加入锆胶中分散均匀，得到面层涂料；
将面层涂料喷涂在二次焙烧砂芯表面上喷涂3层，在二次焙烧砂芯表面形成厚度为0.5mm的面层，在30℃风干，然后放入电阻炉中在1100℃保温120min进行第三次焙烧，即得。
本实施例的铸造用复合砂芯采用本实施例的制备方法制得，替代原石墨型芯，可用于钛合金铸件的铸造。
在本发明的铸造用复合砂芯的制备方法的其他实施例中，可以将实施例1中的硅溶胶替换成水玻璃或硅酸乙酯，所得到的铸造用复合砂芯的性能与实施例1基本相同，此处不在赘述。
在本发明的铸造用复合砂芯的制备方法的另一个实施例中除采用的锆胶是按照二醋酸锆和蒸馏水质量比为2.5:1的比例配制而成及所采用的硅溶胶中二氧化硅的质量分数为50％外，其余完全同实施例1。本实施例制得的铸造用复合砂芯的性能与实施例1中制得的铸造用复合砂芯的性能基本一致。
在本发明的铸造用复合砂芯的制备方法的其他实施例中，采用的锆胶是按照二醋酸锆和蒸馏水质量比为4.5:1的比例配制而成，制得的铸造用复合砂芯的性能与实施例1～3中铸造用复合砂芯的性能相当。
对比例
对比例的钛合金铸造用型芯的制备方法，包括以下步骤：
1)按图纸将石墨块机加工成要求尺寸型芯；
2)石墨型芯进行热处理。
实验例1
分别采用实施例1～3以及对比例的钛合金铸造用型芯的制备方法，制成外型及尺寸完全相同的型芯，然后采用各型芯对钛合金进行铸造(铸件材质为ZTC4)，检测所得铸件的性能和表面质量。
1)检测铸件的力学性能，检测方法为取铸件本体试样，加工成标准常温拉伸试样，然后置于万能试验机上进行常温拉伸性能测试，检测结果见表1。
表1所得钛合金铸件的常温拉伸性能
实施例1 实施例2 实施例3 对比例
拉伸强度/Mpa 875 883 876 890
屈服强度/Mpa 786 798 792 820
断后伸长率/％ 9.5 11 10 15
断面收缩率/％ 18 20 19 22
由表1中数据，可知采用本实施例1～3的铸造用复合砂芯和对比例的铸造用石墨型芯制得钛合金铸件的常温拉伸性能都满足GB/T6614-2014中要求，这说明采用实施例中复合砂芯替换原石墨型芯，铸造出来的铸件力学性能都能够满足国标要求，采用复合砂芯不会影响铸件力学性能。
2)检测铸件的表面质量，检测方法为目视检查和渗透检查，只统计铸件内腔缺陷数量，检测结果见表2。
表2所得钛合金铸件的表面缺陷
实施例1 实施例2 实施例3 对比例
裂纹 1 0 1 6
冷隔 无 无 无 3
流痕 无 无 无 4
由表2中数据可知，采用实施例中复合砂芯替换原石墨型芯，能够有效减少或消除铸件表面的裂纹、冷隔、流痕等缺陷，这是由于复合砂芯比石墨型芯的退让性好、导热性差，从而使铸件产生裂纹、冷隔、流痕的倾向减小。
实验例2
分别采用实施例1～3及对比例的铸造用砂芯的制备方法制成相同砂芯，然后分别采用相同的铸造工艺进行钛合金铸造，铸造完成后采用相同的工具对各铸件型芯进行清理，统计清理时间。
统计结果表明：采用实施例中复合砂芯替换原石墨型芯铸造相同铸件，复合砂芯铸件清理用时约20min，而石墨型芯铸件清理用时约60min，可见复合砂芯替换石墨型芯，铸件清理时间明显缩短，这是由于复合砂芯具有独特结构，溃散性好。

Claims (10)

1.一种铸造用复合砂芯的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将铸造砂、树脂粘结剂和固化剂混匀，造型、固化，制成砂芯原坯；
2)对砂芯原坯进行第一次焙烧仅使砂芯原坯表层固化后的树脂分解，制得首次焙烧砂芯；
3)将首次焙烧砂芯浸渗硅类铸造粘结剂，干燥，然后进行第二次焙烧，制得二次焙烧砂芯，即得。
2.根据权利要求1所述的铸造用复合砂芯的制备方法，其特征在于：所述铸造砂由以下重量份数的组分组成：粒度为16～30目的莫来石砂39～50份、粒度为40～70目的莫来石砂35～45份和粒度为250～350目的莫来石粉15～25份。
3.根据权利要求1所述的铸造用复合砂芯的制备方法，其特征在于：所述树脂粘结剂和固化剂的总质量为铸造砂的3～5％；树脂粘结剂与固化剂的质量比为1～1.3:1。
4.根据权利要求1所述的铸造用复合砂芯的制备方法，其特征在于：所述第一次焙烧的温度为200～400℃，时间为30～60min。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的铸造用复合砂芯的制备方法，其特征在于：所述第二次焙烧的温度为500～600℃，时间为60～90min。
6.根据权利要求1所述的铸造用复合砂芯的制备方法，其特征在于：还包括以下步骤：在二次焙烧砂芯表面涂覆面层涂料，干燥，然后进行第三次焙烧。
7.根据权利要求6所述的铸造用复合砂芯的制备方法，其特征在于：所述面层涂料是将氧化钇分散在锆胶中得到；氧化钇和锆胶的质量比为1.5～2.5:1。
8.根据权利要求7所述的铸造用复合砂芯的制备方法，其特征在于：所述第三次焙烧的温度不低于1100℃，时间为90～120min。
9.根据权利要求6所述的铸造用复合砂芯的制备方法，其特征在于：所述面层涂料在二次焙烧砂芯表面的涂覆厚度不低于0.3mm。
10.一种采用如权利要求1所述的制备方法制得的铸造用复合砂芯。
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