CN111872316A - 一种3d打印砂添加剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印砂添加剂及其应用，属于3D打印材料技术领域，其技术问题是：砂型受热膨胀产生砂型裂纹，金属液渗入裂纹中形成铸件脉纹，其技术方案要点是添加剂原料包括熔融石英、锂辉石、铁化合物、羧甲基纤维素醚和碳素材料，本申请的添加剂具有抗脉纹、防止皮下气孔、及防止化学性粘砂的的效果。

Description

一种3D打印砂添加剂及其应用

技术领域

本发明涉及3D打印材料领域，特别涉及一种3D打印砂添加剂及其应用。

背景技术

在铸件生产时，砂型铸造是一种常用的铸造工艺，但铸件的结构形状越复杂，铸模造型也就越麻烦，因此，今天砂型铸模的许多造型任务都要用3D打印机来完成。

现有的铸件在浇铸的过程中由于型砂透气性差，导致型腔排气不充分，排气系统总载面积偏小，从而造成皮下气孔形成；另外金属液在浇铸的过程中，高温金属液与砂型作用引起砂型的线性热膨胀，当砂型自身不能克服这种受热产生的线性热膨胀，或者砂芯的韧性或高温强度不足以克服膨胀应力从而产生砂型裂纹，金属液渗入裂纹中形成铸件脉纹，从而形成铸造缺陷。皮下气孔、铸件脉纹的产生不仅影响铸件的质量，同时也造成造型材料的浪费。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一个方面是提供一种3D打印砂添加剂，达到抗脉纹、防止皮下气孔及防止化学性粘砂的的效果。

本发明的上述第一个方面是通过以下技术方案得以实现的：

一种3D打印砂添加剂，所述添加剂原料包括熔融石英、锂辉石、铁化合物、羧甲基纤维素醚和碳素材料。

优选的，所述添加剂原料按重量份包括：熔融石英14-23份、锂辉石15-25份、铁化合物40-50份、羧甲基纤维素醚1-7份、碳素材料4-12份。

通过采用上述技术方案，熔融石英具有低膨胀的优良性能，其熔融石英的膨胀系数为0.5×10^-6/℃，且理论耐火温度为1590℃，是良好的耐热冲击材料；熔融石英代替部分锂辉石，不仅能够降低成本，同时熔融石英与锂辉石配合使用，能够有效降低砂型的膨胀系数，使得砂型具有良好的热膨胀性能，从而降低因膨胀而出现砂型裂纹的概率，同时也有效提高砂型的强度。此外锂辉石矿物加入砂型中，其在高温下晶体会自行溃散，为砂型的膨胀提供足够的缓冲空间，从而减小开裂倾向，防止脉纹。

铁化合物失去氧时，体积轻微减小，对砂型的膨胀有一定的缓冲作用，同时还能够使得砂型具有良好的透气性能，从而有效降低皮下气孔出现的概率；此外铁化合物还对砂粒表面辅助烧结的作用，也可有效抵挡浇注金属液的冲击，从而减少砂型表面裂纹的产生，但是铁化合物加入量过多会降低砂型的强度，因此铁化合物的添加量在40-50份之间时，既能够降低砂型表面裂纹产生的概率，同时也有效保证砂型的强度。此外锂辉石具有助溶的效果，将锂辉石与铁化合物的配合使用，在高温下进行浇注时，硅砂开始发生软化，温度降低时，锂辉石为砂粒表面提供润滑的液态物质，增加硅砂的活性，降低硅砂向方石英的转变温度，缩小砂型表面和内部的膨胀体积差，从而减小砂型表面会促进脉纹产生的应力，此外在高温下锂辉石铁化合物的配合使用，可与硅砂形成玻璃体填补砂型裂纹，防止后期在使用时，浇注金属液进入裂缝降低因脉纹等缺陷而造成的铸件质量问题。

在高温浇注的过程中，砂型空隙中的氧被液态金属耗尽后，添加剂中的羧甲基纤维素醚被灼烧成碳质，附着在砂粒表面，增加了砂粒的粘度，从而增大了砂型的抗拉强度，同时被燃烧掉后，为砂粒的膨胀提供了一定的缓冲空间，减小砂型开裂倾向，防止脉纹，缓冲空间的存在，也提高砂型的透气性能，从而有效降低出现皮下气孔的现象。

碳素材料具有良好的导热性能，在浇注后，能够将液态金属的热量很快的传导到砂型中，使得表面金属液可以快速凝固，从而降低了金属液流入砂型裂缝中的概率，因此，添加剂中熔融石英、锂辉石、铁氧化物、羧甲基纤维素醚以及碳素材料的配合使用，使得砂型具有良好的导热性能，为砂型提供一定的膨胀缓冲空间，从而有效降低砂型表面因膨胀而出现的裂缝，从而达到抗脉纹的效果，同时缓冲空间的形成，保证砂型具有良好的透气性，从而防止出现皮下气孔的现象，防止化学性粘砂，提高铸件的表面质量，现有砂型模的在使用的过程中，其中现有技术中树脂的加入量为硅砂量的1.5％-2％左右，而本申请中树脂的加入量为硅砂量的1.0％，可见本申请添加剂在硅砂中的应用，能够有效减少树脂的加入量，从而从源头上减少砂型模中的气孔的量。

优选的，所述添加剂原料按重量百分比包括：熔融石英19份、锂辉石20份、铁化合物45份、羧甲基纤维素醚5份、碳素材料8份。

通过采用上述技术方案，试验证明，添加剂原料在此配比的情况下，有效降低出现脉纹和皮下气孔的现象，抗化学性粘砂，同时也有效提高砂型的强度。

优选的，所述铁化合物包括四氧化三铁、三氧化二铁。

优选的，按重量份计，所述四氧化三铁38-44份、三氧化二铁2-6份。

通过采用上述技术方案，四氧化三铁具有导热的性能，将金属液浇注到砂型中后，四氧化三铁能够将砂型中得热量快速导出，防止因为砂型温度过高而产生膨胀裂纹，另外，三氧化二铁具有吸收砂型里面的气体的作用，防止砂型里面出现皮下气孔的作用，从而防止砂型出现脉纹以及皮下气孔的现象。

优选的，按重量份计，所述铁化合物包括四氧化三铁26-28份、三氧化二铁2-6份、钛铁12-16份。

通过采用上述技术方案，四氧化三铁和钛铁均具有导热性能，但是由于四氧化三铁和钛铁的液相热熔温度不同，四氧化三铁、三氧化二铁和钛铁的配合使用，在浇注的过程中，铁化合物与二氧化硅在锂辉石助溶的作用下，反应形成烧结层，即形成有益的铁橄榄石，而有益的铁橄榄石不仅有助于铸件与砂型脱离，同时还能防止金属液渗入砂型内部形成脉纹；若无铁化合物或铁化合物的含量少时，金属液与二氧化硅反应生成有害铁橄榄石，而有害橄榄石的形成导致铸件表面产生化学粘砂，不仅会影响铸件的表面质量，同时也难以去除。

优选的，所述碳素材料采用石墨。

优选的，所述添加剂原料粒度为70-270目。

通过采用上述技术方案，添加剂的各种原料粒度在70-270目内时，能够使得砂型具有合适的紧实度，防止砂型紧实度过高时，导致砂型的透气性差，同时也防止砂型的紧实度低时，砂型的强度差，从而降低出现皮下气孔的现象，保证逐渐具有良好的外观质量。

本发明第二个方面是：提供一种3D打印砂添加剂在打印砂中的应用，其添加量占打印砂的比重为1.5-5％。

通过采用上述技术方案，本发明中的添加量在打印砂中的占比为1.5-5％时，能够减少树脂在打印砂中的加入量，从而保证砂型具有良好的机械强度，但添加量越多时，其成本也会上升，因此本申请中的添加剂的添加量能够有效防止脉纹和皮下气孔。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本申请添加剂中锂辉石、铁化合物、羧甲基纤维素醚的配合使用，在高温浇注时，羧甲基纤维素醚以及铁化合物体积变小，为砂型膨胀提供一定的缓冲空间，从而达到抗脉纹以及皮下气孔的效果；

2、四氧化三铁、三氧化二铁、钛铁和石墨的配合使用，不仅能够吸收砂型模中的气体，防止皮下气孔的产生，同时也能将金属液的热量快速导出去，避免砂型因为不能克服受热产生的线性热膨胀而出现裂纹的现象，从而有效达到抗脉纹、皮下气孔以及降低化学粘砂的效果。

附图说明

图1是显示添加实施例4得到的添加剂1.5％时的抗脉纹铸造结构图；

图2是显示添加实施例4得到的添加剂3％时的抗脉纹铸造结构图；

图3是显示添加实施例7得到的添加剂3％时的抗脉纹铸造结构图；

图4是显示不添加添加剂时的铸造结构图；

图5是显示不添加添加剂时铸件内壁的气孔铸造结构图；

图6是显示添加实施例4得到的添加剂1.5％时的铸件内壁气孔铸造结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

以下实施例和对比例中：

熔融石英购自新沂市东和石英有限公司；

羧甲基纤维素醚购自郑州普尔化工产品有限公司；

石墨购自海门市科兴碳业有限公司；

锂辉石购自厦门鹭商金属材料有限公司；

四氧化三铁购自上海卜汉化学技术有限公司；

三氧化二铁购自上海卜汉化学技术有限公司；

钛铁购自华南钛合金合成材料有限公司。

实施例1

一种3D打印砂添加剂，添加剂原料按重量份包括：熔融石英19份、锂辉石20份、铁化合物45份、羧甲基纤维素醚14份、石墨8份；其中铁化合物包括四氧化三铁49份、三氧化二铁1份，混合研磨得到的添加剂的粒度为140目，后将原料充分混合加入硅砂中。

实施例2

一种3D打印砂添加剂，添加剂原料按重量份包括：熔融石英19份、锂辉石20份、铁化合物45份、羧甲基纤维素醚1份、石墨2份；其中铁化合物包括四氧化三铁30份、三氧化二铁10份，混合研磨得到的添加剂的粒度为140目，后将原料充分混合加入硅砂中。

实施例3

一种3D打印砂添加剂，添加剂原料按重量份包括：熔融石英14份、锂辉石25份、铁化合物40份、羧甲基纤维素醚7份、石墨4份；其中铁化合物包括四氧化三铁38份、三氧化二铁2份，混合研磨得到的添加剂的粒度为70目，后将原料充分混合加入硅砂中。

实施例4

一种3D打印砂添加剂，添加剂原料按重量份包括：熔融石英19份、锂辉石20份、铁化合物45份、羧甲基纤维素醚5份、石墨8份；其中铁化合物包括四氧化三铁41份、三氧化二铁4份，混合研磨得到的添加剂的粒度为140目，后将原料充分混合加入硅砂中。

实施例5

一种3D打印砂添加剂，添加剂原料按重量份包括：熔融石英23份、锂辉石15份、铁化合物50份、羧甲基纤维素醚1份、石墨12份；其中铁化合物包括四氧化三铁44份、三氧化二铁6份，混合研磨得到的添加剂的粒度为200目，后将原料充分混合加入硅砂中。

实施例6

一种3D打印砂添加剂，与实施例4的不同之处在于，按重量份计，铁化合物40份，其中铁化合物包括四氧化三铁26份、三氧化二铁2份、钛铁12份。

实施例7

一种3D打印砂添加剂，与实施例4的不同之处在于，按重量份计，铁化合物45份，其中铁化合物包括四氧化三铁27份、三氧化二铁4份、钛铁14份。

实施例8

一种3D打印砂添加剂，与实施例4的不同之处在于，按重量份计，铁化合物50份，其中铁化合物包括四氧化三铁28份、三氧化二铁6份、钛铁16份。

实施例9

与实施例4的不同之处在于，铁化合物只采用四氧化三铁。

对比例1

与实施例4的不同之处在于，添加剂原料中无羧甲基纤维素醚。

对比例2

与实施例4的不同之处在于，添加剂原料中用等量的熔融石英代替锂辉石。

砂型模强度性能测试

分别采用实施例1-9和对比例1-2得到的添加剂加入硅砂中，同时加入占硅砂1.0％的呋喃树脂，加入占硅砂0.4％的磺酸固化剂(购自上海罗万科技发展有限公司)，混合得到3D打印材料，将3D打印材料经3D打印制得砂型模，测试每个砂型模样品的强度，每份样品的强度测5次，取平均值，同时将不加添加剂的砂型模作为对照组，强度测试依据GB/T2684-1981中的方法进行，结果如表1所示。

表1砂型模样品强度测试结果表

从表1可以看出：

实施例1-9中的砂型模的强度均高于对照组中的砂型模强度，说明本申请中的添加剂加入砂型模中，不仅不会影响砂型模的强度，同时还能够提高砂型模的强度；

对比例1-2与实施例4相比，其砂型模的抗拉强度和抗弯强度均低于实施例4中的抗拉强度和抗弯强度，说明本申请中的添加剂的组分以及配比量的配合使用，能够有效保证砂型模的强度，降低砂型模出现开裂的概率。

砂型模铸造测试

选择实施例4和实施例7中的添加剂进行砂型模铸造试验：

当在硅砂中添加1.5％的实施例4的添加剂后，铸造结果如图1所示；

当在硅砂中添加3％的实施例4的添加剂后，铸造结果如图2所示；

当在硅砂中添加3％的实施例7的添加剂后，铸造结果如图3所示；

当在硅砂中不加入本申请添加剂时，铸造结果如图4所示；

从图1-图2可以看出，当添加剂的添加量增加后，铸件表面的脉纹明显减少，因此添加剂的添加量增加后有效提高砂模的抗脉纹以及抗化学粘砂的效果，且图1-2与图4对比，当没有添加本申请的硅砂时，铸件表面产生很多条脉纹，且脉纹的长度大于5cm，可以看出，在硅砂中添加本申请的添加剂后，铸件表面的脉纹明显减少，且随着添加量的增加，脉纹的长度逐渐变短直至消失，因此，本申请中的添加剂有效提高砂模抗脉纹的性能；图3与图2相比，当在添加剂中加入钛铁后，其图3中的砂型模抗脉纹的效果更好说明在添加剂中加入钛铁后，其铁化合物的复配能够有效减少脉纹的产生。

当在硅砂中不加入本申请添加剂时，铸件内壁气孔铸造结果如图5所示；

当在硅砂中添加1.5％的实施例4中的添加剂后，铸件内壁气孔铸造结果如图6所示。

从图5和图6中可以看出，在硅砂中加入本申请的添加剂后，有效降低铸件表面的气孔，同时当添加剂的量为5％后，其能够有效防止铸件表面的气孔量。

将实施例1-9和对比例1-2中的添加剂应用到砂模铸造中，其在硅砂中的添加量为5％，记录铸件表面脉纹和气孔的现象，检测结果如表2所示。

表2砂型模铸造检测结果表

从表2中可以看出：

本申请实施例1-9中的添加剂添加量为5％时，其中实施例1-2中均有1条脉纹产生，但无气孔产生，其中实施例3-8无脉纹以及皮下气孔现象，实施例9不仅有脉纹产生同时也有气孔产生，说明本申请中各组分的配合使用，能够有效防止脉纹和皮下气孔的产生，从而有效提高铸件的质量；

对比例1-2中的铸件均出现脉纹和气孔现象，也由此可以说明本申请中的组分以及组分的量能够有效提高铸件的抗脉纹以及气孔的性能。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种3D打印砂添加剂，其特征在于，包括熔融石英、锂辉石、铁化合物、羧甲基纤维素醚和碳素材料。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印砂添加剂，其特征在于：所述添加剂原料按重量份包括：熔融石英14-23份、锂辉石15-25份、铁化合物40-50份、羧甲基纤维素醚1-7份、碳素材料4-12份。

3.根据权利要求1或2所述的一种3D打印砂添加剂，其特征在于：所述添加剂原料按重量百分比包括：熔融石英19份、锂辉石20份、铁化合物45份、羧甲基纤维素醚5份、碳素材料8份。

4.根据权利要求1或2所述的一种3D打印砂添加剂，其特征在于：所述铁化合物包括四氧化三铁、三氧化二铁。

5.根据权利要求4所述的一种3D打印砂添加剂，其特征在于：按重量份计，所述四氧化三铁38-44份、三氧化二铁2-6份。

6.根据权利要求1或2所述的一种3D打印砂添加剂，其特征在于：按重量份计，所述铁化合物包括四氧化三铁26-28份、三氧化二铁2-6份、钛铁12-16份。

7.根据权利要求1所述的一种3D打印砂添加剂，其特征在于：所述碳素材料采用石墨。

8.根据权利要求1所述的一种3D打印砂添加剂，其特征在于：所述添加剂原料粒度为70-270目。

9.一种3D打印砂添加剂在打印砂中的应用，其特征在于，其添加量占打印砂的比重为1.5-5%。

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