CN112916807A - 一种冷冻型芯制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷冻型芯制备的新方法，该方法以原砂、水及添加剂为原料，以水冷冻形成的冰粘结砂粒，进而获得具有足够强度等性能的型芯，属于绿色环保的造型制芯方法。

Description

一种冷冻型芯制备方法
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，是一种冷冻铸造用型芯的制备方法。
背景技术
冷冻铸造是一种绿色环保的铸造方法，其使用的冷冻型芯以水冷冻成的冰为主要粘结剂。冷冻铸造除具有普通砂型铸造经济高效、易于获得复杂形状铸件等系列优点外，还具有绿色环保、造型制芯材料消耗少等显著优点，是铸造行业践行绿色发展的优选途径之一。
冷冻铸造用型芯常见的制备方法主要有两种，第一种是通过冷模具(芯盒)传导冷冻型芯，其冷冻时间较长，生产节奏较忙，难产业化。另一种是向填入砂箱或芯盒中的型芯砂吹入液氮等冷媒使型芯冷冻，其液氮等冷媒消耗量大，成本较高，难推广。为此，急需发展一种适于大工业生产的制备冷冻铸型的方法。
发明内容
为解决上述冷冻铸造中型芯制备问题，本发明提供了一种新冷冻型芯制备方法，包括以下制备步骤：
A.制备低温型芯砂：以原砂(包括回用砂)、水及添加剂为原料，采用冷冻、混合等方法，制备颗粒状低温型芯砂；
B.制备冷冻型芯：将颗粒状低温型芯砂一次性或分批填入造型砂箱或者制芯芯盒，紧实后得到待硬化的型芯，将型芯密闭并抽为真空，之后再吹入气体，待砂粒表面的部分或者全部冰变成水后，停止吹气，静置到砂粒表面的水变成冰且型芯强度足够高时，脱模或打开芯盒，获得冷冻型芯；
C.合箱浇铸：冷冻型芯合箱或组芯后，浇铸金属液，金属液冷凝为铸件后，分离铸件和砂；
D.循环利用砂：去除步骤C分离出的砂中的杂质，得到回用砂，重复步骤A～C，实现砂的循环利用。
进一步地，所述原砂为硅砂、石英砂、锆砂、镁砂、刚玉砂、铝硅系耐火材料砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、石灰石砂、石墨砂、人造宝珠砂中的一种或两种及多种上述各类别砂的混合物；所述添加剂为膨润土、硅酸盐粘结剂、磷酸盐粘结剂和有机粘结剂中的一种或两种及多种上述类别粘结剂的混合物；各原料的配比为：水占原砂的0～15％(质量百分比，下同)，添加剂占原砂的0～15％。
进一步地，A步骤中，所述冷冻的温度为：-0.1℃～-150℃。
进一步地，B步骤中，所述抽真空的相对真空度为0～-101KPa。
进一步地，B步骤中，所述吹入气体的温度为室温～1000℃。
进一步地，B步骤中，所述吹入气体中含有液态、固态或气态的水。
进一步地，B步骤中，所述密闭、抽真空、吹入气体三种操作中，省略其中的一种、两种或全部。
进一步地，B步骤中，所述抽真空和吹入气体两步操作，根据型芯形状、大小等不同，交替重复1～100次。
一种实现冷冻型芯制备方法的装置，包括：制备低温型芯砂的冷冻及混合系统、造型制芯系统、砂回用系统等；各系统之间按照铸件质量保障、操作便利、物流合理、能量利用充分等原则布局及衔接；其中造型制芯系统由造型制芯工装模具、填砂及实砂装置、型芯砂、密闭装置、抽真空装置和吹气装置组成。
本发明的有益效果
本发明的冷冻型芯制备方法，除具有常规的冷冻铸造以水(冰)为主要(唯一)粘结剂十分绿色环保的显著优点外，还有系列有益效果，包括但不限于：通过单独冷冻原砂或型芯砂，为高效率、低成本组织冷冻铸造生产提供了可能和便利；经过深冷的原砂或型芯砂，造型制芯后，温度低且保持零下温度的时间长，不但能为合箱(组芯)及浇铸等操作提供更充裕的时间，而且能提供较常规冷冻铸造更强的激冷效果，获得更佳的铸件组织及性能。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
按以下步骤造型制芯：
A.制备低温型芯砂：按硅砂100％、水3％配料，混合均匀后冷冻到-5℃，然后再将其分散，得到颗粒状低温型芯砂。
B.制备冷冻型芯：将颗粒状低温型芯砂填入造型砂箱或者制芯芯盒，紧实后得到待硬化的型芯，将该型芯密闭并抽真空到-80KPa，再吹入30℃的气体，且重复抽真空-吹气过程3次，使砂粒表面的部分或者全部冰变成水，然后静置到砂粒表面的水变成冰且型芯强度足够高时，脱模或打开芯盒，获得冷冻型芯。
C.合箱浇铸：冷冻型芯合箱或组芯后，浇铸金属液，金属液冷凝为铸件后，开箱，分离铸件和型芯砂。
D.循环利用砂：去除步骤C分离出的砂中的杂质，得到回用砂，重复步骤A～C，实现砂的循环利用。
本实施例的原料仅砂和水，配比简单，绿色环保，而且原材料管理方便；通过抽真空、吹气等操作，易于快速获得强度高、强度空间分布合理的型芯。
实施例2
按以下步骤造型制芯：
A.制备低温型芯砂：按石英砂2％、回用石英砂98％、水5％、膨润土3％、糊精1％配料，混合均匀后冷冻到-20℃，然后再将其分散，得到颗粒状低温型芯砂。
B.制备冷冻型芯：将颗粒状低温型芯砂填入造型砂箱或者制芯芯盒，紧实后得到待硬化的型芯，将该型芯密闭并抽真空到-85KPa，再吹入20℃的气体，且重复抽真空-吹气过程2次，使砂粒表面的部分或者全部冰变成水，然后静置到砂粒表面的水变成冰且型芯强度足够高时，脱模或打开芯盒，获得冷冻型芯。
C.合箱浇铸：冷冻型芯合箱或组芯后，浇铸金属液，金属液冷凝为铸件后，开箱，分离铸件和型芯砂。
D.循环利用砂：去除步骤C分离出的砂中的杂质，得到回用砂，重复步骤A～C，实现砂的循环利用。
本实施例，膨润土、糊精与冰同时提供强度，脱模或开芯时间可较短，可提高造型制芯效率，提高造型制芯工装周转利用率。
实施例3
按以下步骤造型制芯：
A.制备低温型芯砂：按石墨砂3％、回用石墨砂97％配料，冷冻到-25℃，加砂入混砂机，开启混砂机使砂持续运动，吹入含水雾的气体，型芯砂中含水量控制在1％～15％，混合均匀后得到颗粒状低温型芯砂。
B.制备冷冻型芯：将颗粒状低温型芯砂填入造型砂箱或者制芯芯盒，将该型芯密闭并抽真空到-50KPa，再吹入50℃的气体，且重复抽真空-吹气过程50次，使砂粒表面的部分或者全部冰变成水，然后静置到砂粒表面的水变成冰且型芯强度足够高时，脱模或打开芯盒，获得冷冻型芯。
C.合箱浇铸：冷冻型芯合箱或组芯后，浇铸金属液，金属液冷凝为铸件后，开箱，分离铸件和型芯砂。
D.循环利用砂：去除步骤C分离出的砂中的杂质，得到回用砂，重复步骤A～C，实现砂的循环利用。
本实施例，单独冷冻原砂，方便生产组织。通过水雾向砂中加入水，易于在砂表面获得均匀的水及冰。
实施例4
按以下步骤造型制芯：
A.制备低温型芯砂：按硅砂1％、回用硅砂99％、冰砂3％配料。将硅砂冷冻到-20℃，用混砂机将硅砂和冰砂混合均匀，得到颗粒状低温型芯砂。
B.制备冷冻型芯：将颗粒状低温型芯砂分批次填入造型砂箱或者制芯芯盒，紧实后得到待硬化的型芯，将该型芯密闭并抽真空到-98KPa，再吹入500℃的气体，使砂粒表面的部分或者全部冰变成水，然后静置到砂粒表面的水变成冰且型芯强度足够高时，脱模或打开芯盒，获得冷冻型芯。
C.合箱浇铸：冷冻型芯合箱或组芯后，浇铸金属液，金属液冷凝为铸件后，开箱，分离铸件和型芯砂。
D.循环利用砂：去除步骤C分离出的砂中的杂质，得到回用砂，重复步骤A～C，实现砂的循环利用。
本实施例，砂与冰机械混合得到颗粒状低温型芯砂，简便易行。
实施例5
按以下步骤造型制芯：
A.制备低温原砂：按硅砂1％、回用硅砂99％配料，混合均匀后冷冻到-10℃，得到低温原砂。
B.制备冷冻型芯：将低温原砂填入造型砂箱或者制芯芯盒，从模具或芯盒的通气孔等位置向型芯中吹入含有液态、固态或气态水的气体，使砂粒表面及砂间空隙内凝聚、填充冰(包括霜)，然后吹入30℃空气，使砂粒表面的部分或者全部冰变成水，再静置到砂粒表面的水变成冰且型芯强度足够高时，脱模或打开芯盒，获得冷冻型芯。
C.合箱浇铸：冷冻型芯合箱或组芯后，浇铸金属液，金属液冷凝为铸件后，开箱，分离铸件和型芯砂。
D.循环利用砂：去除步骤C分离出的砂中的杂质，得到回用砂，重复步骤A～C，实现砂的循环利用。
本实施例，干的原砂流动性好，易于填砂。
实施例6
按以下步骤造型制芯：
A.制备低温型芯砂：按硅砂1％、回用硅砂99％、水3％配料，混合均匀后冷冻到-150℃，然后再将其分散，得到颗粒状低温型芯砂。
B.制备冷冻型芯：将颗粒状低温型芯砂分批次填入造型砂箱或者制芯芯盒，紧实后得到待硬化的型芯，从模具或芯盒的通气孔等位置向型芯中吹入200℃的气体，使砂粒表面的部分或者全部冰变成水，然后静置到砂粒表面的水变成冰且型芯强度足够高时，脱模或打开芯盒，获得冷冻型芯。
C.合箱浇铸：冷冻型芯合箱或组芯后，浇铸金属液，金属液冷凝为铸件后，开箱，分离铸件和型芯砂。
D.循环利用砂：去除步骤C分离出的砂中的杂质，得到回用砂，重复步骤A～C，实现砂的循环利用。
本实施例，可省略密闭、抽真空等装置及工序，简便易行。
实施例7
按以下方式构建制备冷冻型芯的装置及系统：
将常温砂库、冷冻砂库、混砂机、造型制芯系统、砂回用系统等，顺序布置并组成砂的闭环回路。其中，常温砂库用于常温存放原砂及回用砂；冷冻砂库主要用于冷冻原砂及回用砂，也可用于冷冻已初步固化的型芯以进一步提高其强度，或者存放等待进入下一工序型芯；混砂机用于将砂、水、添加剂等混合均匀；造型制芯系统由造型制芯工装模具、填砂及实砂装置、型芯砂、密闭装置、抽真空装置和吹气装置组成。砂回用系统主要用于将使用后砂去除金属杂质及粉尘等异物以获得回用砂，并将回用砂送至砂库循环再利用。
本实施例，制备冷冻型芯的装置及系统中，相关装置及子系统之间按照铸件质量保障、操作便利、物流合理、能量利用充分等原则布局及衔接。
以上的说明和实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种冷冻型芯制备方法，包括造型和制芯，其特征在于：包括以下制备步骤：
A.制备低温型芯砂：以原砂(包括回用砂)、水及添加剂为原料，采用冷冻、混合等方法，制备颗粒状低温型芯砂；
B.制备冷冻型芯：将颗粒状低温型芯砂一次性或分批填入造型砂箱或者制芯芯盒，紧实后得到待硬化的型芯，将型芯密闭并抽为真空，之后再吹入气体，待砂粒表面的部分或者全部冰变成水后，停止吹气，静置到砂粒表面的水变成冰且型芯强度足够高时，脱模或打开芯盒，获得冷冻型芯；
C.合箱浇铸：冷冻型芯合箱或组芯后，浇铸金属液，金属液冷凝为铸件后，分离铸件和砂；
D.循环利用砂：去除步骤C分离出的砂中的杂质，得到回用砂，重复步骤A～C，实现砂的循环利用。
2.根据权利要求1所述的一种冷冻型芯制备方法，其特征在于：A步骤中，所述原砂为硅砂、石英砂、锆砂、镁砂、刚玉砂、铝硅系耐火材料砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、石灰石砂、石墨砂、人造宝珠砂中的一种或两种及多种上述各类别砂的混合物；所述添加剂为膨润土、硅酸盐粘结剂、磷酸盐粘结剂和有机粘结剂中的一种或两种及多种上述类别粘结剂的混合物；各原料的配比为：水占原砂的0～15％(质量百分比，下同)，添加剂占原砂的0～15％。
3.根据权利要求1所述的一种冷冻型芯制备方法，其特征在于：A步骤中，所述制备颗粒状低温型芯砂的方法为将原砂冷冻到-0.1℃～-150℃后，再与水、汽、冰或雪及添加剂混合，得到颗粒状低温型芯砂。
4.根据权利要求1所述的一种冷冻型芯制备方法，其特征在于：A步骤中，所述制备颗粒状低温型芯砂的方法为将原砂、水、添加剂混和均匀后冷冻到-0.1℃～-150℃，再将其分散，得到颗粒状低温型芯砂。
5.根据权利要求1所述的一种冷冻型芯制备方法，其特征在于：B步骤中，所述抽真空的相对真空度为0～-101KPa。
6.根据权利要求1所述的一种冷冻型芯制备方法，其特征在于：B步骤中，所述吹入气体的温度为室温～1000℃。
7.根据权利要求1所述的一种冷冻型芯制备方法，其特征在于：B步骤中，所述吹入气体中含有液态、固态或气态的水。
8.根据权利要求1所述的一种冷冻型芯制备方法，其特征在于：B步骤中，所述密闭、抽真空、吹入气体三种操作中，省略其中的一种、两种或全部。
9.根据权利要求1所述的一种冷冻型芯制备方法，其特征在于：B步骤中，所述抽真空和吹入气体两步操作，根据型芯形状、大小等不同，交替重复1～100次。
10.一种实现权利要求1所述的冷冻型芯制备方法的装置，其特征在于：包括制备低温型芯砂的冷冻及混合系统、造型制芯系统、砂回用系统等；各系统之间按照铸件质量保障、操作便利、物流合理、能量利用充分等原则布局及衔接；其中造型制芯系统由造型制芯工装模具、填砂及实砂装置、型芯砂、密闭装置、抽真空装置和吹气装置组成。
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