CN114799037B - 一种抗脉纹覆膜砂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗脉纹覆膜砂及其制备方法，按照重量份，包括如下原料制成：硅砂100份、酚醛树脂1‑3份、固化剂0.1‑0.45份、润滑剂0.05‑0.21份和抗脉纹剂0.05‑0.1份。本发明所述的抗脉纹覆膜砂在高温下的热膨胀率明显要低于常规砂，抗脉纹剂填充在砂粒的缝隙中，能够提高砂芯的紧实度，从而提高砂粒间的粘结强度，抵御相变膨胀力对砂芯的破坏，抗脉纹剂能够吸收和容纳二氧化硅相变，本发明所述的抗脉纹剂在高温500‑600℃条件下，先是由固态变成熔融状态，不仅能有效吸收硅砂带来的膨胀，降低砂芯的热膨胀率，还能具备一定的高温粘结性，给砂粒提供一定的粘结性，从而提高砂粒间的粘结效果。
Description
技术领域
本发明属于覆膜砂技术领域，具体涉及一种抗脉纹覆膜砂及其制备方法。
背景技术
我国新能源汽车、高铁、航天工业的迅速发展，要逐步实现高端零部件从进口到国产化的转变，对国内铸造企业的机遇和挑战，而优异的造型材料是铸件生产的关键材料。
不同材质的金属铸件的浇注温度从1350-1600℃不等，铸造最常用造型材料为石英质的硅砂，石英为硅氧四面体，在573℃会有a→β的相变膨胀，硅砂的膨胀，造成砂芯开裂，引起铸件出现粘砂、脉纹、变形以及开裂等缺陷。而非石英质砂(镁砂、橄榄石砂、锆砂、宝珠砂、陶粒砂)等虽然综合性能较高，但是资源稀缺、价格昂贵。
CN106552902A公开了高效抗脉纹型覆膜砂及其制备方法，所述高效抗脉纹型覆膜砂按照质量份数包括：混配砂88～92份、粘结剂1～4份、固化剂0.1～0.8份、增强剂0.001～0.02份、润滑剂0.01～0.2份、容让性复合粉0.45～4.5份和添加剂0.9～9份。该发明中锆砂、橄榄石砂和锂辉石砂均为特种砂，价格高，且通过降低二氧化硅的含量，来控制膨胀率。
CN100482378C公开了防止铸件脉纹缺陷的原砂添加剂，包括下列重量配方：透明石英8％、方解石1％、海泡石1％、高岭石70％、叶蜡石10％、磁铁石10％；既不影响混合料、砂芯(型)常现使用性能，又能以防止铸件脉纹缺陷为主，同时对铸件气孔、粘砂(烧结)等缺陷有辅助疗效。该申请是一种原砂添加剂，添加在造型材料中。
CN111872316A公开了一种3D打印砂添加剂及其应用，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，该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。但是为通过熔融石英、锂辉石、铁化合物、羧甲基纤维素醚和碳素材料等降低二氧化硅的含量，来降低热膨胀率，并不能将相变膨胀吸收。
鉴于以上原因，特提出本发明。
发明内容
为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种抗脉纹覆膜砂及其制备方法，本发明的方法通过抗脉纹剂包覆在覆膜砂的表面，不影响覆膜砂的常规性能，并且制备的覆膜砂具有优异的耐热性能，成本低，降低了铸件的报废率。
本发明的第一目的，提供了一种抗脉纹覆膜砂，按照重量份，包括如下原料制成：硅砂100份、酚醛树脂1-3份、固化剂0.1-0.45份、润滑剂0.05-0.21份和抗脉纹剂0.05-0.1份。
进一步的，按照重量份，包括如下原料制成：硅砂100份、酚醛树脂2份、固化剂0.275份、润滑剂0.13份和抗脉纹剂0.075份。
进一步的，所述的抗脉纹剂为聚酰亚胺、PBO纤维和聚苯并咪唑中的一种或几种。
聚酰亚胺在300℃的空气中，能耐1000h，其高温机械性能仍然良好，且耐磨、耐辐射、耐燃性能优异，短期能经受500℃的高温处理。
PBO纤维(聚对苯撑苯并二噁唑纤维)产品的耐热温度达到600℃，极限氧指数68，在火焰中不燃烧、不收缩，耐热性和难燃性高。
聚苯并咪唑主要用于要求纤维阻燃、耐高温和无烟的领域。包括耐高温手套、高温防护服、传送带等，可在500℃短时间使用，并具备一定的高温粘结性。
本发明中所述的抗脉纹剂选择多种时可以按照任意比例混合而成。
进一步的，聚酰亚胺或聚苯并咪唑的粒径＞300目，PBO纤维长度＜30mm。
进一步的，所述的固化剂为质量分数为30-50％的乌洛托品水溶液。
进一步的，润滑剂为硬脂酸钙。
由于高温金属液在凝固过程中会释放大量的潜热，这些热被砂芯(型)吸收后，砂粒的温度从常温快速的上升到800℃以上。砂粒在573℃阶段时，就会急剧的相变膨胀，这种膨胀力大于树脂之间的粘结力的时候，砂芯就会开裂，此时如果金属液没有完全凝固，金属液就会渗入开裂的砂芯缝隙中，造成铸件的报废。管类铸件，砂芯是圆形的，内外层收缩膨胀不一致，极易开裂。
本发明方法在混制的过程中加入抗脉纹剂得到了抗脉纹覆膜砂，高温金属液在注入型腔后，使用本发明所述的抗脉纹覆膜砂制作的砂芯能够吸收相变膨胀，砂粒之间有足够的退让性，解决材料常规覆膜砂在产生大型管类铸件不良率高的问题。
本发明的抗脉纹剂在130-160℃条件下以辅剂形式添加到覆膜砂中，制芯温度在200-300℃，该温度下抗脉纹剂本身具备一定的耐热性，不会发生分解。浇注阶段，当砂芯受热温度逐步到500-600℃时，这些抗脉纹剂逐步分解，让砂粒间有一定的退让性。
本发明的第二目的，提供了一种所述抗脉纹覆膜砂的制备方法，所述的方法包括如下步骤：
(1)按照各原料的重量份，分别称取备用；
(2)将备用的硅砂进行加热，再加入酚醛树脂，搅拌均匀，搅拌时间为20-30s，加入固化剂，搅拌均匀，搅拌时间为20-30s，加入抗脉纹剂，搅拌均匀，最后加入润滑剂，搅拌均匀，搅拌时间为20-30s，冷却，得到所述的抗脉纹覆膜砂。
进一步的，步骤(2)中硅砂加热至130-160℃。
本发明所述的抗脉纹覆膜砂制成的砂芯在不同温度阶段，都能发挥不同的效果：阶段I，当砂芯的温度逐渐到500℃时，抗脉纹剂逐步呈现融化态，并提供一定的粘结强度，维持砂芯的高温性能，抗脉纹剂像“海绵”一样吸收前期的热膨胀；阶段II当砂芯的温度升到硅砂的相变温度时，抗脉纹剂会受热分解，形成弥散的细小孔隙，用于“容纳”二氧化硅的a→β的膨胀，避免砂粒粘结骨架结构破坏，继续保持砂芯的尺寸轮廓精度，为生产精密尺寸的铸件提供保障，尤其是解决了普通硅砂能用于高端管类铸件的特殊需求。
潜热：相变潜热的简称，指物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。
粘砂：铸件表面上粘附有一层难以清除的砂粒称为粘砂。粘砂既影响铸件外观，又增加铸件清理和切削加工的工作量，甚至会影响机器的寿命
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)在浇注的时候，砂芯受到高温金属液的持续热效应，在较短时间内，靠近金属液的砂芯温度会从常温迅速上升到600℃以上，这时包覆在砂表面有机物树脂，因受热发生逐步分解，降低砂粒之间的粘结骨架，若硅砂再有热膨胀力，就会迅速的产生裂纹；本发明中所述的抗脉纹剂在此温度下会熔解，形成一定量的孔隙空间，吸收硅砂的相变膨胀，以提高覆膜砂耐热性的优点，相比较低膨胀的材料(宝珠砂、陶粒砂、铬铁砂等)，成本优势明显，降低铸件的报废率，是铸造领域的一种全新材料；
(2)本发明所述的抗脉纹剂在高温500-600℃条件下，先是由固态变成熔融状态，不仅能有效吸收硅砂带来的膨胀，降低砂芯的热膨胀率，还能具备一定的高温粘结性，给砂粒提供一定的粘结性，从而提高砂粒间的粘结效果，本发明所述的抗脉纹剂是一种耐热性材料，在200-300℃的制芯温下不会有任何副作用，抗脉纹剂对覆膜砂的生产和使用工艺产均无影响；
(3)本发明所述的抗脉纹覆膜砂在高温下的热膨胀率明显要低于常规砂，抗脉纹剂填充在砂粒的缝隙中，能够提高砂芯的紧实度，从而提高砂粒间的粘结强度，抵御相变膨胀力对砂芯的破坏，抗脉纹剂能够吸收和容纳二氧化硅相变，较特种覆膜砂，热膨胀率接近一致，但是成本要低200％，砂芯热膨胀率低，可以更好的抵御硅砂的相变膨胀，从而获得表面质量、尺寸精度高的铸件，对铸造强国推进，起到至关重要的推动作用，以及提高我国关键零部件国产化的趋势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述的抗脉纹覆膜砂制备的砂芯结构示意图；
图2是本发明所述的抗脉纹覆膜砂在高温时的状态图；
图3是本发明所述的抗脉纹剂覆膜砂的热膨胀率测试示意图；
其中，1-高温金属液、2-砂芯内层高温区、3-砂芯中层中温区、4-砂芯外层低温区、5-硅砂、6-抗脉纹剂、7-活动凸台、8-待测试块、9-固定凸台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明实施例中聚酰亚胺为上海盛钧塑胶科技有限公司，热固性聚酰亚胺PI，
PBO纤维为上海孚定新材料科技有限公司，耐高温短纤维；
聚苯并咪唑为东莞市澳华塑胶贸易有限公司，耐水解PBI。
本实施例中仅仅以上述的生产厂家和型号为例进行解释说明，并非仅限定为上述的厂家和型号，其他的生产厂家及型号均在本申请的保护范围之内。
如图1所述为本发明所述的抗脉纹覆膜砂制备的砂芯结构示意图，其中，高温金属液1凝固时会释放大量的热量；砂芯内层高温区2该层砂粒最先开始受热，最先膨胀，且膨胀率大；砂芯中层中温区3该层砂粒逐步受热，膨胀较慢；砂芯外层低温区4该层砂粒最后开始受热，膨胀滞后，或者不膨胀。
如图2为本发明所述的抗脉纹覆膜砂在高温下的状态图，从图中可以看出，在高温时抗脉纹剂填充在砂粒的缝隙中。
实施例1
本发明的一种抗脉纹覆膜砂，包括如下原料制成：硅砂100kg、酚醛树脂1kg、固化剂0.45kg、润滑剂0.05kg和抗脉纹剂0.1kg；
本实施例的抗脉纹覆膜砂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照各原料的重量份，分别称取备用；
(2)将备用的硅砂进行加热至130℃，再加入酚醛树脂，搅拌均匀，搅拌时间为20s，加入固化剂，搅拌均匀，搅拌时间为20s，加入抗脉纹剂，搅拌均匀，最后加入润滑剂，搅拌均匀，搅拌时间为20s，冷却，得到所述的抗脉纹覆膜砂。
其中，本实施例中固化剂为质量分数为30％的乌洛托品水溶液，润滑剂为硬脂酸钙，抗脉纹剂为聚酰亚胺。
实施例2
本发明的一种抗脉纹覆膜砂，包括如下原料制成：硅砂100kg、酚醛树脂2kg、固化剂0.275kg、润滑剂0.13kg和抗脉纹剂0.075kg；
本实施例的抗脉纹覆膜砂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照各原料的重量份，分别称取备用；
(2)将备用的硅砂进行加热至145℃，再加入酚醛树脂，搅拌均匀，搅拌时间为25s，加入固化剂，搅拌均匀，搅拌时间为25s，加入抗脉纹剂，搅拌均匀，搅拌时间为25s，最后加入润滑剂，搅拌均匀，冷却，得到所述的抗脉纹覆膜砂。
其中，本实施例中固化剂为质量分数为40％的乌洛托品水溶液，润滑剂为硬脂酸钙，抗脉纹剂为聚苯并咪唑。
实施例3
本发明的一种抗脉纹覆膜砂，包括如下原料制成：硅砂100kg、酚醛树脂3kg、固化剂0.1kg、润滑剂0.21kg和抗脉纹剂0.05kg；
本实施例的抗脉纹覆膜砂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照各原料的重量份，分别称取备用；
(2)将备用的硅砂进行加热至160℃，再加入酚醛树脂，搅拌均匀，搅拌时间为30s，加入固化剂，搅拌均匀，搅拌时间为30s，加入抗脉纹剂，搅拌均匀，搅拌时间为30s，最后加入润滑剂，搅拌均匀，冷却，得到所述的抗脉纹覆膜砂。
其中，本实施例中固化剂为质量分数为50％的乌洛托品水溶液，润滑剂为硬脂酸钙，抗脉纹剂为PBO纤维。
实施例4
本实施例的抗脉纹覆膜砂原料与制备方法与实施例1相同，不同之处在于，抗脉纹剂为聚酰亚胺和聚苯并咪唑按照质量比1:1混合而成。
实施例5
本实施例的抗脉纹覆膜砂原料与制备方法与实施例1相同，不同之处在于，抗脉纹剂为聚酰亚胺和PBO纤维按照质量比1:1混合而成。
实施例6
本实施例的抗脉纹覆膜砂原料与制备方法与实施例1相同，不同之处在于，抗脉纹剂为聚苯并咪唑和PBO纤维按照质量比1:1混合而成。
实施例7
本实施例的抗脉纹覆膜砂原料与制备方法与实施例1相同，不同之处在于，抗脉纹剂为聚酰亚胺、聚苯并咪唑和PBO纤维按照质量比1:1:1混合而成。
对比例1
本实施例的覆膜砂原料与制备方法与实施例1相同，不同之处在于，不添加抗脉纹剂。
对比例2
本对比例制备的常规抗脉纹覆膜砂，原料与制备方法与实施例1相同，不同之处在于，抗脉纹剂为氧化铝、铁矿砂和高岭土按照1:1:1混合而成，抗脉纹的质量为硅砂质量的10％。
对比例3
本对比例制备的特种高铝覆膜砂，原料与制备方法与实施例1相同，不同之处在于，用陶粒砂替代硅砂，铬铁矿替代抗脉纹剂，先将铬铁矿进行加热，再依次加入酚醛树脂、固化剂、润滑剂搅拌均匀，得到特种高铝覆膜砂。
试验例1
测试实施例1-7和对比例1-3制备的覆膜砂的性能，具体测试参照JB/T8583-2008标准，结果如表1。其中，如图3所示，热膨胀率测试方法如下：
(1)样砂制作圆柱形覆膜砂试块，试块的直径为高度为H＝20mm，在232℃固化2min后取出，待测试块8冷却到室温备用；
(2)将试块放在刚玉材质的圆柱形固定凸台上9，固定凸台9预热温度为800℃；
(3)装有传感器的活动凸台7，从试块顶部垂直下压，直至接触到试块；
(4)传感器和PC端连接，记录试块因为受热而膨胀的距离，再换算为热膨胀率：
β＝(L1-L0)/L0×100％；
其中：β热膨胀率；
L1试块受热膨胀后，两个凸台间的距离；
L0活动凸台7接触试块后，两个凸台间的初始距离。
表1
通过表1可知，本发明制备的覆膜砂在高温下的热膨胀率明显低于不添加抗脉纹制备的覆膜砂，这是由于抗脉纹剂填充在砂粒的缝隙中，能够提高砂芯的紧实度，从而提高砂粒间的粘结强度，抵御相变膨胀力对砂芯的破坏，抗脉纹剂能够吸收和容纳二氧化硅相变。与特种高铝覆膜砂相比，热膨胀率接近一致，但是成本要低200％，砂芯热膨胀率低，可以更好的抵御硅砂的相变膨胀，从而获得表面质量、尺寸精度高的铸件。实施例1-7与对比例2的相比，本发明制备的覆膜砂与常规抗脉纹覆膜砂的热膨胀率相差不大，但是常规抗脉纹覆膜砂的强度衰退严重，从实施例1-3和实施例4-7可以看出，抗脉纹剂选择两种或三种混合时热膨胀率更低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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 (6)
1.一种抗脉纹覆膜砂，其特征在于，按照重量份，包括如下原料制成：硅砂100份、酚醛树脂1-3份、固化剂0.1-0.45份、润滑剂0.05-0.21份和抗脉纹剂0.05-0.1份；
所述的抗脉纹剂为聚酰亚胺、PBO纤维和聚苯并咪唑中的一种或几种；
聚酰亚胺的粒径＞300目，聚苯并咪唑的粒径＞300目，PBO纤维长度＜30mm。
2.根据权利要求1所述的一种抗脉纹覆膜砂，其特征在于，按照重量份，包括如下原料制成：硅砂100份、酚醛树脂2份、固化剂0.275份、润滑剂0.13份和抗脉纹剂0.075份。
3.根据权利要求1或2所述的一种抗脉纹覆膜砂，其特征在于，所述的固化剂为质量分数为30-50%的乌洛托品水溶液。
4.根据权利要求1或2所述的一种抗脉纹覆膜砂，其特征在于，润滑剂为硬脂酸钙。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的抗脉纹覆膜砂的制备方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
（1）按照各原料的重量份，分别称取备用；
（2）将备用的硅砂进行加热，再加入酚醛树脂，搅拌均匀，搅拌时间为20-30s，加入固化剂，搅拌均匀，搅拌时间为20-30s，加入抗脉纹剂，搅拌均匀，最后加入润滑剂，搅拌均匀，搅拌时间为20-30s，冷却，得到所述的抗脉纹覆膜砂。
6.根据权利要求5所述的抗脉纹覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中硅砂加热至130-160℃。
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