專利名稱：一種適用于選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂及其制備方法。
背景技術(shù)：
鑄造是現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成。其中，覆膜砂的鑄造方法是一種精密砂型鑄造(Precision-type Sand Casting)，其尺寸精度大幅度提高，可將普通砂型鑄件的尺寸精度由CT9-10級(jí)提高到CT6-7級(jí)，表面粗糙度降至 Ra<3. 2-6. 3 μ m。作為覆膜砂鑄造工藝主體的覆膜砂材料，吸引了大量研究者和供應(yīng)商的關(guān)注，目前開(kāi)發(fā)應(yīng)用成熟的鑄造覆膜砂材料均是通過(guò)模具壓制來(lái)制備成形的覆膜砂型(芯)， 同時(shí)，其覆膜砂的固化工藝均是在充分加熱條件下進(jìn)行的。采用選區(qū)激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)技術(shù)直接成形的砂型(芯) 是覆膜砂無(wú)模快速整體成形的一種新方法。選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)是基于離散、堆積成型的原理，借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，將固體粉末材料直接成形為三維實(shí)體零件，其生產(chǎn)工藝流程短、響應(yīng)速度快，且不受成形件復(fù)雜程度的影響。因此，采用SLS快速成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鑄造覆膜砂型(芯)的整體精確制備，非常適用于制造曲面復(fù)雜、線型多變且難以加工的鑄造模樣和砂芯等，特別是對(duì)于內(nèi)腔流道特別復(fù)雜、含有立體交叉水路、油路及氣路等精細(xì)結(jié)構(gòu)的一類鑄型(芯)具有明顯的優(yōu)越性。因此鑄造覆膜砂型(芯)的選區(qū)激光燒結(jié)成形技術(shù)在提高復(fù)雜鑄件的快速試制和制造能力，保證這類鑄件的高質(zhì)量精密成形方面有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前SLS成形所用的鑄造覆膜砂材料及其制備方法中存在如下的主要問(wèn)題大部分快速激光成形還是直接沿用(或稍加改動(dòng))傳統(tǒng)鑄造方法用的酚醛樹(shù)脂覆膜砂材料，即使少部分是針對(duì)SLS成形特點(diǎn)所研制的鑄造覆膜砂材料，也同樣普遍存在激光燒結(jié)成形件初坯強(qiáng)度偏低，從而導(dǎo)致激光燒結(jié)成形件在清粉、轉(zhuǎn)移過(guò)程容易斷裂、損壞或缺失， 其主要原因在于激光燒結(jié)過(guò)程不同于傳統(tǒng)加熱，是一種“急熔速冷”方式，在這種瞬間熱量的作用下，造成層內(nèi)局部及層間連接處的酚醛樹(shù)脂固化反應(yīng)發(fā)生不完全或完全沒(méi)有交聯(lián)固化，樹(shù)脂固化程度不高，甚至在顆粒間局部還存在僅依賴于樹(shù)脂的軟化來(lái)粘接，導(dǎo)致SLS成形件的初坯強(qiáng)度偏低。另外，目前激光燒結(jié)成形的覆膜砂型(芯)存在發(fā)氣量大問(wèn)題，易造成氣孔、縮松等鑄造缺陷，直接限制了覆膜砂快速成形的推廣應(yīng)用。其主要原因是激光燒結(jié)成形用覆膜砂中酚醛樹(shù)脂的添加量偏大(均大于3%)，同時(shí)，覆膜砂中的一些添加劑，如常用的潤(rùn)滑劑硬脂酸鈣也易導(dǎo)致發(fā)氣量增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種適用于選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂，該覆膜砂的SLS成形件的初坯強(qiáng)度高，尺寸精度高，尤其適用于成形內(nèi)腔流道特別復(fù)雜、含有立體交叉管路等精細(xì)結(jié)構(gòu)的一類鑄型(芯)。本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種適用于選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂的制備方法。
本發(fā)明的第一個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種適用于選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂，特征是由原砂、有機(jī)粘結(jié)劑、無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、偶聯(lián)劑及固化劑組成，其中
所述原砂為角形系數(shù)< 1. 1的球形或極似球形的寶珠砂，原砂的最大粒徑不大于 250 μ m，原砂的組成采用相鄰的四篩砂或五篩砂，原砂的鋪粉密度范圍為1.80 2. 10 g/
cm 3；
所述有機(jī)粘結(jié)劑為固態(tài)熱塑性酚醛樹(shù)脂，粉碎成粒徑為20 60 μ m的均勻酚醛樹(shù)脂粉末，酚醛樹(shù)脂粉末的加入量占原砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0. 8 2. 0% ；
所述無(wú)機(jī)粘結(jié)劑為磷酸二氫銨粉末，碾磨成粒徑為20 100 μ m的均勻磷酸二氫銨細(xì)粉，磷酸二氫銨細(xì)粉的加入量占原砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1 10% ；
所述偶聯(lián)劑為Y —氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，其加入量占有機(jī)粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1%，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水溶液；
所述固化劑為六亞甲基四胺，其加入量占有機(jī)粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在12 14%，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的水溶液。本發(fā)明的第二個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種適用于選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂的制備方法，特征是其過(guò)程為
(1)將所述原砂進(jìn)行篩分得到所需的四篩砂或五篩砂，將所述固態(tài)熱塑性酚醛樹(shù)脂粉碎成粒徑為20 60μπι均勻的酚醛樹(shù)脂粉末，將所述磷酸二氫銨粉末碾磨成粒徑為20 100 μ m均勻的磷酸二氫銨細(xì)粉；
(2)將上述四篩砂或五篩砂、酚醛樹(shù)脂粉末、偶聯(lián)劑和固化劑采用常規(guī)的熱法覆膜法制得酚醛樹(shù)脂覆膜砂；
(3)將所述磷酸二氫銨細(xì)粉加入到已制得的酚醛樹(shù)脂覆膜砂中，充分混合均勻，水冷至室溫，篩分并包裝，得到選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂成品。本發(fā)明適用于選區(qū)激光燒結(jié)成形用的鑄造覆膜砂材料是對(duì)被包覆的原砂顆粒進(jìn)行熱法覆膜后，再加入無(wú)機(jī)粘結(jié)劑磷酸二氫銨細(xì)粉，混合均勻而成的。它通過(guò)從原砂的粉體特性對(duì)覆膜砂激光燒結(jié)強(qiáng)度的影響著手，采用了角形系數(shù)< 1.1細(xì)粒度球形的寶珠砂，砂粒的粒度采用既滿足精密砂型鑄造工藝，又適合SLS成形工藝的顆粒粒徑分布的原砂，砂粒配制采用四篩砂或五篩砂，鋪粉密度范圍為1. 80 2. 10 g/cm3,良好的粒型和高的鋪粉密度，增加了黏結(jié)橋的數(shù)量而有利于提高激光燒結(jié)件的初坯強(qiáng)度，且能大幅度減少粘結(jié)劑用量，即酚醛樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原先的大于3%降低至0. 8 2. 0%，從而減少了氣孔缺陷發(fā)生的幾率。同時(shí)，良好的粒型在激光燒結(jié)過(guò)程中有很好的鋪展性、流動(dòng)性和填充性，本發(fā)明的選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂無(wú)需再添加硬脂酸鈣作潤(rùn)滑劑，而且好的粒型能提高激光燒結(jié)成形鑄型的透氣性。此外，本發(fā)明針對(duì)SLS “急熔速冷”瞬間作用下固化不充分的特點(diǎn)，添加了 1 10%的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑來(lái)進(jìn)一步提高激光燒結(jié)件的初坯強(qiáng)度，有利于激光燒結(jié)具有復(fù)雜內(nèi)腔精細(xì)結(jié)構(gòu)的成形件，解決了精細(xì)結(jié)構(gòu)部分在清粉、轉(zhuǎn)移過(guò)程易斷裂、損壞或缺失問(wèn)題；而且無(wú)機(jī)粘結(jié)劑在后處理過(guò)程中，轉(zhuǎn)化成磷酸鹽以增加強(qiáng)度，并減少了在澆注過(guò)程中可能存在的發(fā)氣問(wèn)題。因此，本發(fā)明具有激光燒結(jié)成形件的初坯強(qiáng)度高、成形尺寸精度好、發(fā)氣量小的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于激光快速成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄造砂芯(型)，尤其對(duì)于內(nèi)腔特別復(fù)雜、有空間交錯(cuò)結(jié)構(gòu)特征的復(fù)雜鑄件的快速整體精確成形方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1
(1)對(duì)角形系數(shù)<1. 1的球形或極似球形的寶珠砂顆粒進(jìn)行篩分，得到70/270目的五篩砂，主含量彡90%，五篩砂的鋪粉密度為2. 01g/cm3 ；
(2)將固態(tài)熱塑性酚醛樹(shù)脂粉碎成粒徑為60μ m的均勻酚醛樹(shù)脂粉末；
(3)將磷酸二氫銨粉末碾磨成粒徑為50μ m的均勻磷酸二氫銨細(xì)粉；
(4)采用熱法覆膜法制備酚醛樹(shù)脂覆膜砂，其中上述的五篩砂l(fā)OOOg，粒徑為60μπι的酚醛樹(shù)脂粉末12g (加入量占五篩砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.洲)，偶聯(lián)劑0. 12g (加入量占酚醛樹(shù)脂粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水溶液)和六亞甲基四胺1.44g (加入量占酚醛樹(shù)脂粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1296，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的水溶液)，制得酚醛樹(shù)脂覆膜砂；
(5)將粒徑50μ m磷酸二氫銨細(xì)粉60g (加入量占五篩砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%)加入到步驟(4)制得的酚醛樹(shù)脂覆膜砂中混合均勻，水冷至室溫，篩分并包裝，得到選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂成品。實(shí)施例2:
(1)對(duì)角形系數(shù)< 1. 1的球形或極似球形的寶珠砂顆粒進(jìn)行篩分，得到70/200目的四篩砂，主含量彡85%，四篩砂的鋪粉密度為1. 92g/cm3 ；
(2)將固態(tài)熱塑性酚醛樹(shù)脂粉碎成粒徑為40μ m的均勻酚醛樹(shù)脂粉末；
(3)將磷酸二氫銨粉末碾磨成粒徑為80μ m的均勻磷酸二氫銨細(xì)粉；
(4)采用熱法覆膜法制備酚醛樹(shù)脂覆膜砂，其中上述的四篩砂l(fā)OOOg，粒徑40μ m的酚醛樹(shù)脂粉末15g (加入量占四篩砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%)，偶聯(lián)劑0. 15g (加入量占酚醛樹(shù)脂粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水溶液)和六亞甲基四胺1.8g (加入量占酚醛樹(shù)脂粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的水溶液)，制得酚醛樹(shù)脂覆膜砂；
(5)將粒徑80μ m磷酸二氫銨細(xì)粉40g (加入量占四篩砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%)加入到步驟(4)制得的酚醛樹(shù)脂覆膜砂中混合均勻，水冷至室溫，篩分并包裝，得到選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂成品。實(shí)施例3:
(1)對(duì)角形系數(shù)<1. 1的球形或極似球形的寶珠砂顆粒進(jìn)行篩分，得到100/270目的四篩砂，主含量彡85%，四篩砂的鋪粉密度為1. 85g/cm3 ；
(2)將固態(tài)熱塑性酚醛樹(shù)脂粉碎成粒徑為20μ m的均勻酚醛樹(shù)脂粉末；
(3)將磷酸二氫銨粉末碾磨成粒徑為30μ m的均勻磷酸二氫銨細(xì)粉；
(4)采用熱法覆膜法制備酚醛樹(shù)脂覆膜砂，其中上述的四篩砂2000g，粒徑20μ m的酚醛樹(shù)脂粉末36g (加入量占四篩砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%)，偶聯(lián)劑0.36g (加入量占酚醛樹(shù)脂粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水溶液)和六亞甲基四胺5. 04g (加入量占酚醛樹(shù)脂粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的水溶液)，制得酚醛樹(shù)脂覆膜砂；
(5)將粒徑30μ m磷酸二氫銨細(xì)粉40g (加入量占四篩砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%)加入到步驟(4)制得的酚醛樹(shù)脂覆膜砂中混合均勻，水冷至室溫，篩分并包裝，得到選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂成品。
權(quán)利要求
1.一種適用于選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂，其特征在于由原砂、有機(jī)粘結(jié)劑、無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、偶聯(lián)劑及固化劑組成，其中所述原砂為角形系數(shù)< 1.1的球形或極似球形的寶珠砂，原砂的最大粒徑不大于 250 μ m,原砂的組成采用相鄰的四篩砂或五篩砂，原砂的鋪粉密度范圍為1. 80 2. 10 g/3cm ；所述有機(jī)粘結(jié)劑為固態(tài)熱塑性酚醛樹(shù)脂，粉碎成粒徑為20 60 μ m的均勻酚醛樹(shù)脂粉末，酚醛樹(shù)脂粉末的加入量占原砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0. 8 2. 0% ；所述無(wú)機(jī)粘結(jié)劑為磷酸二氫銨粉末，碾磨成粒徑為20 100 μ m的均勻磷酸二氫銨細(xì)粉，磷酸二氫銨細(xì)粉的加入量占原砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1 10% ；所述偶聯(lián)劑為Y —氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，其加入量占有機(jī)粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1%，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水溶液；所述固化劑為六亞甲基四胺，其加入量占有機(jī)粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在12 14%，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的水溶液。
2.一種適用于選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂的制備方法，其特征在于(1)將所述原砂進(jìn)行篩分得到所需的四篩砂或五篩砂，將所述固態(tài)熱塑性酚醛樹(shù)脂粉碎成粒徑為20 60 μ m均勻的酚醛樹(shù)脂粉末，將所述磷酸二氫銨粉末碾磨成粒徑為20 100 μ m均勻的磷酸二氫銨細(xì)粉；(2)將上述四篩砂或五篩砂、酚醛樹(shù)脂粉末、偶聯(lián)劑和固化劑采用常規(guī)的熱法覆膜法制得酚醛樹(shù)脂覆膜砂；(3)將所述磷酸二氫銨細(xì)粉加入到已制得的酚醛樹(shù)脂覆膜砂中，充分混合均勻，水冷至室溫，篩分并包裝，得到選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂成品。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂及其制備方法，該覆膜砂由原砂、有機(jī)粘結(jié)劑、無(wú)機(jī)粘結(jié)劑、偶聯(lián)劑及固化劑組成，而無(wú)需潤(rùn)滑劑、光吸收劑等添加劑；原砂為角形系數(shù)≤1.1的球形寶珠砂，砂粒組成采用相鄰的四篩砂或五篩砂。其制備方法為先將所述原砂進(jìn)行篩分得到所需的四篩砂或五篩砂，然后將酚醛樹(shù)脂粉末、偶聯(lián)劑及固化劑按一定比例對(duì)原砂進(jìn)行熱法覆膜，得到酚醛樹(shù)脂覆膜砂，最后將一定比例的磷酸二氫銨細(xì)粉與酚醛樹(shù)脂覆膜砂均勻混合，得到選區(qū)激光燒結(jié)成形用鑄造覆膜砂。這種覆膜砂激光燒結(jié)成形件的初坯強(qiáng)度高，成形精度好，發(fā)氣量小，可應(yīng)用于激光快速成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄造砂型(芯)，提高了復(fù)雜鑄件的快速試制和制造能力。
文檔編號(hào)B22C1/18GK102343415SQ20111029917
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者嚴(yán)青松, 余歡, 盧百平, 徐志鋒, 朱佩蘭, 楊偉, 梁培, 熊博文, 蔡長(zhǎng)春 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)