鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件用水溶性砂芯的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件用水溶性砂芯的制備方法，包括：(a)在常溫下將七水硫酸鎂和等離子水配制成質(zhì)量百分比為20％～30％的硫酸鎂水溶液，然后將特定量的十八水硫酸鋁和添加劑加入至該硫酸鎂水溶液中，并加熱至60℃～80℃制成復(fù)合粘結(jié)劑；(b)將鑄造原砂預(yù)混均勻后加入復(fù)合粘結(jié)劑，由此得到混合料芯砂；(c)將得到的混合料芯砂放入制芯模具內(nèi)壓實(shí)，然后將其與模具一同放入微波環(huán)境中執(zhí)行加熱，取出脫模由此獲得所需水溶性砂芯產(chǎn)品。通過本發(fā)明，能夠制得具備良好的常溫強(qiáng)度、抗吸濕性和化學(xué)穩(wěn)定性以及較低發(fā)氣量的水溶性砂芯，特別是具有優(yōu)異的鑄后水溶潰散性，并且對(duì)鑄件無損壞，對(duì)環(huán)境無污染。
【專利說明】鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件用水溶性砂芯的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天航空材料【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件水溶性砂芯的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在航天航空制造業(yè)中，為了減輕質(zhì)量，提高飛機(jī)和航天器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)動(dòng)性能，越來越多地采用整體薄壁結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)部件中的薄壁框、壁板、翼肋和發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等。相應(yīng)地，對(duì)這些金屬合金(譬如鋁合金、鎂合金)薄壁結(jié)構(gòu)件的要求也非?？量?，尤其是，當(dāng)此類薄壁結(jié)構(gòu)件帶有復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)或細(xì)、彎、長的孔狀結(jié)構(gòu)而且其砂芯是組合砂芯時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鑄件的鑄后清理工作非常困難，因而要求砂芯較高的潰散性能。
[0003]目前常用的薄壁結(jié)構(gòu)件用組合砂芯包括樹脂砂芯和水玻璃砂芯等。樹脂砂芯具有較高強(qiáng)度，常被用來生產(chǎn)此類鑄件，但樹脂砂芯低溫潰散難、發(fā)氣大，易造成氣孔、冷隔等鑄造缺陷，而且有嚴(yán)重的環(huán)境污染問題；水玻璃砂是目前鑄造生產(chǎn)中較為綠色環(huán)保的型砂，但在環(huán)境濕度下吸濕性很強(qiáng)，而且其應(yīng)用于低溫澆注時(shí)，部分溫度區(qū)間內(nèi)的潰散性能依然不理想，水溶效果較差，導(dǎo)致鑄件鑄后清理工作難，此外，以水玻璃砂作型砂，其舊砂再生較為困難。
[0004]為此，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出采用水溶性硫酸鹽砂芯來制備金屬薄壁結(jié)構(gòu)件的方案，當(dāng)其研宄應(yīng)用仍處于起步階段。例如，何家慶等提出了一種硫酸鎂水溶芯，但其采用單一硫酸鎂溶液為粘結(jié)劑，加入量較大且強(qiáng)度不高，而且高嶺土的加入容易使砂芯發(fā)氣增大；CN101391453A中公開了一種利用水玻璃砂制備的砂芯，但其在空氣環(huán)境下吸濕性大、砂芯強(qiáng)度損失大，要求在極短時(shí)間內(nèi)澆注，操作難度大，而且部分低受熱溫度區(qū)間內(nèi)，水溶效果較差；此外，US7000680B中披露了以吹熱空氣的方式來制備硫酸鎂水溶芯的方法，但其粘結(jié)劑加入量仍然較大，相應(yīng)導(dǎo)致砂芯發(fā)氣增大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件用水溶性砂芯的制備方法，其中通過對(duì)作為關(guān)鍵參與物的復(fù)合粘結(jié)劑的組分及配比進(jìn)行研宄設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)砂芯制備工藝中的重要工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，相應(yīng)能夠制得具備良好的常溫強(qiáng)度、抗吸濕性和化學(xué)穩(wěn)定性以及較低發(fā)氣量的水溶性砂芯，特別是具有優(yōu)異的鑄后水溶潰散性，并且對(duì)鑄件無損壞，對(duì)環(huán)境無污染，因而尤其適用于具有復(fù)雜內(nèi)腔或細(xì)長孔結(jié)構(gòu)的鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件的制芯用途及鑄件的快速清理。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件用水溶性砂芯的制備方法，其特征在于，該方法包括下列步驟:
[0007](a)復(fù)合粘結(jié)劑的加工步驟
[0008]在常溫下，將七水硫酸鎂和等離子水配制成質(zhì)量百分比為20%?30%的硫酸鎂水溶液，然后將一定量的十八水硫酸鋁和添加劑加入至該硫酸鎂水溶液中，并加熱至60°C?80°C，由此制成復(fù)合粘結(jié)劑；其中所述添加劑選自磷酸鋁或硼酸等，并且硫酸鎂水溶液、十八水硫酸鋁和添加劑之間的重量份數(shù)被設(shè)定為4?6:0.5?1:0?0.5 ;
[0009](b)混合料芯砂的加工步驟
[0010]將鑄造原砂在葉片式混砂機(jī)中預(yù)混均勻后，加入步驟(a)所制得的復(fù)合粘結(jié)劑，并再次執(zhí)行混砂處理60秒?90秒，由此得到混合料芯砂；其中鑄造原砂與復(fù)合粘結(jié)劑之間按照重量份數(shù)比被設(shè)定為100:4.5?7.5 ;
[0011](c)微波加熱步驟
[0012]將步驟(b)所得到的混合料芯砂放入制芯模具內(nèi)壓實(shí)，然后將其與模具一同放入微波環(huán)境中執(zhí)行加熱，最后取出脫模，由此獲得所需的鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件用水溶性砂芯。
[0013]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(b)中，所述鑄造原砂選自以下材料的一種或其混合物:大林擦洗砂、寶珠砂和都昌擦洗砂。
[0014]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(C)中，優(yōu)選采用二次微波加熱處理方式，即首先將壓緊的混合料芯砂及模具一同放入微波爐中加熱30秒?60秒，取出脫模獲得具有初始硬度的砂芯；然后，將該砂芯再次放入到微波爐中加熱50秒?120秒，由此獲得所需的鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件用水溶性砂芯產(chǎn)品。
[0015]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(C)中，所述微波加熱的工藝條件優(yōu)選被設(shè)定為:微波加熱功率大小隨砂樣大小變化，砂樣重量10g?100g時(shí)，微波加熱功率為IKW?2KW，二次微波加熱時(shí)間為初次加熱時(shí)間35秒?45秒、再次加熱時(shí)間50秒?60秒。
[0016]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過對(duì)復(fù)合粘結(jié)劑的組分及其配備、它在鑄造原砂中所占比例，以及對(duì)制芯工藝過程中的關(guān)鍵反應(yīng)參數(shù)如微波加熱等進(jìn)行研宄和對(duì)比測試，所制得的產(chǎn)品可以解決復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的鋁(鎂)合金鑄件鑄造后其芯砂清理困難得問題，砂芯既具有高強(qiáng)度和較好化學(xué)穩(wěn)定性及抗吸濕性，又具有優(yōu)異的水溶潰散性能，同時(shí)舊砂回收方便簡單，并且對(duì)鑄件無損傷，對(duì)環(huán)境無污染，可實(shí)現(xiàn)綠色鑄造，因而尤其適用于航天航空整體薄壁結(jié)構(gòu)件之類的加工用途。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是按照本發(fā)明的水溶性砂芯的制備工藝流程圖；
[0018]圖2是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的二次微波加熱的制芯操作流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0020]實(shí)施例1:
[0021]砂芯材料準(zhǔn)備:100份50/100目大林擦洗砂，5.5份復(fù)合粘結(jié)劑。
[0022]將七水硫酸鎂和水配制成30 %硫酸鎂水溶液，取5份硫酸鎂水溶液，再將0.5份十八水硫酸鋁加入硫酸鎂水溶液中并加熱至70°C，形成復(fù)合粘結(jié)劑溶液；將大林砂在混砂機(jī)中預(yù)混15s，隨后加入復(fù)合粘結(jié)劑混砂90s，得到混合料芯砂；然后木模制芯，放入微波爐中(1400W，下同)加熱40s，取出后脫模，再次放入微波爐中加熱50s，待冷卻至室溫得到砂芯。
[0023]通過制取“8”字試樣，測其抗拉強(qiáng)度1.2?1.3MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對(duì)濕度70%?80%，試樣4h存放強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度，下同)0.8?0.9MPa。砂芯試樣模擬澆注后，放入適量的水中，可在Imin內(nèi)實(shí)現(xiàn)水溶潰散。
[0024]實(shí)施例2:
[0025]砂芯材料準(zhǔn)備:100份50/100目寶珠砂，4.5份復(fù)合粘結(jié)劑。
[0026]將七水硫酸鎂和水配制成30 %硫酸鎂水溶液，取4份硫酸鎂水溶液，再將0.5份十八水硫酸鋁加入硫酸鎂水溶液中并加熱至70°C，形成復(fù)合粘結(jié)劑溶液；將寶珠砂在混砂機(jī)中預(yù)混15s，隨后加入復(fù)合粘結(jié)劑混砂90s，得到混合料芯砂；然后木模制芯，放入微波爐中加熱40s，取出后脫模，再次放入微波爐中加熱50s，待冷卻至室溫得到砂芯。
[0027]通過制取“8”字試樣，測其抗拉強(qiáng)度1.7?1.9MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對(duì)濕度20%?30%，試樣8h存放強(qiáng)度1.0?1.1MPa0砂芯試樣模擬澆注后，放入適量的水中，可在Imin內(nèi)實(shí)現(xiàn)水溶潰散。
[0028]實(shí)施例3:
[0029]砂芯材料準(zhǔn)備:100份70/140目都昌擦洗砂，6.5份復(fù)合粘結(jié)劑。
[0030]將七水硫酸鎂和水配制成30 %硫酸鎂水溶液，取6份硫酸鎂水溶液，再將0.5份十八水硫酸鋁加入硫酸鎂水溶液中并加熱至70°C，形成復(fù)合粘結(jié)劑溶液；將都昌砂在混砂機(jī)中預(yù)混15s，隨后加入復(fù)合粘結(jié)劑混砂90s，得到混合料芯砂；然后木模制芯，放入微波爐中加熱40s，取出后脫模，再次放入微波爐中加熱50s，待冷卻至室溫得到砂芯。
[0031]通過制取“8”字試樣，測其抗拉強(qiáng)度0.8?1.0MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對(duì)濕度70%?80%，試樣4h存放強(qiáng)度0.6?0.7MPa。砂芯試樣模擬澆注后，放入適量的水中，可在Imin內(nèi)實(shí)現(xiàn)水溶潰散。
[0032]實(shí)施例4:
[0033]砂芯材料準(zhǔn)備:100份50/100目大林擦洗砂，6份復(fù)合粘結(jié)劑。
[0034]將七水硫酸鎂和水配制成30 %硫酸鎂水溶液，取5份硫酸鎂水溶液，再將0.5份十八水硫酸鋁和0.5份磷酸鋁加入硫酸鎂水溶液中并加熱至70°C，形成復(fù)合粘結(jié)劑溶液；將大林砂在混砂機(jī)中預(yù)混15s，隨后加入復(fù)合粘結(jié)劑混砂90s，得到混合料芯砂；然后木模制芯，放入微波爐中加熱40s，取出后脫模，再次放入微波爐中加熱60s，待冷卻至室溫得到砂芯。
[0035]通過制取“8”字試樣，測其抗拉強(qiáng)度1.3?1.4MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對(duì)濕度70%?80%，試樣4h存放強(qiáng)度0.7?0.8MPa。砂芯試樣模擬澆注后，放入適量的水中，可在2min內(nèi)實(shí)現(xiàn)水溶潰散。
[0036]實(shí)施例5:
[0037]砂芯材料準(zhǔn)備:100份50/100目大林擦洗砂，6份復(fù)合粘結(jié)劑。
[0038]將七水硫酸鎂和水配制成30 %硫酸鎂水溶液，取5份硫酸鎂水溶液，再將0.5份十八水硫酸鋁和0.5份硼酸加入硫酸鎂水溶液中并加熱至80°C，形成復(fù)合粘結(jié)劑溶液；將大林砂在混砂機(jī)中預(yù)混15s，隨后加入復(fù)合粘結(jié)劑混砂90s，得到混合料芯砂；然后木模制芯，放入微波爐中加熱40s，取出后脫模，再次放入微波爐中加熱50s，待冷卻至室溫得到砂芯。
[0039]通過制取“8”字試樣，測其抗拉強(qiáng)度1.4?1.5MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對(duì)濕度70%?80%，試樣4h存放強(qiáng)度0.9?1.0MPa0砂芯試樣模擬澆注后，放入適量的水中，可在5min內(nèi)實(shí)現(xiàn)水溶潰散。
[0040]實(shí)施例6:
[0041]砂芯材料準(zhǔn)備:100份50/100目大林擦洗砂，6份復(fù)合粘結(jié)劑。
[0042]將七水硫酸鎂和水配制成30 %硫酸鎂水溶液，取5份硫酸鎂水溶液，再將0.5份十八水硫酸鋁、0.25份磷酸鋁和0.25份硼酸加入硫酸鎂水溶液中并加熱至80°C，形成復(fù)合粘結(jié)劑溶液；將大林砂在混砂機(jī)中預(yù)混15s，隨后加入復(fù)合粘結(jié)劑混砂90s，得到混合料芯砂；然后木模制芯，放入微波爐中加熱40s，取出后脫模，再次放入微波爐中加熱60s，待冷卻至室溫得到砂芯。
[0043]通過制取“8”字試樣，測其抗拉強(qiáng)度1.2?1.3MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對(duì)濕度70%?80%，試樣4h存放強(qiáng)度0.8?0.9MPa。砂芯試樣模擬澆注后，放入適量的水中，可在3min內(nèi)實(shí)現(xiàn)水溶潰散。
[0044]以下面以一個(gè)樣品為例進(jìn)行測試，按照該實(shí)施例加熱硬化的砂芯，在空氣環(huán)境下具有$父尚的存放性。復(fù)合粘結(jié)劑加入量占砂重6% (硫酸儀水溶液占5%，十八水硫酸銷占1%),當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度為70%?80%時(shí)，所制備砂芯的4h存放強(qiáng)度可達(dá)1.2MPa(抗拉強(qiáng)度)左右；當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度為20%?30%時(shí)，所制備砂芯的8h存放強(qiáng)度可達(dá)1.1MPa(抗拉強(qiáng)度)左右。
[0045]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件用水溶性砂芯的制備方法，其特征在于，該方法包括下列步驟: (a)復(fù)合粘結(jié)劑的加工步驟 在常溫下，將七水硫酸鎂和等離子水配制成質(zhì)量百分比為20%?30%的硫酸鎂水溶液，然后將一定量的十八水硫酸鋁和添加劑加入至該硫酸鎂水溶液中，并加熱至60°C?80由此制成復(fù)合粘結(jié)劑；其中所述添加劑選自磷酸鋁或硼酸等，并且硫酸鎂水溶液、十八水硫酸鋁和添加劑之間的重量份數(shù)被設(shè)定為4?6:0.5?1:0?0.5 ; (b)混合料芯砂的加工步驟 將鑄造原砂在葉片式混砂機(jī)中預(yù)混均勻后，加入步驟(a)所制得的復(fù)合粘結(jié)劑，并再次執(zhí)行混砂處理60秒?90秒，由此得到混合料芯砂；其中鑄造原砂與復(fù)合粘結(jié)劑之間按照重量份數(shù)比被設(shè)定為100:4.5?7.5 ; (c)微波加熱步驟 將步驟(b)所得到的混合料芯砂放入制芯模具內(nèi)壓實(shí)，然后將其與模具一同放入微波環(huán)境中執(zhí)行加熱，最后取出脫模，由此獲得所需的鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件用水溶性砂芯產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(b)中，所述鑄造原砂選自以下材料的一種或其混合物:大林擦洗砂、寶珠砂和都昌擦洗砂。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步驟(c)中，優(yōu)選采用二次微波加熱處理方式，即首先將壓緊的混合料芯砂及模具一同放入微波爐中加熱30秒?60秒，取出脫模獲得具有初始硬度的砂芯；然后，將該砂芯再次放入到微波爐中加熱50秒?120秒，由此獲得所需的鋁合金或鎂合金薄壁復(fù)雜鑄件用水溶性砂芯。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟(c)中，所述微波加熱的工藝條件優(yōu)選被設(shè)定為:微波加熱功率大小隨砂樣大小變化，砂芯重量10g?100g時(shí)，微波爐加熱功率為IKW?2KW，二次微波加熱時(shí)間為初次加熱時(shí)間35秒?45秒、再次加熱時(shí)間50秒?60秒。
【文檔編號(hào)】B22C9/10GK104475685SQ201410648208
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】樊自田, 姜鵬, 劉富初, 劉鑫旺, 黃映, 李廣, 孫銳 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)