鋁合金或鎂合金薄壁復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℃制成復合粘結劑；(b)將鑄造原砂預混均勻后加入復合粘結劑，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，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度、抗吸濕性和化學穩(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，并且對鑄件無損壞，對環(huán)境無污染。
【專利說明】鋁合金或鎂合金薄壁復雜鑄件用水溶性砂芯的制備方法

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

【背景技術】
[0002]在航天航空制造業(yè)中，為了減輕質(zhì)量，提高飛機和航天器的結構強度和機動性能，越來越多地采用整體薄壁結構件，如飛機部件中的薄壁框、壁板、翼肋和發(fā)動機渦輪葉片等。相應地，對這些金屬合金(譬如鋁合金、鎂合金)薄壁結構件的要求也非?？量?，尤其是，當此類薄壁結構件帶有復雜的內(nèi)腔結構或細、彎、長的孔狀結構而且其砂芯是組合砂芯時，會導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]目前常用的薄壁結構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，而且其應用于低溫澆注時，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)有技術中已經(jīng)提出采用水溶性硫酸鹽砂芯來制備金屬薄壁結構件的方案，當其研宄應用仍處于起步階段。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劑，加入量較大且強度不高，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、砂芯強度損失大，要求在極短時間內(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，但其粘結劑加入量仍然較大，相應導致砂芯發(fā)氣增大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種鋁合金或鎂合金薄壁復雜鑄件用水溶性砂芯的制備方法，其中通過對作為關鍵參與物的復合粘結劑的組分及配比進行研宄設計，同時對砂芯制備工藝中的重要工藝參數(shù)進行改進，相應能夠制得具備良好的常溫強度、抗吸濕性和化學穩(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，并且對鑄件無損壞，對環(huán)境無污染，因而尤其適用于具有復雜內(nèi)腔或細長孔結構的鋁合金或鎂合金薄壁復雜鑄件的制芯用途及鑄件的快速清理。
[0006]為實現(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)復合粘結劑的加工步驟
[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，由此制成復合粘結劑；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中預混均勻后，加入步驟(a)所制得的復合粘結劑，并再次執(zhí)行混砂處理60秒?90秒，由此得到混合料芯砂；其中鑄造原砂與復合粘結劑之間按照重量份數(shù)比被設定為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，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雜鑄件用水溶性砂芯。
[0013]作為進一步優(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雜鑄件用水溶性砂芯產(chǎn)品。
[0015]作為進一步優(yōu)選地，在步驟(C)中，所述微波加熱的工藝條件優(yōu)選被設定為:微波加熱功率大小隨砂樣大小變化，砂樣重量10g?100g時，微波加熱功率為IKW?2KW，二次微波加熱時間為初次加熱時間35秒?45秒、再次加熱時間50秒?60秒。
[0016]總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，通過對復合粘結劑的組分及其配備、它在鑄造原砂中所占比例，以及對制芯工藝過程中的關鍵反應參數(shù)如微波加熱等進行研宄和對比測試，所制得的產(chǎn)品可以解決復雜內(nèi)腔結構的鋁(鎂)合金鑄件鑄造后其芯砂清理困難得問題，砂芯既具有高強度和較好化學穩(wěn)定性及抗吸濕性，又具有優(yōu)異的水溶潰散性能，同時舊砂回收方便簡單，并且對鑄件無損傷，對環(huán)境無污染，可實現(xiàn)綠色鑄造，因而尤其適用于航天航空整體薄壁結構件之類的加工用途。

【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)選實施方式的二次微波加熱的制芯操作流程圖。

【具體實施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實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)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0020]實施例1:
[0021]砂芯材料準備:100份50/100目大林擦洗砂，5.5份復合粘結劑。
[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，形成復合粘結劑溶液；將大林砂在混砂機中預混15s，隨后加入復合粘結劑混砂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，測其抗拉強度1.2?1.3MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對濕度70%?80%，試樣4h存放強度(抗拉強度，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)實現(xiàn)水溶潰散。
[0024]實施例2:
[0025]砂芯材料準備:100份50/100目寶珠砂，4.5份復合粘結劑。
[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，形成復合粘結劑溶液；將寶珠砂在混砂機中預混15s，隨后加入復合粘結劑混砂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，測其抗拉強度1.7?1.9MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對濕度20%?30%，試樣8h存放強度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)實現(xiàn)水溶潰散。
[0028]實施例3:
[0029]砂芯材料準備:100份70/140目都昌擦洗砂，6.5份復合粘結劑。
[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，形成復合粘結劑溶液；將都昌砂在混砂機中預混15s，隨后加入復合粘結劑混砂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，測其抗拉強度0.8?1.0MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對濕度70%?80%，試樣4h存放強度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)實現(xiàn)水溶潰散。
[0032]實施例4:
[0033]砂芯材料準備:100份50/100目大林擦洗砂，6份復合粘結劑。
[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，形成復合粘結劑溶液；將大林砂在混砂機中預混15s，隨后加入復合粘結劑混砂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，測其抗拉強度1.3?1.4MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對濕度70%?80%，試樣4h存放強度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)實現(xiàn)水溶潰散。
[0036]實施例5:
[0037]砂芯材料準備:100份50/100目大林擦洗砂，6份復合粘結劑。
[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，形成復合粘結劑溶液；將大林砂在混砂機中預混15s，隨后加入復合粘結劑混砂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，測其抗拉強度1.4?1.5MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對濕度70%?80%，試樣4h存放強度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)實現(xiàn)水溶潰散。
[0040]實施例6:
[0041]砂芯材料準備:100份50/100目大林擦洗砂，6份復合粘結劑。
[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，形成復合粘結劑溶液；將大林砂在混砂機中預混15s，隨后加入復合粘結劑混砂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，測其抗拉強度1.2?1.3MPa，可直接用于澆注；環(huán)境相對濕度70%?80%，試樣4h存放強度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)實現(xiàn)水溶潰散。
[0044]以下面以一個樣品為例進行測試，按照該實施例加熱硬化的砂芯，在空氣環(huán)境下具有$父尚的存放性。復合粘結劑加入量占砂重6% (硫酸儀水溶液占5%，十八水硫酸銷占1%),當環(huán)境相對濕度為70%?80%時，所制備砂芯的4h存放強度可達1.2MPa(抗拉強度)左右；當環(huán)境相對濕度為20%?30%時，所制備砂芯的8h存放強度可達1.1MPa(抗拉強度)左右。
[0045]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，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、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種鋁合金或鎂合金薄壁復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)復合粘結劑的加工步驟 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由此制成復合粘結劑；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中預混均勻后，加入步驟(a)所制得的復合粘結劑，并再次執(zhí)行混砂處理60秒?90秒，由此得到混合料芯砂；其中鑄造原砂與復合粘結劑之間按照重量份數(shù)比被設定為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，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雜鑄件用水溶性砂芯產(chǎn)品。
2.如權利要求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雜鑄件用水溶性砂芯。
4.如權利要求1-3任意一項所述的方法，其特征在于，在步驟(c)中，所述微波加熱的工藝條件優(yōu)選被設定為:微波加熱功率大小隨砂樣大小變化，砂芯重量10g?100g時，微波爐加熱功率為IKW?2KW，二次微波加熱時間為初次加熱時間35秒?45秒、再次加熱時間50秒?60秒。
【文檔編號】B22C9/10GK104475685SQ201410648208
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權日: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 申請人:華中科技大學