專利名稱:鑄鋼件水溶性型芯的制作方法
本發(fā)明屬于鑄造技術(shù)領(lǐng)域：
。
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，尤其是航空、航天事業(yè)的突飛猛進，鑄件的形狀日益復(fù)雜;對其內(nèi)腔的復(fù)雜程度、尺寸精度及表面光潔度等方面的要求越來越高。現(xiàn)有的技術(shù)已難以適應(yīng)，鑄造工作者們迫切需要一種高強度、高精度、耐熱性好、易成形、易潰散的型芯來滿足生產(chǎn)的要求。在此基礎(chǔ)上，水溶性型芯應(yīng)運而生了，這是一種澆注后不需清理，可直接在水或稀酸中溶解潰散的型芯。
水溶性型芯早在四十年代就有人進行過探索與研究。見不池敬-《鑄段造》，1978，(5)，1-9。六十年代開始用來解決鋁、鎂合金的復(fù)雜內(nèi)腔的成形問題，見Casting Technology April1967，(27)那時的水溶芯是用水溶性無機鹽為基體材料，故稱為水溶性鹽芯。這類型芯雖然能用于鋁、鎂合金的鑄造，但它們的熔點低(只有幾百度)，耐熱性差，且易與金屬液反應(yīng)，因此對澆注溫度高達1600℃以上的鑄鋼、耐熱合金等高熔點合金的鑄造就無能為力了。
高熔點合金的細孔，目前多用以石英為主要成分的硅基陶瓷芯來形成。這種陶瓷芯雖然耐熱性很高，也不與金屬液反應(yīng)，但不易脫芯，必須采用熱苛性堿或氫氟酸溶液來除芯。除芯工藝復(fù)雜，設(shè)備龐大、時間長，且對鑄造合金有腐蝕作用。見US Patent US3701379。
因此，在水溶性鹽芯的基礎(chǔ)上，國外發(fā)展了一種既具有鹽芯的水溶性又具有陶瓷芯的耐熱性的型芯，這就是水溶性陶瓷芯。這種型芯可分為兩類1、以能溶于水或稀酸的耐火陶瓷材料(如MgO、〔6、5〕CaO〔8、7〕)為基材，加入一些易發(fā)揮的有機增塑劑，成形后高溫?zé)Y(jié)而成。
2、以難溶耐火材料(多用Al2O3系材料為基材，可溶性鹽類為粘結(jié)劑，通過各種成形工藝制成。
第一類水溶性陶瓷芯最突出的優(yōu)點是優(yōu)異的高溫性能及良好的表面光潔度，使之能用于許多高熔點合金的精鑄生產(chǎn)中。其缺點是需高溫?zé)Y(jié)，不但使工藝復(fù)雜化，還使型芯水溶性下降。這是因為高溫?zé)Y(jié)導(dǎo)致燒結(jié)體的晶粒粗大、致密;同時也使雜質(zhì)活性增大，與基體材料形成難溶的新相。故這類型芯的脫芯條件要求較高，一般要在溫度相當高的熱蒸汽或有機酸中脫芯，有時還需輔之以一定的機械攪動或振動。脫芯后原材料也不易回收，成本高。見US Patent US3722574，US Patent US3643728。
第二類水溶性陶瓷芯不需要高溫?zé)Y(jié)，低溫烘干后即可使用，生產(chǎn)工藝簡單，原材料易回收，多用于砂型鑄造中。其水溶性較第一類型芯好得多，這類型芯的結(jié)構(gòu)是可溶性鹽包復(fù)于耐火材料顆粒的表面，型芯入水后，由于耐火材料顆粒之間的毛細管現(xiàn)象。產(chǎn)生水的滲透，使粘結(jié)層的鹽溶解，導(dǎo)致整個型芯的迅速潰散，故這類型芯在80℃左右的熱水中就可以脫芯，且速度較快，φ50×50mm的型芯只需1分鐘。但這類型芯受其粘結(jié)劑鹽熔點的限制，使用溫度不能太高，受熱時間也不能太長;且這類型芯的光潔度不如第一類陶瓷芯，在精鑄中使用還有困難。見黃星亮 現(xiàn)代鑄造 1982(3)，5-12。
本發(fā)明的目的在于選擇合理的水溶性型芯混合料的配方，使之可以采用一般的制芯方法制造型芯，并具有較好的水溶潰散性，無燒結(jié)現(xiàn)象，從而獲得光潔的鑄件內(nèi)腔。
本發(fā)明的要點在于1、原材料選用(1)、型芯基材采用電熔剛玉砂或鋁釩土熟料砂。其化學(xué)組成，結(jié)構(gòu)性質(zhì)見表1表1 原砂的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)性質(zhì)
兩種原砂常溫巖相結(jié)構(gòu)中的剛玉相(α-Al2O3)和莫來石相(3Al2O3·2SiO2)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，致密，且不與鋼液反應(yīng)，因而是鑄鋼件理想的耐火材料，尤其是鋁釩土砂價格低廉(不到剛玉砂的十分之一，也低于石英砂)，采用后可有效地降低成本。
(2)、型芯粘結(jié)劑采用氫氧化鋇有機粘結(jié)劑，由工業(yè)Ba(OH)2·8H2O制成。Ba(OH)2·8H2O的化學(xué)組成見表2本鑄鋼件水溶性型芯經(jīng)高溫且能水溶主要靠Ba(OH)2，其加入量的多少對水溶性能的好壞影響甚大，一般加入量多，水溶性能好，否則較差，Ba(OH)2受熱后，在不同溫度下有不同的反應(yīng)，最后形成BaO·6Al2O3，有水溶性。
表2 Ba(OH)2·8H2O的化學(xué)組成
Ba(OH)2在常溫水中溶解度小，隨著水溫的升高，溶解度增加，但當水溫達到100℃時，溶解度又下降，因此，為了增加其溶解度，加入高價醇，如甘油，乙二醇，山梨糖醇等，在常溫下，高價醇的加入量為1-1.5%，溫度升高時，高價醇適當增加，溶解度也增加，從而得到濃的Ba(OH)2溶液，把這種濃溶液趁熱混砂，得到水溶性混合料，混合料成分如下(1)、采用剛玉砂作為混合料的基材(2)、Ba(OH)2·8H2O為基材的5-25%(3)、高價醇為基材的5-20%氫氧化鋇有機粘結(jié)劑應(yīng)熱態(tài)使用，否則本身分層，混拌不均，混合好的型砂，可在密閉容器中保存2-3天，上述電熔剛玉砂也可用鋁釩土熟料砂部分或全部代替。
2、型芯的成形方法將一定配比的剛玉砂及鋁釩土砂干混1～2分鐘后，再加定量的有機氫氧化鋇粘結(jié)劑濕混2～4分鐘即得型芯混合料。配好的混合料可在打樣器上三錘緊實制芯，也可在型芯模具中搗固成形制芯。制得的芯樣200±20℃烘干即可使用。
采用上述方法制造的型芯具有如下性能
一、常溫強度1、濕強度φ50×50mm試樣，測型芯濕壓強度為0.20～0.22Kg/cm2。
2、干強度φ30×30mm試樣，200℃，2小時烘干，其抗壓強度為70～85Kg/cm2，抗彎強度為20～30Kg/cm2。
二、高溫強度φ30×30mm試樣，200℃，2小時烘干在型砂高溫強度測試儀上測定型芯的高溫抗壓強度。型芯在600～1200℃下的抗壓強度在15Kg/cm2以上。
三、吸濕性制作φ30×30mm試樣，烘干后放在溫度為20℃相對濕度為80%的恒溫恒濕箱中，每隔24小時在最大分度值為20mg的天平稱定其重量增加率，并測定其抗壓強度下降率。型芯在兩天后強度下降率，小于20%，吸濕率小于1.8%。
四、發(fā)氣性從烘干后的型芯試樣上稱取1g的型芯粉末，放入預(yù)先加熱到1000℃的管式爐中測定其發(fā)氣量。型芯的總發(fā)氣量為18ml/g。
五、潰溶性制作φ30×30mm試樣，200℃，2小時烘干后放入預(yù)先加熱至1300℃的鉬絲爐中，保溫30分鐘后隨爐冷卻(模擬實際澆注情況)然后放入40℃的水中浸泡20分鐘后其抗壓強度小于1Kg/cm2。
用“水溶性型芯”工藝生產(chǎn)鑄鋼件可創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益，與樹脂鋯英砂工藝相比，每生產(chǎn)10件70、075、9Z這樣的450Kg鑄件，就可創(chuàng)造10802元的經(jīng)濟效益。與“鑄-焊結(jié)合”工藝相比，每生產(chǎn)10件70、076、9Z這樣的490Kg鑄件。也可創(chuàng)造2080元的經(jīng)濟效益，且用“水溶性型芯”工藝鑄造的鑄件質(zhì)量明顯高于“鑄-焊結(jié)合”生產(chǎn)的鑄件。特別是對一些其結(jié)構(gòu)不允許分開鑄造的＜如70、075、9Z)鑄件，其經(jīng)濟效益就更為明顯。應(yīng)用“水溶性型芯”還可以改善鑄造工人的勞動環(huán)境，提高鑄件質(zhì)量，節(jié)省能源。
實施例ZG15Cr1Mo汽封體是60萬瓩汽輪機組的主要部件之一，該汽封體中有一截面積為12.6cm2的半圓形氣路，其周圍鑄件壁厚80mm以上，設(shè)計技術(shù)要求氣路內(nèi)腔表面光潔無缺陷。采用普通砂芯(包括樹脂鋯英砂)工藝時，型芯燒結(jié)嚴重，澆注后無法清理。
采用本發(fā)明介紹的水溶性型芯工藝時，型芯的配方如下電熔剛玉砂 70%鋁釩土砂 30%Ba(OH)2·8H2O 10%高價醇 8%混合料的配制工藝是先將電熔剛玉砂和鋁釩土砂在混砂機上干混4分鐘后，加入用Ba(OH)2·8H2O及高價醇配制好的粘結(jié)劑濕混3～5分鐘即可制芯。制得的型芯混合料的濕壓強度為0.022MPa。
制得的混合料在木制芯盒中手工搗固制芯，制得的型芯放入200～220℃的烘窯中烘干4小時，烘干后抗壓強度達8.5MPa，抗彎強度達3.25MPa。
在1620℃下澆注ZG15Cr1Mo汽封體鑄件，澆注后鑄件冷卻至100℃時放入水中，型芯40分鐘內(nèi)脫涂完畢，且氣路內(nèi)腔表面光潔無缺陷，無污物殘存，粗糙度在80um以下清潔度完全符合設(shè)計技術(shù)要求。
權(quán)利要求
1.鑄鋼件水溶性型芯的配制方法，其特征在于它是用電熔剛玉砂作為基材，加上基材重量5-25%的Ba(OH)2·8H2O和5-20%的高價醇混合配制成水溶性混合料，其中Ba(OH)2有機粘結(jié)劑應(yīng)熱態(tài)使用，混合料緊實成形后，經(jīng)200±20℃烘干制成。
2.權(quán)利要求
1所述配制方法，其特征在于所述電熔剛玉砂可以部分或全部用鋁釩土熟料砂代替。
專利摘要
鑄鋼件水溶性型芯，選用電熔剛玉砂或鋁釩土熟料砂作為基材，另加氫氧化鋇有機粘結(jié)劑，在低溫下烘干制成，與現(xiàn)有水溶性型芯的制造方法相比，本發(fā)明制造成本低廉，方法簡單，節(jié)約能源，可以改善鑄造工人的勞動環(huán)境，制成的型芯潰散性能良好，用于鋼件鑄造，可以獲得高質(zhì)量的鑄件。
文檔編號B22C1/00GK87102126SQ87102126
公開日1988年3月30日 申請日期1987年3月17日
發(fā)明者孟爽芬, 羅愛華 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan