阻燃高退让性铸造用型砂及其制备方法

摘要

本发明涉及一种阻燃高退让性铸造用型砂及其制备方法，包括以下质量份数的各组分：型砂骨料75～100份；粘结剂0.8～1.5份；固化剂0.3～0.6份；阻燃剂0.5～1.5份；偶联剂0.5～1.5份；所述型砂骨料包括以下质量百分含量的各组分：石英砂50～70％、再生砂20～40％、石墨砂5～20％。本发明制备的阻燃高退让性铸造用型砂可解决现有铸造镁合金复杂结构铸件开裂和表面缺陷的问题，阻止镁合金液与树脂砂砂型之间的反应，提高铸件表面质量，降低铸造缺陷，从而得到满足使用要求的镁合金铸件。

权利要求

1.一种阻燃高退让性铸造用型砂，其特征在于，包括以下质量份数的各组分：所述型砂骨料包括以下质量百分含量的各组分：石英砂50～70％、再生砂20～40％、石墨砂5～20％；

所述阻燃剂包括质量百分含量为60～85％的硼酸和15～40％的硫磺。

2.如权利要求1所述的阻燃高退让性铸造用型砂，其特征在于，所述石英砂粒度为50～

100目，且石英砂中二氧化硅重量含量大于96％。

3.如权利要求1所述的阻燃高退让性铸造用型砂，其特征在于，所述再生砂粒度为40～

70目，且再生砂中二氧化硅含量大于95％。

4.如权利要求1所述的阻燃高退让性铸造用型砂，其特征在于，所述石墨砂粒度为40～

70目。

5.如权利要求1所述的阻燃高退让性铸造用型砂，其特征在于，所述粘结剂为脲醛改性呋喃树脂。

6.如权利要求1所述的阻燃高退让性铸造用型砂，其特征在于，所述固化剂为对甲苯磺酸固化剂。

7.如权利要求1所述的阻燃高退让性铸造用型砂，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂KT-550。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的阻燃高退让性铸造用型砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、按质量分数称取各组分原料；

S2、将称取的型砂和阻燃剂混合，然后依次加入固化剂、偶联剂、粘结剂混合，得树脂砂型砂；

S3、树脂砂型砂在模具中紧实成型，经过30～50min后脱模，即得阻燃高退让性铸造砂型。

说明书

阻燃高退让性铸造用型砂及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铸造技术领域，尤其涉及一种阻燃高退让性铸造用型砂及其制备方法。

背景技术

[0002] 镁合金是目前应用最轻的金属材料，其密度小(仅为铝的67％，钛的40％，钢的23％)，比强度、比刚度高，具有优良的导电、导热性能，良好的加工成形性能，因此在航空航天、军工、高档轿车、生物材料等高科技领域以及通讯电子、自行车等产业得到快速发展。在航空航天工业中，飞机的重量直接影响到它的机动性能和油耗，而空间站和卫星的重量决定了对运送工具的要求和运送的花费，因而零部件减重可以为飞行器带来巨大的优势，因此镁合金被应用于制造飞机、飞船、卫星、轻武器等重要武器装备零件。在军工领域，目前镁合金零件多以树脂砂成型的铸造方法在军用飞机、导弹、轻武器、装甲车等兵器上使用。镁合金采用树脂砂成型与普通粘土砂和水玻璃砂相比具有如下优点：

[0003] (1)铸件表面光洁、棱角清晰、尺寸精度高。

[0004] (2)砂型(芯)固化后起模，减少了因起模前松动模样和起模时碰伤砂型(芯)引起的变形。

[0005] (3)铸型强度高、表面热稳定性好，可以有效地抵御浇注时的型壁退让、迁移现象，减少了铸型的热冲击变形。

[0006] (4)型砂的溃散性好，清理、打磨容易，旧砂回收再生容易。

[0007] 但目前遇到的一个突出问题是由于呋喃树脂砂型高温退让性差，一些壁厚不均匀的大型复杂铸件容易造成热裂，造成铸件报废；同时由于镁的化学性质很活泼，极易与铸型中的水起反应，造成镁合金铸件表面出现空洞和氧化皱皮等缺陷，显著降低镁合金的力学性能和抗蚀性。因此在镁合金砂型铸造时有必要开发一种既能避免铸件开裂，又具有高退让性和较好阻燃效果的型砂混制工艺来确保镁合金铸件质量，无疑具有重大的经济效益和社会效益。

发明内容

[0008] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种阻燃高退让性铸造用型砂及其制备方法。具体为一种高退让性阻燃镁合金铸造用呋喃树脂型砂及其制备方法，解决现有铸造镁合金复杂结构铸件开裂和表面缺陷的问题，阻止镁合金液与树脂砂砂型之间的反应，提高铸件表面质量，降低铸造缺陷，从而得到满足使用要求的镁合金铸件。

[0009] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0010] 本发明提供了一种阻燃高退让性铸造用型砂，包括以下质量分数的各组分：

[0011]

[0012] 优选地，所述型砂骨料包括以下质量百分含量的各组分：石英砂50～70％、再生砂20～30％、石墨砂5～20％。所述再生砂含量过多，会导致耗酸值增大，砂型强度降低；石墨砂含量过多，会导致砂型强度降低，同时砂型透气性变差。

[0013] 优选地，所述石英砂粒度为50～100目，且石英中二氧化硅重量含量大于96％。

[0014] 优选地，所述再生砂粒度为40～70目，且循环砂中二氧化硅含量大于95％。

[0015] 优选地，所述石墨砂粒度为40～70目。

[0016] 优选地，所述粘结剂为脲醛改性呋喃树脂。

[0017] 优选地，所述固化剂为对甲苯磺酸固化剂。

[0018] 更优选地，所述对甲苯磺酸总酸量为24.89％，密度为1.25g/cm3。

[0019] 优选地，所述阻燃剂包括质量份数为60～85％的硼酸和15～40％的硫磺。所述硼酸含量过多，硫磺含量过少，砂型强度降低，同时会导致砂型透气性变差；反之则会导致阻燃效果变差，同时还会导致砂型发气量变大。

[0020] 更优选地，所述硼酸的粒度为100～300目。

[0021] 更优选地，所述硫磺的粒度为100～300目。

[0022] 优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂KT-550，密度为0.94g/cm3。

[0023] 本发明还提供了一种阻燃高退让性铸造用型砂的制备方法，包括以下步骤：

[0024] S1、按质量分数称取各组分原料；

[0025] S2、将称取的型砂骨料和阻燃剂混合，然后依次加入固化剂、偶联剂、粘结剂混合，得树脂砂型砂；

[0026] S3、树脂砂型砂在模具中紧实成型，经过30～50min后脱模，即得阻燃高退让性铸造砂型。

[0027] 本发明的作用原理是：石英砂、再生砂、石墨砂作为型砂的骨干材料，起到使砂型具有高强度的作用。再生砂经过多次反复受热烘烤使用后，与石英砂相比在高温作用下急热膨胀性小，热稳定性好，在铸件对型砂的热作用下，再生砂将产生较小的热膨胀，可提高型砂的高温退让性。石墨砂具有良好的防燃保护性能，主要是杜绝了镁合金液与水的剧烈反应，再加上石墨氧化所产生的保护性气氛CO2和石墨中的无定形碳向合金的表面扩散，都阻碍了镁的氧化燃烧。硼酸和硫磺混合均匀后填充在石英砂、再生砂、石墨砂颗粒之间，起到填充材料和阻燃剂的作用，硼酸在高温作用下，生成硼酐(B2O3)，硼酐镁合金液体表面接触生成致密的Mg3B2保护膜，同时硼酐与液体表面的MgO反应生成MgO·B2O5保护膜防止镁合金液在浇注过程中氧化燃烧。硫磺与镁合金液面接触产生一层较致密的MgS氧化膜阻止合金液氧化反应。在加入甲苯磺酸固化剂、偶联剂和脲醛改性呋喃树脂混合后，能在30min内完成硬化反应，通过测试型砂硬化24h后抗拉强度，满足使用要求。

[0028] 现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0029] 1、本发明中使用的再生砂与石英砂混合使用可以降低新砂用量，节约成本。

[0030] 2、本发明制备的砂型脱模后24h抗拉强度高于1.2Mpa，78h后的抗拉强度仍然高于1Mpa，满足生产要求。

[0031] 3、本发明制备的砂型具有良好的退让性和阻燃效果，未见铸件开裂，铸件表面质量得到改善。

[0032] 4、本发明的型砂制备方法成型、生产周期短，成本较低，适合大规模生产。

具体实施方式

[0033] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0034] 实施例1-3

[0035] 实施例1-3涉及一种阻燃高退让性铸造用型砂及其制备方法，所述的阻燃高退让性铸造用型砂的组成及质量分数如表1所示。

[0036] 所述的制备方法包括以下步骤：

[0037] 一、根据表1中各实施例的重量份数称取各组分；

[0038] 二、按照步骤一称取的石英砂、再生砂、石墨砂、硼酸和硫磺置于自动混砂机中混制1min～3min，然后在加入步骤一称取的对甲苯磺酸固化剂，再自动混砂机中混制1min～3min，然后在加入步骤一称取的偶联剂混制1min～2min，最后在加入步骤一称取的脲醛改性呋喃树脂，在混砂机中混制2min～3min，得到混制好的树脂砂型砂。

[0039] 三、将步骤二混制好的树脂砂型砂在模具中紧实成型，经过30min～50min后脱模得到阻燃高退让性砂型，在室温放置24h后烘干使用。

[0040] 将实施例1-3成型后的阻燃高退让性砂型烘干后应用于材质为GW103K耐热镁合金薄壁框架类铸件。对浇注后的铸件经X光探伤没有发现裂纹、缩孔、缩松等缺陷，对铸件表面进行着色探伤，没有发现裂纹、氧化皮、夹杂等缺陷，铸件为合格品。证明砂型阻燃退让性效果显著。

[0041] 表1实施例1-3中各组分的重量份数

[0042]组分 实施例1 实施例2 实施例3
石英砂 37.5份 51份 66.5份
再生砂 22.5份 17份 23.75份
石墨砂 15份 17份 4.75份
呋喃脲醛树脂 1.5份 1份 0.8份
对甲苯磺酸固化剂 0.6份 0.4份 0.3份
硼酸 0.3份 0.75份 1.275份
硫磺 0.2份 0.25份 0.225份
偶联剂 1.5份 1份 0.5份

[0043] 实施例1制备的砂型试样脱模后24h抗拉强度高于1.2Mpa，78h后的抗拉强度仍然高于1Mpa，满足生产要求。

[0044] 实施例2制备的砂型试样脱模后24h抗拉强度高于1.4Mpa，78h后的抗拉强度仍然高于1.2Mpa，满足生产要求。

[0045] 实施例3制备的砂型试样脱模后24h抗拉强度高于1.5Mpa，78h后的抗拉强度仍然高于1.25Mpa，满足生产要求。

[0046] 对比例1-6

[0047] 对比例1-6涉及一种阻燃高退让性铸造用型砂及其制备方法，所述的阻燃高退让性铸造用型砂的组成及重量份数如表2所示。

[0048] 所述的制备方法包括以下步骤：

[0049] 一、根据表1中各实施例的质量分数称取各组分；

[0050] 二、按照步骤一称取的石英砂、再生砂、石墨砂、硼酸和硫磺置于自动混砂机中混制1min～3min，然后在加入步骤一称取的对甲苯磺酸固化剂，再自动混砂机中混制1min～3min，然后在加入步骤一称取的偶联剂混制1min～2min，最后在加入步骤一称取的粘结剂，在混砂机中混制2min～3min，得到混制好的树脂砂型砂。

[0051] 三、将步骤二混制好的树脂砂型砂在模具中紧实成型，经过30min～50min后脱模得到阻燃高退让性砂型，在室温放置24h后烘干使用。

[0052] 将成型后的阻燃高退让性砂型烘干后应用于材质为GW103K耐热镁合金薄壁框架类铸件。

[0053] 表2对比例1-6中各组分的重量份数

[0054]

[0055] 其中对比例1中型砂骨料包括以下质量百分含量的各组分：石英砂37.5％、石墨砂11.25％。对比例1制备的砂型试样脱模后24h抗拉强度高于1.5Mpa，78h后的抗拉强度为
1.32Mpa，能满足力学性能要求。但加入新砂量过多会使铸造成本增加，故不满足大规模生产要求；同时新砂加入量过多会造成型砂退让性变差。将成型后的阻燃高退让性砂型烘干后应用于材质为GW103K耐热镁合金薄壁框架类铸件，对铸件表面进行着色探伤，在铸件内部相同部位发现微裂纹但未发现氧化皮和夹杂缺陷。对铸件经X光探伤后发现铸件内部存在微裂纹，铸件为不合格品。

[0056] 对比例2制备的砂型试样脱模后24h抗拉强度为1.43Mpa，78h后的抗拉强度1.24Mpa，满足生产要求。将成型后的阻燃高退让性砂型烘干后应用于材质为GW103K耐热镁合金薄壁框架类铸件，对铸件表面进行着色探伤，铸件表面局部部位存在缩松和氧化皮缺陷。对铸件经X光探伤，铸件局部存在3级缩松，为不合格品。

[0057] 对比例3制备的砂型试样脱模后24h抗拉强度1.4Mpa，78h后的抗拉强度1.22Mpa，能满足生产要求。将成型后的阻燃高退让性砂型烘干后应用于材质为GW103K耐热镁合金薄壁框架类铸件，对铸件表面进行着色探伤，铸件表面局部部位存在氧化皮缺陷。对浇注后的铸件经X光探伤，铸件局部存在2级缩松，为不合格品。

[0058] 对比例4制备的砂型试样脱模后24h抗拉强度仅1.38Mpa，78h后的抗拉强度为1.17Mpa，能满足生产要求。将成型后的阻燃高退让性砂型烘干后应用于材质为GW103K耐热镁合金薄壁框架类铸件，对铸件表面进行着色探伤，铸件表面局部部位存在大量氧化皮和夹杂缺陷。对浇注后的铸件经X光探伤铸件局部存在4级缩松，为不合格品。

[0059] 对比例5制备的砂型试样脱模后24h抗拉强度1.48Mpa，78h后的抗拉强度1.25Mpa，满足生产要求。将成型后的阻燃高退让性砂型烘干后应用于材质为GW103K耐热镁合金薄壁框架类铸件，对铸件表面进行着色探伤，铸件表面未发现氧化皮和夹杂缺陷。对浇注后的铸件经X光探伤，铸件局部存在1级缩松，为合格品。但由于氟硼酸铵阻燃剂的添加会在浇注过程中产生含氟气体，不利于环保。同时有研究表明含氟物质混入型砂中会对型砂产生污染，受污染的型砂回收利用后会在铸件中引发缺陷。

[0060] 综上所述，本实施例制备的砂型脱模后24h抗拉强度高于1.2Mpa，78h后的抗拉强度仍然高于1Mpa，满足生产要求；制备的砂型具有良好的退让性和阻燃效果，未见铸件开裂，铸件表面质量得到改善。且型砂制备方法成型、生产周期短，成本较低，适合大规模生产。

[0061] 发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。