一種覆膜砂及其製備方法與流程
2023-07-19 13:50:36
本發明涉及鑄造技術領域，具體而言，涉及一種覆膜砂及其製備方法。
背景技術：
伴隨發動機技術的進步，近年出現的一些新型缸體，攜帶工藝難度較大的結構。比如水腔側面沒有出砂孔，油道腔貫通整個缸體而且曲率大，水腔內有窄細過水結構，甚至出現了缸筒、缸蓋一體化鑄造的鑄件。
為了保證發動機緊湊排列，當今的發動機缸體結構設計，油道腔有自上而下貫通缸體、而且伴隨曲軸腔有隨形彎曲的特徵，甚至可能伴有分叉等結構。所以較長油道芯在澆鑄受熱情況下由於自身膨脹會發生變形，嚴重時甚至導致斷裂。
而且，薄壁化和輕量化也是未來缸體發展的主要趨勢之一，缸體壁厚越來越薄，精度不斷提高是目前缸體鑄件的特點。對於薄壁化的缸體，水腔設計易出現砂孔。
所以，如今的缸體鑄件結構，對覆膜砂射芯性能提出了許多新的需求，現有的覆膜砂很難滿足缸體鑄件結構的要求。
因此，設計一種覆膜砂及其製備方法，能夠在覆膜砂在鑄造成型的過程中避免缸體鑄件出現變形、缺口、粘砂、氣孔、壁厚超差等缺陷，這是目前亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種覆膜砂及其製備方法，其旨在至少部分解決現有覆膜砂在鑄造成型的過程中避免缸體鑄件出現變形、缺口、粘砂、氣孔、壁厚超差等缺陷，這是目前亟待解決的技術問題。
本發明提供的第一種技術方案：
一種覆膜砂包括寶珠砂、樹脂、固化劑、偶聯劑、潤滑劑、輔料以及矽砂；其中，所述寶珠砂佔所述覆膜砂總重量的80％～90％、所述樹脂佔所述覆膜砂總重量的1％～3％、所述固化劑佔所述覆膜砂總重量的0.5％～1％、所述偶聯劑佔所述覆膜砂總重量的0.04％～0.08％、所述潤滑劑佔所述覆膜砂總重量的0.1％～0.5％、所述輔料佔所述覆膜砂總重量的0.3％～0.7％、餘量為所述矽砂。
進一步地，所述寶珠砂佔所述覆膜砂總重量的85％、所述樹脂佔所述覆膜砂總重量的2％、所述固化劑佔所述覆膜砂總重量的0.7％、所述偶聯劑佔所述覆膜砂總重量的0.06％、所述潤滑劑佔所述覆膜砂總重量的0.3％、所述輔料佔所述覆膜砂總重量的0.5％、餘量為所述矽砂。
進一步地，所述寶珠砂包括三氧化二鋁、二氧化鈦、氧化鐵以及二氧化矽；其中，所述三氧化二鋁佔所述寶珠砂總重量的78％～85％、所述二氧化鈦佔所述寶珠砂總重量的1.5％～3.5％、所述氧化鐵佔所述寶珠砂總重量的2％～4％以及所述二氧化矽佔所述寶珠砂總重量的8％～15％。
進一步地，所述三氧化二鋁佔所述寶珠砂總重量的82％、所述二氧化鈦佔所述寶珠砂總重量的3％、所述氧化鐵佔所述寶珠砂總重量的3％以及所述二氧化矽佔所述寶珠砂總重量的12％。
本發明提供的第二種技術方案：
一種覆膜砂的製備方法包括以下步驟：
a步驟：將寶珠砂和矽砂混合預熱，其中，寶珠砂佔覆膜砂總重量的80％～90％；
b步驟：在a步驟之後，將預熱後的原砂加入混砂機，並將樹脂、偶聯劑和輔料加入混砂機，並同時開始覆膜，其中，樹脂佔覆膜砂總重量的1％～3％，偶聯劑佔覆膜砂總重量的0.04％～0.08％，輔料佔所述覆膜砂總重量的0.3％～0.7％；
c步驟：在b步驟之後，將固化劑加入混砂機，其中，固化劑佔覆膜砂總重量的0.5％～1％；
d步驟：在c步驟之後，將潤滑劑加入混砂機，其中，潤滑劑佔覆膜砂總重量的0.1％～0.5％。
進一步地，所述覆膜砂的製備方法包括步驟：
e步驟：在d步驟之後，對覆膜砂進行風冷，並移出混砂機進行破碎和篩分。
進一步地，寶珠砂佔覆膜砂總重量的85％、樹脂佔覆膜砂總重量的2％、固化劑佔覆膜砂總重量的0.7％、偶聯劑佔覆膜砂總重量的0.06％、潤滑劑佔覆膜砂總重量的0.3％、輔料佔覆膜砂總重量的0.5％、餘量為矽砂。
進一步地，寶珠砂包括三氧化二鋁、二氧化鈦、氧化鐵以及二氧化矽；其中，三氧化二鋁佔寶珠砂總重量的78％～85％、二氧化鈦佔寶珠砂總重量的1.5％～3.5％、氧化鐵佔寶珠砂總重量的2％～4％以及二氧化矽佔寶珠砂總重量的8％～15％。
進一步地，三氧化二鋁佔寶珠砂總重量的82％、二氧化鈦佔寶珠砂總重量的3％、氧化鐵佔寶珠砂總重量的3％以及二氧化矽佔寶珠砂總重量的12％。
進一步地，所述a步驟中，預熱溫度為130℃～150℃。
相比現有的覆膜砂及其製備方法，本發明提供的覆膜砂及其製備方法的有益效果是：
本實施例提供的覆膜砂及其製備方法，滿足了發動機缸體薄壁化、輕量化的設計要求，能夠適用於緊湊、複雜的結構的鑄造。將本實施例提供的覆膜砂應用在汽車發動機缸體鑄造中，在特定的場合能有效消除和降低了油道芯變形、缸筒缺口、粘砂、氣孔、壁厚超差等鑄造缺陷，提高了鑄件品質。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未註明具體條件者，按照常規條件或製造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。
第一實施例
本實施例提供了一種覆膜砂，該覆膜砂包括寶珠砂、樹脂、固化劑、偶聯劑、潤滑劑、輔料以及矽砂；其中，寶珠砂佔覆膜砂總重量的80％～90％、樹脂佔覆膜砂總重量的1％～3％、固化劑佔覆膜砂總重量的0.5％～1％、偶聯劑佔覆膜砂總重量的0.04％～0.08％、潤滑劑佔覆膜砂總重量的0.1％～0.5％、輔料佔覆膜砂總重量的0.3％～0.7％、餘量為矽砂。
具體的，寶珠砂佔覆膜砂總重量的85％、樹脂佔覆膜砂總重量的2％、固化劑佔覆膜砂總重量的0.7％、偶聯劑佔覆膜砂總重量的0.06％、潤滑劑佔覆膜砂總重量的0.3％、輔料佔覆膜砂總重量的0.5％、餘量為矽砂。
寶珠砂又名電熔陶粒，是以鋁礬土為原料，經過煅燒、電熔、造粒、篩分形成的人造砂。寶珠砂包括三氧化二鋁、二氧化鈦、氧化鐵以及二氧化矽；其中，三氧化二鋁佔寶珠砂總重量的78％～85％、二氧化鈦佔寶珠砂總重量的1.5％～3.5％、氧化鐵佔寶珠砂總重量的2％～4％以及二氧化矽佔寶珠砂總重量的8％～15％。
優選地，三氧化二鋁佔寶珠砂總重量的82％、二氧化鈦佔寶珠砂總重量的3％、氧化鐵佔寶珠砂總重量的3％以及二氧化矽佔寶珠砂總重量的12％。
寶珠砂的性能參數如下表：
由上表可知，寶珠砂在熱膨脹、耐火度、角形係數等方面均適合於砂型鑄造。
發明人實驗發現：
1.油道芯變形的原因均是油道芯在澆鑄時受熱膨脹。現有的油道芯是採用矽砂鑄造，矽砂受熱會發生熱膨脹和相變膨脹，即在573℃左右，發生同質異晶轉變，膨脹率約0.82％；而在870℃-1400℃之間，發生α-方石英轉變，膨脹率約4.7％。對於線長度較長的矽砂油道芯，受熱時膨脹絕對值更大，所以，在兩端有芯頭固定的條件下，發生了「彎弓」變形。
根據上述分析，降低型砂膨脹率可以從根本上解決彎曲變形的問題。本實施例提供的覆膜砂採用寶珠砂為原砂，利用寶珠砂熱膨脹低的特點，將寶珠砂製作成覆膜砂，再用來製造油道芯，鑄造出壁厚均勻的油道腔壁，成功解決了壁厚超差的問題。
2.鑄件出現缺口，是因為澆鑄時水套芯薄片部位膨脹而產生壓應力(擠壓)和砂芯強度不足造成。鑄件出現粘砂，是由於砂型變形和薄片部位砂粒排列不夠緻密造成的。具體原因在於，水套芯薄片部位在射芯時由於模具內空間狹小，砂粒進入困難；而且狹小空間的表面積與體積比較大，熱芯模具對覆膜砂加熱迅速，覆膜砂固化早，流動性喪失快，導致填充砂粒困難，難以緊實，所以易出現粘砂。
利用本實施例提供的覆膜砂製作水套芯，能成功解決缺口和粘砂的問題，理由如下：
一方面寶珠砂真密度較大，同直徑同速率的砂粒在射芯時擁有的動能為矽砂砂粒的1.28倍，能提高砂芯緻密程度。根據機械粘砂的滲透壓公式：p＝2δcosα/r(式中δ為金屬液體表面張力，α為液體金屬與鑄型的潤溼角，r為鑄型孔隙半徑)，緻密的砂芯的砂粒間孔隙半徑r較小，能夠抵抗粘砂；
二方面寶珠砂粒形圓整，可以提高覆膜砂流動性，射芯過程中砂粒阻力小，動能損失低，保證射芯填充效果，從而減小砂粒間孔隙半徑r，抵抗粘砂；
三方面寶珠砂熱膨脹低，降低高溫時薄片砂芯承受的壓力，提高該薄片砂芯高溫時的穩定性。
四方面寶珠砂有較大的比熱容，在體積相同的情況下，能夠吸收鐵水更多的熱量，讓鐵水流動性減弱，更早結殼，從而抵抗粘砂。
3.現有的汽車發動機缸體設計複雜，利用現有的覆膜砂進行澆鑄，得到毛坯的氣孔缺陷率約30％。這些氣孔體積大，內表面光潔，有金屬光澤或氧化皮，梨形氣孔的尾部有指向性，是典型的侵入性氣孔且位置集中在水套芯上方，可以判定：是由於水套芯發氣量過大，導致的侵入性氣孔。發明人研究發現，是由於澆鑄時形成水道腔的覆膜砂芯深埋在鐵水中，難以排氣，砂芯產生的氣體容易累積在型腔中形成較高壓強，當氣體壓強p氣＞p液+p腔+p阻時，形成侵入性氣孔。
根據分析得知降低水套芯的能夠發氣量可以解決侵入性氣孔的問題。本實施例中，寶珠砂粒形好，角形係數小於1.1，近似球形，同矽砂相比，較少的樹脂加入量可以滿足強度設計要求。本實施例中，將寶珠砂和矽砂按照一定比例混合，製成覆膜砂，顯著的降低了發氣量，避免了氣孔的產生。經過批量澆鑄實驗，質量統計顯示：氣孔率≤3％，顯著提高了鑄件合格率。
4.現有的鑄件側面沒有設計出砂孔，水套芯澆鑄時側面沒有提供支撐約束的芯頭，這種結構砂芯在高溫時近似自由膨脹，形狀的保持主要依靠覆膜砂本身強度，這種膨脹變形產生的砂芯位移和覆膜砂強度不足共同造成了壁厚超差。
本實施例中，採用寶珠砂為原料製造覆膜砂，具有發氣量較低和高強度的特點，具體見下表：
經過解剖檢查鑄件毛坯，缸體缸筒壁厚差控制在1mm以內，缸筒壁厚均勻一致，尺寸合格，符合要求。
本實施例提供的覆膜砂滿足了發動機缸體薄壁化、輕量化的設計要求，能夠適用於緊湊、複雜的結構的鑄造。將本實施例提供的覆膜砂應用在汽車發動機缸體鑄造中，在特定的場合能有效消除和降低了油道芯變形、缸筒缺口、粘砂、氣孔、壁厚超差等鑄造缺陷，提高了鑄件品質。
第二實施例
本實施例提供一種覆膜砂的製備方法，覆膜砂的製備方法包括以下步驟：
a步驟：將寶珠砂和矽砂混合預熱。
其中，預熱溫度優選為130℃～150℃。寶珠砂佔覆膜砂總重量的80％～90％；優選地，寶珠砂佔覆膜砂總重量的85％、餘量為矽砂。
寶珠砂包括三氧化二鋁、二氧化鈦、氧化鐵以及二氧化矽；其中，三氧化二鋁佔寶珠砂總重量的78％～85％、二氧化鈦佔寶珠砂總重量的1.5％～3.5％、氧化鐵佔寶珠砂總重量的2％～4％以及二氧化矽佔寶珠砂總重量的8％～15％。優選地，三氧化二鋁佔寶珠砂總重量的82％、二氧化鈦佔寶珠砂總重量的3％、氧化鐵佔寶珠砂總重量的3％以及二氧化矽佔寶珠砂總重量的12％。
b步驟：在a步驟之後，將預熱後的原砂加入混砂機，並將樹脂、偶聯劑和輔料加入混砂機，並同時開始覆膜。
其中，樹脂佔覆膜砂總重量的1％～3％，偶聯劑佔覆膜砂總重量的0.04％～0.08％，輔料佔覆膜砂總重量的0.3％～0.7％；優選地，樹脂佔覆膜砂總重量的2％、偶聯劑佔覆膜砂總重量的0.06％、輔料佔覆膜砂總重量的0.5％。
c步驟：在b步驟之後，將固化劑加入混砂機。
其中，固化劑佔覆膜砂總重量的0.5％～1％；優選地，、固化劑佔覆膜砂總重量的0.7％。
d步驟：在c步驟之後，將潤滑劑加入混砂機。
其中，潤滑劑佔覆膜砂總重量的0.1％～0.5％。優選地，潤滑劑佔覆膜砂總重量的0.3％。
e步驟：在d步驟之後，對覆膜砂進行風冷，並移出混砂機進行破碎和篩分。
本實施例提供的覆膜砂的製備方法能夠獲得的效果與第一實施例中的相同，這裡不再贅述。
以上僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。