CN112846069A - 一种无机砂芯模具粘砂抑制剂、添加剂及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无机砂芯模具粘砂抑制剂、添加剂及应用，涉及汽车精密铸件制造技术领域。本发明提供的一种无机砂芯模具粘砂抑制剂，包括如下重量份的成分：多糖60‑90份、金属盐和/或金属氧化物，金属盐和金属氧化物的重量份之和为10‑40份。本发明中所制备的粘砂抑制剂可引入无机砂芯制备工艺中，利用粘砂抑制剂在铝液浇筑阶段所产生的高温环境下分解释放气体，从而在无机砂芯表面形成‑气体保护层，增加无机砂芯背压，抵抗铝液浸入，改善粘砂现象。且通过粘砂抑制剂中多种组分协同作用，提高了无机砂芯的强度和表面质量，改善了铸件的光滑平整度。
Description
技术领域
本发明涉及汽车精密铸件制造技术领域，特别涉及一种无机砂芯模具粘砂抑制剂、添加剂及应用。
背景技术
在汽车金属铸件加工制造过程中，利用无机砂芯作为铸件模具，将高温熔融金属液喷射进入无机砂芯模具内成型，从而制备出具有特定形状的加工铸件。以铝(铝合金)铸件为例，在铝液与无机砂芯接触过程中，会侵入砂粒间隙且在砂粒表面结核凝固，形成粘砂，而当砂芯剥离铸件后，粘砂无法通过水洗、气枪等方式去除，从而影响铸件的品质。
为了改善铸件表面的粘砂，目前行业内通用做法是在砂粒原料中添加粘结剂和添加剂，混合后射入模具中加热成型制备无机砂芯。其中，粘结剂、添加剂均匀包裹在砂粒表面，粘结剂的主要成分为硅酸钠(化学式为Na2SiO3)，在加热条件下，粘结剂发生脱水缩合反应形成粘结桥，在砂芯表面形成保护层；添加剂的主要成分为硅微粉、锆英粉、氧化铝、硫酸钡等矿物的混合物，为脱水缩聚反应正反应的促进剂，可促进砂粒表面保护层的形成。当铝液喷射进入无机砂芯模具内时，铝液与无机砂芯表面接触，此时粘结桥可作为保护膜层抵抗铝液侵入，改善铝液与砂粒表面的浸润，从而避免粘砂形成。
但采用上述方法制备的铸件与无机砂芯剥离后，铝铸件表面仍会有粘结，这可能是由于粘结剂形成保护层为可逆反应，而高温高湿环境下，砂芯中的自由水含量增加，水分进入砂粒间隙，附着在砂粒之间，与已形成的粘结桥接触促使脱水缩聚反应朝逆反应方向进行，导致粘结剂与砂粒的结合力小于铝液与砂粒间隙结合力，从而引起保护层部分失效。
专利文献CN104812509A中公开在砂芯除加入水溶性粘结剂外，还加入能够借助浇铸中熔融金属的热量而产生水蒸汽和/或二氧化碳气中一方的难溶于水的无机化合物粒子，利用产生的水蒸气和/或二氧化碳能够铸件和铸模件形成保护层，然而加入水溶性粘结剂，导致砂与粘结剂的混合物呈稀泥状，流动性大大降低，在射砂压力较低时，砂无法填充模具，导致砂芯无法成形，需要借助高压设备。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种无机砂芯模具粘砂抑制剂、添加剂及应用，旨在解决目前金属铸件表面易粘砂的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种无机砂芯模具粘砂抑制剂，包括如下重量份的成分：多糖60-90份、金属盐和/或氧化物，金属盐和氧化两者的重量份为10-40份。
本发明技术方案中，所述添加剂用于添加在以砂为主要原料的无机砂芯原料中，通过混合、成型制备具有特定形状的无机砂芯，所述砂可选自石英砂、宝珠砂等铝合金铸造用的无机砂芯原料。高温熔融的金属液体喷射进入无机砂芯内，与无机砂芯表面接触。此时，多糖在高温下可分解生成CO2气体和水蒸气，在无机砂芯本体表面形成背压，从而防止粘砂，原理参照图1所示。
金属盐优选能在高温下反应形成低熔点玻璃态物质，如硅酸钠、硅酸钙、硅酸镁、硅酸铝中等一种或多种硅酸盐，加入硅酸盐的作用在高温下形成低熔点玻璃态物质，有利于增强无机砂芯的热强度和热塑性；金属氧化物可提高原料之间的混合均匀度，并进一步提高砂芯强度。
氧化物为用于进一步提高砂芯强度，同时有利于与原粉料均匀混合，实际使用中种类可以依无机砂芯原料用砂中的氧化物种类来确定。其既可以是金属氧化如氧化铝、氧化镁、氧化铁、氧化铜、氧化钙、氧化钛，也可以是非金属氧化物如氧化硅等，也可以是金属氧化物和非金属氧化物的组合。
作为本发明所述一种无机砂芯模具粘砂抑制剂的优选实施方式，所述多糖为可以是多糖可以为葡聚糖、果糖等能够在高温下产生CO2气体的糖类。
作为本发明所述一种无机砂芯模具粘砂抑制剂的优选实施方式，所述添加剂还包括聚乙烯醇、石墨、辅助剂中的至少一种。
本发明技术方案中，聚乙烯醇作为多聚糖中的一种，一方面，其在高温下发生热分解反应生成CO2和水蒸气，可辅助防止粘砂；另一方面，在金属成型完毕后，无机砂芯剥离铸件表面时，有利于无机砂芯的溃散，减少残砂。
本发明技术方案中，在添加剂中添加少量石墨，石墨具有润滑作用，可以提高混砂的均匀性，同时改善铸件表面质量，使铸件表面更加光滑。
作为本发明所述一种无机砂芯模具粘砂抑制剂的优选实施方式，所述聚乙烯醇为0-10重量份、所述石墨为0-10重量份、所述辅助剂为0-5重量份。
作为本发明所述一种无机砂芯模具粘砂抑制剂的优选实施方式，所述辅助剂包括：酯类表面活性剂、酸类表面活性剂、醇类表面活性剂中的至少一种。
作为本发明所述一种无机砂芯模具粘砂抑制剂的优选实施方式，所述酯类表面活性剂包括磷酸酯、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种；所述酸类表面活性剂包括硬脂酸、油酸、月桂酸中的至少一种；所述醇类表面活性剂包括聚乙二醇、蔗糖酯、聚山梨酯、季戊四醇脂肪酸酯中的至少一种。
本发明技术方案中，添加辅助剂可改善添加剂粉体与液料之间的相容性，缓解砂芯强度降低的趋势。
另外，本发明还提供了一种添加剂，包括如下重量份的成分：粘结剂70份、促进剂30-40份、权利要求1-7任一项所述添加剂10-20份。
本发明技术方案中，所述粘结剂为金属盐类化合物，使用时，将粘结剂溶于水中形成的液态的金属盐水合物。
作为本发明所述添加剂的优选实施方式，所述粘结剂的主要成分为硅酸钠等硅酸盐；所述促进剂包括硅微粉、锆英粉、氧化铝、硫酸钡中的至少一种。
进一步地，本发明还提供了一种添加剂在制备无机砂芯中的应用。
本发明技术方案中，将砂与添加剂混合、成型制备得到无机砂芯，其中，添加剂中粘结剂先溶于水形成液料、再与砂、促进剂、粘砂抑制剂粉料混合注入模具，在加热条件下成型得到无机砂芯。且在该过程中，粘结剂发生脱水缩合反应形成均匀包裹在砂粒表面的粘结桥，形成保护层，防止后续铝液浇筑过程中与砂粒发生接触粘连形成粘砂。进一步地，由于本发明技术方案中添加了粘砂抑制剂，粘砂抑制剂中的多糖可在铝液浇筑所产生的高温(600～700℃)下，分解产生CO2气体，CO2气体在无机砂芯表面形成一层CO2气膜，增加无机砂芯背压，抵抗铝液浸入，从而进一步巩固并增强了抗粘砂效果。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明技术方案通过在无机砂芯原料中引入含有多糖等物质复配的粘砂抑制剂，利用粘砂抑制剂在铝液浇筑阶段所产生的高温环境下分解释放CO2气体，从而在无机砂芯表面形成一层CO2气膜，增加无机砂芯背压，抵抗铝液浸入，改善粘砂现象。粘砂抑制剂中多种组分协同作用，提高了无机砂芯的强度和表面质量，改善了铸件的光滑平整度。
附图说明
图1为本发明粘砂抑制剂改善粘砂原理示意图；
图2为本发明实施例中无机砂芯的成型制备工艺简图；
图3位本发明实施例中金属铝制铸件的制备工艺简图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将通过具体实施例对本发明作进一步说明。
以宝珠砂、主要成分为NaSiO3的粘结剂，主要成分为硅微粉、锆英粉、氧化铝、石墨、硫酸钡的促进剂进行举例说明。
实施例1
本实施例粘砂抑制剂包含如下重量份的组分：多糖40份、硅酸盐6份、氧化铝6份，聚乙烯醇3份、石墨2份、辅助剂3份，其中，多糖可为羧甲基多糖、甲基多糖中的任意一种或两种的混合物；硅酸盐为：硅酸钠、硅酸钙、硅酸镁、硅酸铝中的中的任意一种或多种的混合物；辅助剂选自磷酸酯、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、硬脂酸、油酸、月桂酸、聚乙二醇、蔗糖酯、聚山梨酯、季戊四醇脂肪酸酯中的至少一种。
本实施例无机砂芯模具添加剂包含如下重量份的组分：粘结剂70份、促进剂35份、添加剂15份。
制备无机砂芯
按重量份数计，将24份无机砂芯模具添加剂和1000份宝珠砂在混砂机中混合均匀后，放入射筒中，射筒内压力降射筒内的混合物通过射嘴射入模具中；混合物在模具中，射筒移开，加热模具使混合物在模具中成型；与此同时，粘结剂脱水行程粘结桥，将砂粒连接起来形成特定形状、并具有一定强度的无机砂芯，具体制备过程参照图2。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例粘砂抑制剂中多糖添加量为50份。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例粘砂抑制剂中多糖添加量为60份。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例粘砂抑制剂中多糖添加量为70份。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例粘砂抑制剂中多糖添加量为90份。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例粘砂抑制剂中多糖添加量为100份。
将实施例1-6中制备的无机砂芯用于金属铝制铸件的制备，具体制备过程如图3所示。铸件浇铸完成后，观察铸件顶盖面和排气面粘砂程度。评价粘砂程度按等级分为7级，如下表1所示。实施例1-7中对应铸件的表观状况及其他相关情况如表2所示。
表1.粘砂等级评价标准
表2.实施例1-7中对应铸件的表观评价结果
| 粘砂等级 | 其他不良类型 | |
| 实施例1 | E | 无 |
| 实施例2 | C/D | 无 |
| 实施例3 | A- | 无 |
| 实施例4 | A | 无 |
| 实施例5 | A- | 无 |
| 实施例6 | D/E | 混合不均匀，砂芯中出现添加剂团聚 |
结合表1、表2可知，实施例3、4、5所制备的无机砂芯所对应的金属铸件粘砂程度较低，其中，以实施例4效果最好。而实施例1、2、7所制备的无机砂芯所对应的金属铸件粘砂程度明显，表明当添加剂中多糖含量控制在一定程度范围内时，对金属铸件表面粘砂现象才具有良好的效果。
实施例7
本实施例与实施例4的不同之处在于，本实施例的无机砂芯模具添加剂中不含粘砂抑制剂。
实施例8
本实施例与实施例4的不同之处在于，本实施例的无机砂芯模具添加剂中包含如下重量份的组分：粘结剂70份、促进剂45份、粘砂抑制剂5份。
实施例9
本实施例与实施例4的不同之处在于，本实施例的无机砂芯模具添加剂中包含如下重量份的组分：粘结剂70份、促进剂40份、粘砂抑制剂10份。
实施例10
本实施例与实施例4的不同之处在于，本实施例的无机砂芯模具添加剂中包含如下重量份的组分：粘结剂70份、促进剂30份、粘砂抑制剂20份。
实施例11
本实施例与实施例4的不同之处在于，本实施例的无机砂芯模具添加剂中包含如下重量份的组分：粘结剂70份、促进剂25份、粘砂抑制剂25份。
按照与实施例1-6中相同的方法将实施例7-11制备的无机砂芯用于金属铝制铸件的制备，铸件浇铸完成后，观察铸件顶盖面和排气面粘砂程度。实施例8-12中对应铸件的表观状况及其他相关情况如表3所示。
表3.实施例4、8-12中对应铸件的表观评价结果
| 粘砂等级 | 其他不良类型 | |
| 实施例4 | A | 无 |
| 实施例7 | E/F | 砂芯批量断芯 |
| 实施例8 | C/D | 无 |
| 实施例9 | A- | 无 |
| 实施例10 | A | 砂芯表面出现少量浮砂 |
| 实施例11 | A | 砂芯表面出现大量浮砂，砂芯断芯 |
结合表1、表3可知，实施例4和实施例11相比，实施例11中粘砂抑制剂与促进剂的比例为1:1，添加剂占比较高，虽然实施例11表现出与实施例4相同的抵抗粘砂效果，但是实施例11所制备的无机砂芯力学强度不达标，容易断芯，且砂芯表面出现大量浮砂。实施例7中未添加添加剂，不仅抵抗粘砂效果不好，且所制备的无机砂芯力学强度不达标，容易断芯，表明添加剂不仅可起到抵抗粘砂的效果，适量的加入量还可提高无机砂芯的力学强度。相较于实施例4、实施例10-10，实施例8中粘砂抑制剂与促进剂的比例较低，实施例8的抵抗粘砂效果明显低于实施例4、实施例9-11。因此，综合上述实验结果，选择添加剂：促进剂＝1:4-2:3，效果最好。
实施例12
本实施例与实施例4的不同之处在于，本实施例的粘砂抑制剂中不含聚乙烯醇。
实施例13
本实施例与实施例4的不同之处在于，本实施例的粘砂抑制剂中不含石墨。
实施例14
本实施例与实施例4的不同之处在于，本实施例的粘砂抑制剂中不含辅助剂。
按照与实施例1-11中相同的方法将实施例12-14制备的无机砂芯用于金属铝制铸件的制备，铸件浇铸完成后，观察铸件顶盖面和排气面粘砂程度。实施例12-14中对应铸件的表观状况及其他相关情况如表4所示。
表4.实施例13-15中对应铸件的表观评价结果
| 粘砂等级 | 其他不良类型 | |
| 实施例12 | A- | 铸件中有砂球残留 |
| 实施例13 | A | 铸件中表面有纹路 |
| 实施例14 | A/A- | 浇铸过程中有断芯 |
结合表1、表4可知，实施例12-14中在不添加聚乙烯醇、石墨或辅助剂的情况下，也可达到良好的抵抗粘砂的效果，说明粘砂抑制剂中多糖作为CO2的主要来源，对无机砂芯的抗粘砂效果起到主要作用；但是，在不添加聚乙烯醇、石墨或辅助剂的情况下，无机砂芯的表面平整度、砂芯强度稍有降低，但不影响砂芯的使用，由此可知，本发明中聚乙烯醇、石墨或辅助剂作为粘砂抑制剂的辅助成分，可进一步巩固和增强提高无机砂芯的力学性能及砂芯表面光洁度。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种无机砂芯模具粘砂抑制剂，其特征在于，包括如下重量份的成分：多糖60-90份、金属盐和/或氧化物，所述金属盐和所述氧化物的重量份之和为10-40份。
2.如权利要求1所述的无机砂芯模具粘砂抑制剂，其特征在于：所述多糖为葡聚糖和/果糖。
3.如权利要求1所述的一种无机砂芯模具粘砂抑制剂，其特征在于，所述金属盐为2-20份；所述氧化物为2-20份。
4.如权利要求1所述的一种无机砂芯模具粘砂抑制剂，其特征在于，所述所述金属盐为硅酸盐。
5.如权利要求1所述的一种无机砂芯模具粘砂抑制剂，其特征在于，还包括聚乙烯醇、石墨、辅助剂中的至少一种。
6.如权利要求5所述的一种无机砂芯模具粘砂抑制剂，其特征在于，所述聚乙烯醇为0-10重量份、所述石墨为0-10重量份、所述辅助剂为0-5重量份。
7.如权利要求5所述的一种无机砂芯模具粘砂抑制剂，其特征在于，所述辅助剂包括酯类表面活性剂、酸类表面活性剂、醇类表面活性剂中的至少一种。
8.一种无机砂芯模具添加剂，其特征在于，包括如下重量份的成分：粘结剂70份、促进剂30-40份、权利要求1-7任一项所述粘砂抑制剂10-20份。
9.如权利要求8所述的添加剂，其特征在于，所述粘结剂的主要成分为硅酸盐；所述促进剂包括硅微粉、锆英粉、氧化铝、硫酸钡中的至少一种。
10.权利要求8-9中任一项所述的添加剂在制备无机砂芯中的应用。
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