一种阻燃耐热型覆膜砂及制备方法与流程

1.本发明属于铸造材料领域，具体涉及一种阻燃耐热型覆膜砂及制备方法。


背景技术：

2.铸造是金属零部件的主要成型工艺，是强基工程的重要组成部分。我国是铸造大国，受益于装备制造业对铸件市场的庞大需求，2022年我国铸件总产量达5000万吨。在海洋船舶装备、风电设备等领域，轮毂和主机架作为海上风电机组的核心部件，其产品结构复杂，轮廓尺寸高大，单件最大重量达几十吨，各项性能指标要求十分严格，因而优异的造型材料是铸件生产的关键。
3.在大型铸件浇注时，砂芯会受到高温金属液凝固时的潜热释放，由此也产生了对砂芯持续加热的效应，且在较短时间内，靠近金属液的砂芯温度会从常温迅速上升到600℃以上，这时包覆在砂表面有机物树脂，因受热迅速分解，从而降低砂粒之间的粘结强度，砂粒和未凝固的金属液相互融合，造成铸件粘砂，无法满足大型铸钢件的要求。
4.因此，开发新型耐热性覆膜砂制备砂芯已经成为日益迫切的需求，故提出本发明技术方案。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种阻燃耐热型覆膜砂及制备方法。所述制备方法将各原料组分进行科学配比，当高温金属液在注入型腔后，使用本发明覆膜砂制作的砂芯能够延缓砂芯升温以及减少树脂受热分解，同时可吸收树脂分解的气体，解决传统硅砂耐火度低和覆膜砂不能用于大型铸钢件的问题。
6.本发明的方案是提供一种阻燃耐热型覆膜砂，包括如下原料：硅砂、高分子树脂、固化剂、润滑剂和阻燃剂；其中：
7.以重量计算，所述硅砂为100重量份，所述高分子树脂占所述硅砂的重量比为1～3％，所述固化剂占所述高分子树脂的重量比为12～17％，所述润滑剂占所述高分子树脂的重量比为5～7％，所述阻燃剂占所述高分子树脂的重量比为8～12％。
8.本发明对各原料的含量进行了深入研究，其中：当阻燃剂加入量过多时，释放的水汽、co2会比较高，易导致铸件形成气孔的风险增加；当加入量过少时，则会使得阻燃效果有限，经过多次验证实验，最佳范围占高分子树脂重量的8～12％。
9.高分子树脂量占比硅砂重量为1～3％，固化剂的有效含量是和高分子树脂含量是有一定比例关系，固化剂最佳配比是树脂量的12～17％。经发明人反复验证，固化剂过量会造成过固化，砂芯发脆；固化剂加入量偏低，则会导致部分树脂欠固化，导致强度低。
10.润滑剂含量是高分子树脂的5～7％，润滑剂加入量偏低，导致覆膜砂的流动性差，不能有效的填充；润滑剂加入量偏高，急剧增加覆膜砂中的灰分，会造成强度衰退。
11.优选地，所述高分子树脂为酚醛树脂或环氧树脂。
12.优选地，所述固化剂为六亚甲基四胺。
13.优选地，所述润滑剂为硬脂酸钙。
14.优选地，所述阻燃剂为水滑石。其化学式为：mg6al2(oh)
16
co3·
4h2o，水滑石加热到一定温度会发生分解，热分解过程包括脱层间水，脱碳酸根离子和层板羟基脱水等。
15.基于相同的技术构思，本发明的再一方案是提供一种阻燃耐热型覆膜砂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
16.(1)将所述硅砂先进行加热，再与所述高分子树脂混合，利用硅砂的温度将高分子树脂熔化，使其均匀地包覆在硅砂表面，得到第一混合物；
17.(2)将所述固化剂与水混合，得到固化剂水溶液；再将所述固化剂水溶液加入至所述第一混合物中搅拌均匀，此时，固化剂均匀地包覆在高分子树脂表面，得到第二混合物；
18.(3)将所述阻燃剂加入至所述第二混合物中混制，混制完成后，阻燃剂均匀地包覆在固化剂表面；随后再加入所述润滑剂搅拌均匀，使润滑剂包覆在阻燃剂表面，最后冷却后包装即可，得到的阻燃耐热型覆膜砂为多层包覆结构。
19.优选地，步骤(1)中，所述加热的温度为130～160℃。
20.优选地，步骤(3)中，所述混制的时间为10～15s。
21.经发明人反复验证，在制备过程中，高分子树脂、固化剂、润滑剂和阻燃剂目数越细，越能均匀的包覆在硅砂表面，且对砂芯强度影响降到最低，通常目数＞800目；但是目数超过一定细度时，在实际混砂过程中，这些细粉会随着混砂机叶轮扬起来，很难被包覆在砂粒表面了，通过反复验证，最佳的目数是800～1500目。
22.为便于理解本发明，对本发明阻燃耐热型覆膜砂颗粒的结构、制备过程的各阶段及实际浇注过程进行说明：
23.高分子树脂在融化状态下可以直接包覆在砂粒表面，树脂在未完全冷却物理固化之前，后续的各种材料，才能吸附在砂粒上。
24.固化剂膜紧挨着树脂膜，在制芯时让树脂能够充分固化，使砂粒之间形成稳定的连接桥，也是形成耐热骨架，从而更好的让砂粒之间粘结成固定形状。
25.阻燃剂膜是为了保护树脂和固化剂不被灼烧掉，所以位于第4层。
26.润滑剂膜的主要作用，就是在制芯的时候，让砂粒填充模腔，提高散砂之紧实度，砂芯更加致密，提高砂粒之间的连接桥数量，从而提高强度和耐热性。当制芯温度超过140℃，润滑剂就直接分解了，对后续没有任何作用，也不会产生恶劣影响。
27.在润滑剂分解后，砂芯在金属液浇注时，裸露的阻燃剂膜就起到阻燃效果。
28.(i)覆膜阶段：
29.本发明所述的阻燃剂加热温度低于200℃时，仅失去自由水分，对其结构并无影响。
30.在覆膜砂制备过程中，加入阻燃剂混砂的温度约为100～130℃，此温度下仅会让水滑石中的自由水蒸发，不破坏阻燃剂自身特性，也不会对覆膜砂的生产和使用工艺产生不利因素。另外，水滑石具有颗粒小、比表面积大的特点，覆膜后亦具备较强的稳定性，且不会降低砂粒之间的连接桥强度。
31.(ii)制芯阶段：
32.制芯温度为200～250℃，此时阻燃剂的结构相对稳定，只是失去部分水分，说明在制芯阶段，不会对水滑石的性能产生不利影响，为后续浇注阶段的效果发挥，创造积极条
件。
33.(iii)浇注阶段：
34.浇注伊始，砂芯被注入金属液(其温度为1400～1550℃)时，砂芯的温度会迅速上升。
35.当砂芯温度到250～450℃时，阻燃剂会有少量co2生成，该co2能阻止高温金属液对高分子树脂的氧化。
36.当砂芯温度到450～600℃时，碳酸根离子消失，会完全转变为co2，生成双金属复合氧化物(ldo)，并释放co2阻止燃烧分解特性，从而阻止高温金属液对包覆在砂粒表面树脂膜的燃烧，继续保持砂芯的尺寸精度，从而解决砂芯提前溃散、开裂的问题。
37.当砂芯温度到超过600℃时，阻燃剂则分解形成的金属氧化物开始烧结，致使表面积降低，孔体积减小，通常形成尖晶石mgal2o4和mgo。而mgal2o4和mgo又是典型的耐热材料(耐火度超过1800℃)，在高温环境，这些材料还能和sio2发生陶瓷化，在金属液和砂芯间形成一层致密的陶瓷保护层，对于生产大型铸件(铸件越大，金属液冷却过程中释放的潜热就多)都非常有利，有效避免铁水渗入砂芯中，造成铸件粘砂。
38.在阻燃过程中，阻燃剂的分解的吸热量大，有利于降低高分子树脂燃烧时产生的高温，可以延缓砂芯温度上升的速度，从而延缓高分子树脂的被灼烧，这是本发明所述阻燃型耐热覆膜砂的耐热原理。
39.即在受热过程中，阻燃剂的有序层状结构被破坏，表面积增加，孔容增加(孔容又称孔体积，单位质量多孔固体所具有的细孔总容积)。这些孔容能够“存储”高分子树脂在分解时生产的气体(氮氧化合物等)，可以降低铸件产生气孔的风险。
40.为便于理解本发明，对本发明出现的部分专业名词进行解释：
41.潜热：相变潜热的简称，指物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。
42.粘砂：铸件表面上粘附有一层难以清除的砂粒称为粘砂，粘砂既影响铸件外观，又增加铸件清理和切削加工的工作量，甚至会影响机器的寿命。
43.气孔：也称气眼，是铸件生产中最常见的缺陷之一，产生于铸件内部、表面或近表面，呈大小不等的圆形、长形及不规则形，有单个的，也有聚集成片的，孔壁光滑，是气体浸入铁水导致的。
44.本发明的有益效果为：
45.本发明所述的制备方法将各原料组分进行科学配比，当高温金属液在注入型腔后，使用本发明覆膜砂制作的砂芯能够延缓砂芯升温以及减轻树脂受热分解，同时可吸收树脂分解的气体，解决传统硅砂耐火度低和覆膜砂不能用于大型铸钢件的问题，具体为：
46.1、本发明将阻燃剂处理覆膜砂，通过阻燃剂的热分解反应，吸收金属液凝固的潜热和释放阻燃气体co2，以提高覆膜砂耐热性的优点，相比较特种材料(宝珠砂、陶粒砂、铬铁砂等)，成本优势明显，能降低铸件的报废率。
47.2、本发明的阻燃剂包覆在覆膜砂粒表面，但不影响覆膜砂的常规性能。
48.3、本发明混制的覆膜砂，浇注时，在不同温度阶段，都能发挥不同的效果，并且解决了普通硅砂能用于大型铸件的问题。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
50.图1是本发明所述阻燃耐热型覆膜砂颗粒的结构示意图。
51.图2是耐热时间的检测试验参考图。
52.图中附图标记为：
53.1-硅砂；2-高分子树脂膜；3-固化剂膜；4-阻燃剂膜；5-润滑剂膜；6-1000℃石英棒；7-圆柱试块；8-常温石英棒上。
具体实施方式
54.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
55.实施例1
56.本实施例提供一种阻燃耐热型覆膜砂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
57.(1)将1000g硅砂进行加热至预定温度130℃，将10g酚醛树脂加入至混砂桶内，利用砂温将固态的酚醛树脂融化，使其均匀包覆在硅砂表面，得到第一混合物；
58.(2)将1.2g六亚甲基四胺与水混合，得到固化剂水溶液；再将所述固化剂水溶液加入至混砂桶内，与所述第一混合物中搅拌均匀，得到第二混合物；
59.(3)将0.8g水滑石加入至所述第二混合物中混制10s，使水滑石包覆在所述第二混合物表面，完成后再加入0.5g硬脂酸钙搅拌均匀，冷却后包装即可。
60.需要注意的是，在该实施例中，酚醛树脂、六亚甲基四胺、水滑石和硬脂酸钙均为粉状，且粒度范围为800～1000目。
61.另外，在步骤(3)中，混制时间需精准把控，如果混制时间过短，会造成阻燃剂包覆不均匀；混制时间过长，则会导致包覆的树脂膜被损坏，从而降低强度。
62.其中，阻燃耐热型覆膜砂颗粒的结构示意图如图1所示，其为多层包覆结构，层级的形成与加料顺序相关，由内之外依次为硅砂1、高分子树脂膜2、固化剂膜3、阻燃剂膜4和润滑剂膜5，下同。
63.实施例2
64.本实施例提供一种阻燃耐热型覆膜砂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
65.(1)将1000g硅砂进行加热至预定温度160℃，将30g酚醛树脂加入至混砂桶内，利用砂温将固态的酚醛树脂融化，使其均匀包覆在硅砂表面，得到第一混合物；
66.(2)将5.1g六亚甲基四胺与水混合，得到固化剂水溶液；再将所述固化剂水溶液加入至混砂桶内，与所述第一混合物中搅拌均匀，得到第二混合物；
67.(3)将3.6g水滑石加入至所述第二混合物中混制15s，使水滑石包覆在所述第二混合物表面，完成后再加入2.1g硬脂酸钙搅拌均匀，冷却后包装即可。
68.需要注意的是，在该实施例中，酚醛树脂、六亚甲基四胺、水滑石和硬脂酸钙均为粉状，且粒度范围为1200～1500目。
69.另外，在步骤(3)中，混制时间需精准把控，如果混制时间过短，会造成阻燃剂包覆不均匀；混制时间过长，则会导致包覆的树脂膜被损坏，从而降低强度。
70.实施例3
71.本实施例提供一种阻燃耐热型覆膜砂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
72.(1)将1000g硅砂进行加热至预定温度140℃，将20g酚醛树脂加入至混砂桶内，利用砂温将固态的环氧树脂融化，使其均匀包覆在硅砂表面，得到第一混合物；
73.(2)将2.8g六亚甲基四胺与水混合，得到固化剂水溶液；再将所述固化剂水溶液加入至混砂桶内，与所述第一混合物中搅拌均匀，得到第二混合物；
74.(3)将2.0g水滑石加入至所述第二混合物中混制12s，使水滑石包覆在所述第二混合物表面，完成后再加入1.2g硬脂酸钙搅拌均匀，冷却后包装即可。
75.需要注意的是，在该实施例中，环氧树脂、六亚甲基四胺、水滑石和硬脂酸钙均为粉状，且粒度范围为1000～1200目。
76.另外，在步骤(3)中，混制时间需精准把控，如果混制时间过短，会造成阻燃剂包覆不均匀；混制时间过长，则会导致包覆的树脂膜被损坏，从而降低强度。
77.对比例
78.选取实施例1所得阻燃耐热型覆膜砂与常规覆膜砂、常规耐热覆膜砂、陶粒覆膜砂(特种材料)，参考jb/t8583-2008标准对其性能检测，结果表1所示。
79.其中，耐热时间的检测方法为：
80.(1)将待测覆膜砂，在232℃的制样机上制备成的圆柱试块7，冷却室温备用；
81.(2)将顶部的石英棒加热到1000℃；
82.(3)用镊子夹好圆柱样块，将其放置在底部固定的常温石英棒上8；
83.(4)逐渐加载，直到顶部高温1000℃石英棒6与圆柱试块7相接触；
84.(5)给圆柱试块7持续施加0.2mpa的载荷，开始计时；
85.(6)观察圆柱试块7的状态，直到试块破损的时间，就是该样品的耐热时间，单位：s。
86.耐热时间的检测试验参考图如图2所示。
87.表1各组覆膜砂性能参数对比
[0088][0089][0090]
由结果可知：
[0091]
1、本发明所述阻燃耐热型覆膜砂，在1000℃条件下的耐热时间明显高于常规覆膜砂，也高于常规耐热覆膜砂和陶粒覆膜砂(特种材料)，原因在于阻燃剂包覆在砂粒的树脂表面，能够提高砂芯耐热性。
[0092]
2、本发明所述阻燃耐热型覆膜砂，由于阻燃剂的加入量合理，并没有对强度造成负面影响。
[0093]
3、常规耐热覆膜砂的强度较低，主要原因是添加剂降低了砂粒之间的粘结效果，虽然耐热性有所提高，但是也牺牲了强度。
[0094]
4、陶粒覆膜砂(特种材料)，其常温抗拉强度和常温抗弯强度略高于本发明所述阻燃耐热型覆膜砂，但耐热时间稍低，且成本显著提高，市场接受度差。
[0095]
5、本发明砂芯热耐热性好，可以更好地抵御金属液的热量侵蚀，从而获得表面质量、尺寸精度高的厚大铸件。
[0096]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种阻燃耐热型覆膜砂，其特征在于，包括如下原料：硅砂、高分子树脂、固化剂、润滑剂和阻燃剂；其中：以重量计算，所述硅砂为100重量份，所述高分子树脂占所述硅砂的重量比为1～3％，所述固化剂占所述高分子树脂的重量比为12～17％，所述润滑剂占所述高分子树脂的重量比为5～7％，所述阻燃剂占所述高分子树脂的重量比为8～12％。2.根据权利要求1所述阻燃耐热型覆膜砂，其特征在于，所述高分子树脂为酚醛树脂或环氧树脂。3.根据权利要求1所述阻燃耐热型覆膜砂，其特征在于，所述固化剂为六亚甲基四胺。4.根据权利要求1所述阻燃耐热型覆膜砂，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸钙。5.根据权利要求1所述阻燃耐热型覆膜砂，其特征在于，所述阻燃剂为水滑石。6.权利要求1～5任一项所述阻燃耐热型覆膜砂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将所述硅砂先进行加热，再与所述高分子树脂混合，得到第一混合物；(2)将所述固化剂与水混合，得到固化剂水溶液；再将所述固化剂水溶液加入至所述第一混合物中搅拌均匀，得到第二混合物；(3)将所述阻燃剂加入至所述第二混合物中混制，完成后再加入所述润滑剂搅拌均匀，冷却后包装即可。7.根据权利要求6所述阻燃耐热型覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述加热的温度为130～160℃。8.根据权利要求6所述阻燃耐热型覆膜砂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述混制的时间为10～15s。

技术总结
本发明属于铸造材料领域，具体涉及一种阻燃耐热型覆膜砂及制备方法。所述阻燃耐热型覆膜砂，包括如下原料：硅砂、高分子树脂、固化剂、润滑剂和阻燃剂；其中：以重量计算，所述硅砂为100重量份，所述高分子树脂占所述硅砂的重量比为1～3％，所述固化剂占所述高分子树脂的重量比为12～17％，所述润滑剂占所述高分子树脂的重量比为5～7％，所述阻燃剂占所述高分子树脂的重量比为8～12％。所述制备方法将各原料组分进行科学配比，当高温金属液在注入型腔后，使用本发明覆膜砂制作的砂芯能够延缓砂芯升温以及减轻树脂受热分解，同时可吸收树脂分解的气体，解决传统硅砂耐火度低和覆膜砂不能用于大型铸钢件的技术瓶颈。用于大型铸钢件的技术瓶颈。用于大型铸钢件的技术瓶颈。


技术研发人员：尹海军 包羽冲 唐品 王梓鑫 刘承翔
受保护的技术使用者：南阳仁创再生资源有限公司
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/13