熱醒鼓法制備水溶性型芯工藝研究

在熱壓法中，用親水鼓法制備洛陽，型芯可快速膨脹，強度可快速確定。這能有效地防止型芯在搬運、烘烤過程中出現的斷裂、鼓脹、變形等缺陷。另外,此法制得的型芯強度高、發氣量低、變形量小、水溶潰散性優良,且澆注后型芯材料還可回收利用,因此具有廣泛的應用前景。然而采用此法制備型芯的研究中,對影響型芯強度的研究不夠系統。為此,本試驗從水溶性型芯的配方及熱搗鼓法的成形工藝上進行研究,旨在探究影響型芯抗拉強度的因素(粘結劑、原砂、粘土、加熱溫度及加熱時間)以及抗拉強度與各因素之間的關系。1試驗部分1.1cl2、mgcl2、na2po4、kco3原材料:硅砂、寶珠砂,無水NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、NaH2PO4、K2CO3(分析純),粘土。試驗設備:SAR-Ⅱ智能溫控覆膜砂制樣機,SWY液壓萬能強度試驗機,SHY樹脂砂混砂機。1.2無機溶液材料的添加鹽砂芯制芯時,一般先將耐火骨料與無機鹽干混再加水濕混或用水將無機鹽調稀后再進行濕混。這兩種方法制芯時略有不同,但由于水加入量較少,無機鹽均未完全溶解,必然導致混合料成分不均勻,制得的型芯性能不夠穩定。文獻將無機鹽以水溶液形式加入耐火骨料混合后制得型芯,型芯的強度比較穩定。但實踐表明,此法制芯時粘模嚴重。試驗研究發現,向型芯混合料中添加少量粘土類物質,制芯時的粘模問題可以得到解決。因此,本試驗無機鹽以溶液形式加入,并添加少量粘土物質以防止型芯粘模。試樣制備:將砂與粘土在混砂機中干混1min,再加入K2CO3溶液濕混3min;待制樣機溫度達設定溫度時,將混好的芯砂填入“8”字形模具,手工搗實后加熱一定的時間脫模取出試樣,并將制好的型芯置于干燥皿中備用。抗拉強度的測量方法:將制得的型芯置于強度試驗機上測取5組抗拉強度值。除去最大值和最小值后,對剩下的3個數據求平均值。2試驗結果與分析2.1金屬離子對人工干預型芯強度的影響無機鹽粘結劑對水溶性型芯的性能起主要作用。因此,無機鹽粘結劑的選擇十分重要。這要求無機鹽本身具備一定的強度和耐火度,且與高溫金屬不發生反應,自身在高溫下也不發生分解等。試驗中以廣泛使用的硅砂作為耐火材料,主要考察無機鹽種類以及無機鹽溶液對型芯抗拉強度的影響。所選幾種無機鹽粘結劑的理化性能見表1。2.1.1無機鹽結晶對型芯強度的影響要了解無機鹽的粘結強度需要配置相同濃度的無機鹽溶液。由于各類無機鹽的溶解度相差懸殊,因此只有配置較低濃度的無機鹽溶液。制芯時,在硅砂中加入10%無機鹽溶液(溶液質量分數為20%)制樣。測得無機鹽粘結與型芯抗拉強度的關系見圖1。可以看出,CaCl2、MgCl2和NaH2PO4的抗拉強度較NaCl、KCl和K2CO3好。在這6種無機鹽中,前3種溶液呈酸性,后3種溶液呈中性或弱堿性。這表明以酸性無機鹽溶液作硅砂粘結劑,其強度性能更好。另外,CaCl2、MgCl2、NaCl和KCl均為氯化物,且前2種為二價堿金屬氯化物,后2種為一價堿金屬氯化物。這表明在溶液加入量相等時,同為氯化物的二價堿金屬鹽作粘結劑的型芯表面明顯優于一價金屬鹽粘結劑。2.1.2無機粘結劑對型芯力學性能的影響無機鹽溶液對抗拉強度的影響表現在溶液中溶質和溶劑的含量上。若單從溶液加入量的角度來考察,其對抗拉強度的影響難以分析清楚。因為溶液加入量增大,溶質和溶劑的量均增加,分析時易產生混雜。因此,試驗中在型芯配料過程中分別固定溶劑和溶質的加入量,從無機鹽加入量和水加入量兩個方面分別考慮溶液對抗拉強度的影響。(1)無機鹽加入量。水加入量一定時,摩爾分數的不同反映了無機鹽加入量的不同。因此,配制不同摩爾分數的無機鹽溶液,考察不同無機鹽在不同摩爾分數下型芯的強度。無機鹽溶液的摩爾分數分別為3mol/L、4mol/L和5mol/L。圖2為無機鹽加入量與抗拉強度的關系曲線。可以看出,隨無機鹽加入量的增加,型芯的抗拉強度有所增大。這是因為,型芯建立強度的過程是型芯中無機鹽溶液受熱后水分蒸發無機鹽逐步結晶的過程。隨著溶液摩爾分數增加,混合料中無機鹽的含量增大,則蒸發結晶時型芯內析出的架橋增加,所以型芯強度有所增大。另外,在相同的摩爾分數下,不同無機鹽型芯的抗拉強度與相同質量分數下不同無機鹽型芯的抗拉強度相差不大。首先,溶液呈酸性的無機鹽粘結劑抗拉強度高于溶液呈中性的無機鹽粘結劑(圖2);其次,二價堿金屬氯化物的粘結強度優于一價堿金屬氯化物。所不同的是,以K2CO3為粘結劑的型芯,其抗拉強度值有明顯提高,達到了以NaH2PO4為粘結劑型芯的水平。(2)水加入量。由于在型芯中,起粘結作用的是無機鹽。若無機鹽粘結劑的種類選定,且加入量一定,那么型芯強度理當為定值。然而,型芯的強度與水的加入量有關。因此,以K2CO3為例,考察了無機鹽加入量一定時,水加入量對型芯抗拉強度的影響,見圖3。抗拉強度隨水加入量的增加呈下降的趨勢。對其散點圖進行回歸分析,得出抗拉強度與水加入量呈線性關系,且線性度較好。型芯中,起粘結作用的是無機鹽。但水對無機鹽有一定的破壞作用。這是因為,型芯在加熱過程中,外層型芯混合料最先受熱,無機鹽溶液會蒸發結晶,形成網狀粘結橋。然而,過多的水分導致內層混合料的升溫速率減慢,結果是外層晶橋已形成時內層的大量水分未能充分溢出。隨著加熱時間的延長,內層混合料溫度升高后,混合料中的水分逐漸溢出,這破壞了外層已建立起來的晶橋,從而導致型芯強度的下降。因此,從無機鹽粘結劑對型芯抗拉強度的影響來看,宜選用粘結強度高的無機鹽,如CaCl2、MgCl2和NaH2PO4。然而,MgCl2耐火度偏低;NaH2PO4高溫下分解出P2O5氣體。從無機鹽加入量和水加入量對型芯抗拉強度的影響來看,理想的無機鹽粘結劑應該是無機鹽本身有足夠的粘結強度外,無機鹽更應該有較高的溶解度。只有較高的溶解度,才可能通過加較少的水就能溶解較多的無機鹽。從這一角度出發,K2CO3和CaCl2是較為理想的無機鹽粘結劑。但CaCl2吸濕性極強,若不能保證工作環境濕度極低,K2CO3作粘結劑更為合適。2.2原砂的影響2.2.1砂粒對型芯強度的影響鑄造用耐火材料可以分為兩大類,氧化鋁系耐火材料和氧化硅系耐火材料。兩類原砂耐火物相的物理化學性質見表2。本試驗以硅砂和莫來石砂作為耐火材料,考察不同種類的原砂在兩種不同粘結劑(強堿弱酸鹽K2CO3和強酸弱堿鹽CaCl2)及不同粘結劑加入量下型芯的抗拉強度。其中K2CO3溶液濃度為50%,CaCl2溶液濃度為30%,粘土適量。原砂對型芯抗拉強度可能存在物理和化學影響兩方面。一方面由于寶珠砂粒形更圓整,流動性較好,在充填的過程中,容易搗實,因此砂粒與砂粒之間的架橋連接比較密實,型芯強度自然增大(圖4a)。這在水玻璃砂及樹脂砂中被認同。試驗結果表明,以寶珠砂為耐火材料的型芯,其強度明顯優于以硅砂為耐火材料的型芯。所謂化學影響可能與耐火材料的耐火物相有關。石英砂表面呈酸性,在無機鹽蒸發結晶過程中,這有利于吸附強酸弱堿鹽中的金屬離子,從而使型芯的強度增大。試驗結果亦表明,以強堿弱酸鹽K2CO3為粘結劑的型芯強度低于以強酸弱堿鹽CaCl2為粘結劑的型芯。而以莫來石為主要成分的寶珠砂,其耐火物相呈兩性,因此無論是強酸弱堿鹽還是強堿弱酸鹽,型芯強度都遠遠高于硅砂(圖4b)。2.2.2粒徑與型芯強度的關系將硅砂進行篩分,取單目砂進行試驗,以考察在溶液加入量一定時,砂粒粒度對型芯抗拉強度的影響。砂粒粒徑與型芯抗拉強度的關系見圖5。可以看出,砂粒粒徑與型芯抗拉強度之間存在較明顯的二次曲線關系。這是因為砂粒粒徑對型芯強度有兩個方面的影響。當砂粒粒徑較大時,單位面積上架橋的數目較少,型芯強度較低;砂粒粒徑較小時,包覆在砂粒表面的溶液厚度較薄,型芯的強度也相應較低。因此,從原砂對型芯抗拉強度的影響來看,若單從強度的角度考慮,粒形圓整、流動性好的寶珠砂是首選。若從經濟實用角度考慮,石英砂價格低廉,且制得的型芯強度性能尚可,若能通過其他途徑進一步提高其性能也是可取的。2.3抗壓強度的影響粘土加入后,可以避免制芯時的粘模現象。試驗還發現,粘土加入量對型芯的抗拉強度也有一定的影響,見圖6。可以看出,抗拉強度呈先增大后減小的趨勢。粘土加入后,可能為無機鹽結晶提供了外加晶核,從而起到細化晶粒的作用。當粘土加入量較少時,所提供的晶核較少,晶粒細化不夠明顯;但加入量過高時,包覆在粘土表面的無機鹽相對較薄,于是無機鹽粘結橋的強度較低,所以強度較低。因此,在粘土加入量為3%~5%時,具有較好的強度。2.4制芯溫度對金相粘合劑型芯的影響制樣時,若加熱溫度太低,溶液中水分蒸發十分緩慢,制芯則需要很長時間才能使型芯建立起強度。若加熱溫度過低,不能夠去除無機鹽攜帶的結晶水,在澆注過程中這些低溫結晶水迅速溢出,使鑄件產生氣孔。但是加熱溫度也不能太高,太高時型芯中水分迅速氣化,制得的型芯容易產生開裂等現象。因此,宜將加熱溫度設定在一個合適的值上。由于K2CO3和CaCl2適宜于用作無機鹽粘結劑,將K2CO3和CaCl2溶液進行熱重/差熱分析,發現K2CO3溶液在180℃附近不再發生熱失重(圖7),CaCl2溶液主要失重也發生在180℃之前(圖8)。這說明在此溫度下可以將K2CO3和CaCl2攜帶的結晶水全部或絕大部分去除干凈。因此,宜以此溫度為加熱溫度。試驗發現在此溫度下制樣,型芯強度較好,且無開裂現象。另外,由于CaCl2在307℃仍有失重,制芯溫度若設定為此溫度,型芯容易產生開裂;制芯溫度若設定為180℃,型芯混合料中的水分不能去除干凈,澆注過程中容易產生氣孔。因此,若要采用CaCl2作為粘結劑,后續加熱工藝是必不可少的,這會增加型芯的制芯工序。所以說K2CO3作粘結劑更可取。圖9為加熱時間對型芯抗拉強度的影響。可以看出,水加入量不同時,抗拉強度隨加熱時間的延長具有微小的降低,約0.05MPa。這可能是隨著加熱時間的延長,型芯中水分的散失比較充分,其中添加的粘土因失水而導致型芯強度有細微的減小。因此,對于以K2CO3為粘結劑的型芯,制芯溫度宜控制在180℃。另外加熱時間達到180s后,延長加熱時間對型芯抗拉強度影響不大。3粘結劑用量對型芯力學性能的影響(1)無機鹽粘結劑對型芯抗拉強度的影響十分顯著。溶液呈酸性的無機鹽粘結劑強度較好、弱堿性的次之、中性的最差。但制備鋁合金用水溶性型芯,溶解度較高、吸濕相對較弱的K2CO3作無機鹽粘結劑最為合適,在環境濕度允許且要求型芯強度較高時,可使用CaCl2作粘結劑。(2)原砂種類對型芯抗拉強度的影響較大