本發(fā)明涉及鑄造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口及其制備方法。
背景技術(shù)：
在鑄造生產(chǎn)中，鑄件的縮孔、縮松、夾渣等缺陷是制約鑄件生產(chǎn)的一大難題，它直接影響鑄件內(nèi)在質(zhì)量和工藝出品率。設(shè)置冒口是保證鑄件質(zhì)量的重要措施之一，設(shè)置冒口可以保證補(bǔ)縮通道暢通，確保鑄件凝固過程中有足夠的金屬液進(jìn)行補(bǔ)縮，保證鑄件完全凝固后獲得致密組織，從而獲得性能良好的鑄件。
鎂合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度比剛度高、減振性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)及易于回收等性能特點(diǎn)。自20世紀(jì)90年代以來，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家高度重視鎂合金的研究和開發(fā)，并已將鎂合金廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、汽車和電子信息產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，有著十分廣闊的市場前景。但目前鎂合金鑄造過程中遇到的突出問題是鎂合金的凝固溫度區(qū)間大，易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷；鎂合金活性很強(qiáng)，易與鑄型材料發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)放出大量熱量不能迅速散發(fā)出去，致使反應(yīng)界面上的溫度迅速升高，加劇了鎂的氧化燃燒，使鎂合金鑄件表面出現(xiàn)空洞和氧化皮，嚴(yán)重時(shí)鑄件報(bào)廢。針對鑄件厚大部位補(bǔ)縮不足，通過增加冒口補(bǔ)縮是解決鑄造缺陷的有效手段之一，針對鎂合金容易氧化燃燒，通過添加阻燃劑來阻止鎂合金液與造型材料發(fā)生反應(yīng)是減少鑄件表面缺陷的重要措施。
目前已有廣泛應(yīng)用的發(fā)熱冒口、保溫冒口或者發(fā)熱保溫冒口在澆注過程中，是通過冒口材料中的發(fā)熱劑、助燃劑在高溫條件下發(fā)生放熱反映，使冒口中的金屬液溫度升高，延長金屬液在冒口中的凝固時(shí)間來達(dá)到反流回鑄型中進(jìn)行補(bǔ)縮的作用。但是針對鎂合金材料的特點(diǎn)，冒口中加入發(fā)熱劑和助燃劑會(huì)加劇鎂合金液的氧化燃燒，同時(shí)鎂合金液會(huì)同鑄型表面的發(fā)熱劑、助燃劑進(jìn)行反應(yīng)而降低鑄件表面質(zhì)量，嚴(yán)重影響了鎂合金鑄件的質(zhì)量，同時(shí)也制約了冒口的應(yīng)用范圍。中國專利文獻(xiàn)號為CN 102974764A，專利名稱為《鑄造中的鑄鋼件發(fā)熱保溫冒口》是由鋁、漂珠、酚醛樹脂、氧化鐵皮、磷酸制成，該冒口套的材料具有發(fā)熱、保溫的功效，使冒口內(nèi)的金屬液持續(xù)發(fā)熱，使金屬液溫度提高，從而延長凝固時(shí)間，提高補(bǔ)縮效果。但該專利中的發(fā)熱材料會(huì)增加鎂合金液的凝固溫度區(qū)間而不利于補(bǔ)縮。中國專利文獻(xiàn)號為CN 103586416 A，專利名稱為《一種無氟發(fā)熱保溫冒口及其制備方法》是由膨脹珍珠巖、石英砂、鋁粉、鎂粉、氧化鐵粉、硝酸鉀、氯化鈉、堿性酚醛樹脂、有機(jī)脂和偶聯(lián)劑制成，其物料中的鋁粉、氧化鐵粉和硝酸鉀為發(fā)熱劑，鎂粉為助燃劑，氯化鈉代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氟鹽起到調(diào)節(jié)劑的作用，使其具有點(diǎn)火速度快和燃燒速度慢的作用。雖然該所述冒口具有良好的使用效果，但在所述專利中添加的鎂粉助燃劑會(huì)加劇鎂合金液的氧化燃燒，會(huì)導(dǎo)致鎂合金鑄件表面出現(xiàn)缺陷，不能滿足使用要求。中國專利文獻(xiàn)號為CN 103962509 A，專利名稱為《一種發(fā)熱保溫冒口材料及其制備方法》加入助燃劑各組分的質(zhì)量百分比為：鎂粉30～45％、高氯酸鉀40～55％、交聯(lián)聚維酮或酚醛樹脂或蛋清溶液5～15％。該發(fā)熱保溫冒口材料能夠縮短冒口起燃時(shí)間，降低冒口起燃溫度，提高冒口的整體發(fā)熱效率。雖然該所述冒口具有良好的使用效果，但在所述專利中添加的鎂粉助燃劑同樣會(huì)加劇鎂合金液的氧化燃燒，會(huì)導(dǎo)致鎂合金鑄件表面出現(xiàn)缺陷，不能滿足使用要求。因此，在上述所述專利中，在冒口中均加入發(fā)熱劑和助燃劑來延長金屬液在冒口中的凝固時(shí)間來達(dá)到補(bǔ)縮的作用。但是針對鎂合金材料的特點(diǎn)，其存在的核心問題是在上述冒口中加入發(fā)熱劑和助燃劑會(huì)加劇鎂合金液的氧化燃燒，同時(shí)鎂合金液會(huì)同鑄型表面的發(fā)熱劑、助燃劑進(jìn)行反應(yīng)而降低鑄件表面質(zhì)量，嚴(yán)重影響了鎂合金鑄件的質(zhì)量，同時(shí)也制約了冒口的應(yīng)用范圍。因此開發(fā)新型的具有阻燃和保溫效果的適用于鎂合金砂型鑄造冒口勢在必行。
綜上所述，當(dāng)前鎂合金砂型鑄造過程中金屬液補(bǔ)縮和阻燃是急需解決的難題，其主要原因是缺乏相應(yīng)的專用保溫阻燃冒口。因此，開發(fā)鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口具有十分重要的意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口及其制備方法，解決現(xiàn)有制備冒口用材料會(huì)與鑄型發(fā)生反應(yīng)的問題，延長冒口內(nèi)金屬液凝固時(shí)間，進(jìn)而降低鑄件厚大部位由于補(bǔ)縮不足而造成的縮孔、縮松等缺陷。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
本發(fā)明提供了一種鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口，所述冒口包括以下質(zhì)量份數(shù)的各組分：
優(yōu)選地，所述的型砂骨料為粒度50～100目的石英砂，且石英中二氧化硅重量含量大于96％。
優(yōu)選地，所述保溫材料包括漂珠。
更優(yōu)選地，所述漂珠中包括以下質(zhì)量百分含量的各組分：二氧化硅56～62％，三氧化二鋁33～38％，三氧化二鐵2～4％，三氧化硫0.1～0.2％，氧化鈣0.2～0.4％，氧化鎂0.8～1.2％，氧化鉀0.5～1.1％，氧化鈉0.3～0.9％。
優(yōu)選地，所述阻燃劑包括硼酸、氟硼酸銨、硫磺中的至少一種。
優(yōu)選地，所述阻燃劑包括以下質(zhì)量百分含量的各組分：硼酸48～84％、氟硼酸銨4～20％、硫磺9.5～42％。所述硼酸含量過高，會(huì)導(dǎo)致型砂力學(xué)性能降低和透氣性變差；氟硼酸銨含量過高會(huì)導(dǎo)致砂型吸潮從而使砂型強(qiáng)度降低，硫磺含量過高則會(huì)使砂型發(fā)氣量增高。
優(yōu)選地，所述硼酸的粒度為100～300目。
優(yōu)選地，所述氟硼酸銨粒度為100～300目。
優(yōu)選地，所述硫磺粒度為100～300目。
優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑為脲醛改性呋喃樹脂。
優(yōu)選地，所述固化劑為對甲苯磺酸。
優(yōu)選地，所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑KH-550，密度為0.94g/cm3。
本發(fā)明還提供了一種鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口的制備方法，包括以下步驟：
S1、根據(jù)質(zhì)量百分含量稱取各原料組分；
S2、將稱取的型砂骨料、保溫材料、阻燃劑混合，然后依次加入固化劑，偶聯(lián)劑，粘結(jié)劑，充分混合均勻，即得混制好的樹脂砂型砂；
S3、將步驟S2混制好的樹脂砂型砂在冒口模具中緊實(shí)成型，經(jīng)過30～50min后脫模，即得所述阻燃保溫冒口。
本發(fā)明的作用原理是：先將石英砂、漂珠、硼酸、氟硼酸氨、硫磺置于自動(dòng)混砂機(jī)中混制，石英砂作為耐火骨架其足夠的加入量保證了保溫冒口的耐火度；漂珠具有極高耐火度，并且漂珠薄壁中空，空腔內(nèi)為半真空，具有良好的保溫效果；硼酸、氟硼酸氨、硫磺三種物料的加入起到阻燃和作為石英砂和漂珠空隙間的填充材料。脲醛改性呋喃樹脂在固化劑對甲苯磺酸的作用下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成形狀穩(wěn)定的冒口套。偶聯(lián)劑的加入使樹脂與石英砂這兩種性質(zhì)差異很大的材料表面之間形成中間橋梁，提高冒口的強(qiáng)度。
現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
1、阻燃保溫冒口主要用于鎂合金砂型鑄造使用，與普通發(fā)熱保溫冒口、保溫冒口和發(fā)熱冒口相比具有顯著的阻燃和保溫效果，冒口壁與鎂合金液接觸部位不放生氧化燃燒。金屬液在冒口內(nèi)的凝固時(shí)間延長，增加了冒口的補(bǔ)縮能力，降低了鑄件氧化夾雜、縮孔和縮松等缺陷，提高工藝出品率。
2、本發(fā)明制備的冒口脫模24h后測其抗拉強(qiáng)度高于1.5Mpa，72h后的抗拉強(qiáng)度高于1.2Mpa，滿足使用要求。
3、本發(fā)明的冒口制備方法簡單、成型周期短、成本低、經(jīng)過短時(shí)間烘干后即可使用。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
下述實(shí)施例述及本發(fā)明提供了一種鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口，所述冒口包括以下質(zhì)量份數(shù)的各組分：
所述的型砂骨料為粒度50～100目的石英砂，且石英中二氧化硅重量含量大于96％。
所述保溫材料包括漂珠。
所述漂珠中包括以下質(zhì)量百分含量的各組分：二氧化硅56～62％，三氧化二鋁33～38％，三氧化二鐵2～4％，三氧化硫0.1～0.2％，氧化鈣0.2～0.4％，氧化鎂0.8～1.2％，氧化鉀0.5～1.1％，氧化鈉0.3～0.9％。
所述阻燃劑包括硼酸、氟硼酸銨、硫磺中的至少一種。
所述阻燃劑包括以下質(zhì)量百分含量的各組分：硼酸48～84％、氟硼酸銨4～20％、硫磺9.5～42％。所述硼酸含量過高，會(huì)導(dǎo)致型砂力學(xué)性能降低和透氣性變差；氟硼酸銨含量過高會(huì)導(dǎo)致砂型吸潮從而使砂型強(qiáng)度降低，含量過高則會(huì)使砂型發(fā)氣量增高；硫磺含量過高，會(huì)導(dǎo)致砂型發(fā)氣量增大。
所述硼酸的粒度為100～300目。
所述氟硼酸銨粒度為100～300目。
所述硫磺粒度為100～300目。
所述粘結(jié)劑為脲醛改性呋喃樹脂。
所述固化劑為對甲苯磺酸。
所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑KH-550，密度為0.94g/cm3。
下述實(shí)施例所述的鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口的制備方法，包括如下步驟：
一、按質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取各組分；
二、按照步驟一稱取的石英砂、漂珠、硼酸、氟硼酸氨、硫磺置于自動(dòng)混砂機(jī)中混制1min～2min，然后在加入步驟一稱取的對甲苯磺酸固化劑，再自動(dòng)混砂機(jī)中混制1min～2min，然后在加入步驟一稱取的偶聯(lián)劑混制1min～2min，最后在加入步驟一稱取的呋喃脲醛樹脂，在混砂機(jī)中混制2min～3min，得到混制好的樹脂砂型砂。
三、將步驟二混制好的樹脂砂型砂在冒口模具中緊實(shí)成型，經(jīng)過30min～50min后脫模得到阻燃保溫冒口，在室溫放置24h后烘干使用。
實(shí)施例1
采用如下配比的石英砂85份、漂珠5份、阻燃劑0.5份(包括硼酸75wt％、氟硼酸銨6.25wt％、硫磺18.75wt％)、脲醛改性呋喃樹脂1份、對甲苯磺酸0.3份、偶聯(lián)劑0.5份混合后制得阻燃保溫冒口。
本實(shí)施例制備的冒口脫模24h后測其抗拉強(qiáng)度高于1.5Mpa，72h后的抗拉強(qiáng)度高于1.2Mpa，滿足使用要求。
將成型后的阻燃保溫冒口烘干后應(yīng)用于材質(zhì)為GW103K耐熱鎂合金鑄件，澆注溫度為750℃。對澆注后的鑄件冒口根部表面進(jìn)行著色探傷，沒有發(fā)現(xiàn)氧化皮、夾雜等缺陷，鑄件經(jīng)X光探傷后沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷，鑄件為合格品。證明冒口阻燃保溫效果顯著。
實(shí)施例2
采用如下配比的石英砂90份、漂珠10份、阻燃劑3份(包括硼酸70wt％、氟硼酸銨10wt％、硫磺20wt％)、脲醛改性呋喃樹脂1.2份、對甲苯磺酸0.4份、偶聯(lián)劑1份混合后制得阻燃保溫冒口。
本實(shí)施例制備的冒口脫模24h后測其抗拉強(qiáng)度高于1.5Mpa，72h后的抗拉強(qiáng)度高于1.2Mpa，滿足使用要求。
將成型后的阻燃保溫冒口烘干后應(yīng)用于材質(zhì)為WE43耐熱鎂合金鑄件，澆注溫度為730℃。對澆注后的鑄件冒口根部表面進(jìn)行著色探傷，沒有發(fā)現(xiàn)氧化皮、夾雜等缺陷，鑄件經(jīng)X光探傷后沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷，鑄件為合格品。證明冒口阻燃保溫效果顯著。
實(shí)施例3
采用如下配比的石英砂95份、漂珠12份、阻燃劑2份(包括硼酸64wt％、氟硼酸銨12wt％、硫磺24wt％)硼酸80份、氟硼酸銨15份、硫磺30份、脲醛改性呋喃樹脂1.5份、對甲苯磺酸0.5份、偶聯(lián)劑1.2份混合后制得阻燃保溫冒口。
本實(shí)施例制備的冒口脫模24h后測其抗拉強(qiáng)度高于1.5Mpa，72h后的抗拉強(qiáng)度高于1.3Mpa，滿足使用要求。
將成型后的阻燃保溫冒口烘干后應(yīng)用于材質(zhì)為AZ91D鎂合金鑄件，澆注溫度為740℃。對澆注后的鑄件冒口根部表面進(jìn)行著色探傷，沒有發(fā)現(xiàn)氧化皮、夾雜等缺陷，鑄件經(jīng)X光探傷后沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷，鑄件為合格品。證明冒口阻燃保溫效果顯著。
對比例1
對比例1涉及一種鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口，其組成和各組分質(zhì)量份數(shù)與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于：本對比例不含漂珠。
所述的制備方法同實(shí)施例。
本對比例制備的冒口脫模24h后測其抗拉強(qiáng)度1.44Mpa，72h后的抗拉強(qiáng)度1.21Mpa，滿足生產(chǎn)要求。將成型后的阻燃保溫冒口烘干后應(yīng)用于材質(zhì)為AZ91D鎂合金鑄件，澆注溫度為740℃。對澆注后的鑄件冒口根部表面進(jìn)行著色探傷，發(fā)現(xiàn)冒口根部存在局部縮松，鑄件經(jīng)X光探傷后發(fā)現(xiàn)局部縮松等級為4級，說明冒口保溫補(bǔ)縮效果差。
對比例2
對比例2涉及一種鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口，其組成和各組分質(zhì)量份數(shù)與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于：本對比例漂珠的重量份數(shù)為25份。
所述的制備方法同實(shí)施例。
本對比例制備的冒口脫模24h后測其抗拉強(qiáng)度1.12Mpa，72h后的抗拉強(qiáng)度0.83Mpa；不能滿足生產(chǎn)要求。將成型后的阻燃保溫冒口烘干后應(yīng)用于材質(zhì)為AZ91D鎂合金鑄件，澆注溫度為740℃。澆注后發(fā)現(xiàn)冒口砂型由于自身強(qiáng)度低，在澆注過程中發(fā)生開裂，未起到補(bǔ)縮效果，不能滿足生產(chǎn)要求。
對比例3
對比例3涉及一種鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口，其組成和各組分質(zhì)量份數(shù)與實(shí)施例2的區(qū)別僅在于：本對比例的阻燃劑僅為硼酸和硫磺，硼酸含量為78wt％，硫磺含量為22wt％。
所述的制備方法同實(shí)施例。
本對比例制備的冒口脫模24h后測其抗拉強(qiáng)度1.55Mpa，72h后的抗拉強(qiáng)度1.34Mpa，滿足生產(chǎn)要求；將成型后的阻燃保溫冒口烘干后應(yīng)用于材質(zhì)為AZ91D鎂合金鑄件，澆注溫度為740℃。對澆注后的鑄件冒口根部表面進(jìn)行著色探傷，發(fā)現(xiàn)冒口根部存在離散分布的氧化皮和夾雜，鑄件經(jīng)X光探傷后發(fā)現(xiàn)局部離散分布的氧化皮和夾雜為3級，不能滿足生產(chǎn)要求，說明冒口阻燃效果差。
對比例4
對比例4涉及一種鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口，其組成和各組分質(zhì)量份數(shù)與實(shí)施例2的區(qū)別僅在于：本對比例的阻燃劑僅為硼酸和氟硼酸銨，硼酸含量為88wt％，氟硼酸銨含量為12wt％。
所述的制備方法同實(shí)施例。
本對比例制備的冒口脫模24h后測其抗拉強(qiáng)度1.52Mpa，72h后的抗拉強(qiáng)度1.31Mpa，滿足生產(chǎn)要求；將成型后的阻燃保溫冒口烘干后應(yīng)用于材質(zhì)為AZ91D鎂合金鑄件，澆注溫度為740℃。對澆注后的鑄件冒口根部表面進(jìn)行著色探傷，發(fā)現(xiàn)冒口根部存在離散分布的氧化皮和夾雜，鑄件經(jīng)X光探傷后發(fā)現(xiàn)局部離散分布的氧化皮和夾雜為4級，不能滿足生產(chǎn)要求，說明冒口阻燃效果差。
對比例5
對比例5涉及一種鎂合金砂型鑄造用阻燃保溫冒口，其組成和各組分質(zhì)量份數(shù)與實(shí)施例2的區(qū)別僅在于：本對比例的阻燃劑為氟硼酸鉀和氟化銨，硼酸含量為60wt％，氟硼酸銨含量為40wt％。
所述的制備方法同實(shí)施例。
本對比例制備的冒口脫模24h后測其抗拉強(qiáng)度1.56Mpa，72h后的抗拉強(qiáng)度1.33Mpa，滿足生產(chǎn)要求；將成型后的阻燃保溫冒口烘干后應(yīng)用于材質(zhì)為AZ91D鎂合金鑄件，澆注溫度為740℃。對澆注后的鑄件冒口根部表面進(jìn)行著色探傷，未在冒口根部發(fā)現(xiàn)缺陷。鑄件經(jīng)X光探傷后，鑄件為根部為1級縮松，滿足生產(chǎn)要求。說明冒口阻燃保溫效果好，但由于阻燃劑在受熱后會(huì)釋放含氟氣體，不利于環(huán)保，故不能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。
綜上所述，本實(shí)施例制備的阻燃保溫冒口具有顯著的阻燃和保溫效果，冒口壁與鎂合金液接觸部位不發(fā)生氧化燃燒。金屬液在冒口內(nèi)的凝固時(shí)間延長，增加了冒口的補(bǔ)縮能力，降低了鑄件氧化夾雜、縮孔和縮松等缺陷，提高了工藝出品率；本發(fā)明制備的冒口脫模24h后測其抗拉強(qiáng)度高于1.5Mpa，72h后的抗拉強(qiáng)度高于1.2Mpa，滿足使用要求；本發(fā)明的冒口制備方法簡單、成型周期短、成本低、經(jīng)過短時(shí)間烘干后即可使用。
發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出，以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而并不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。